Blog

Ogniwa słoneczne z krzemu krystalicznego (c-Si) zostały po raz pierwszy opracowane1 w 1954 roku, prawie 70 lat temu. Niewiele ponad dekadę później, w artykule2 zwrócono uwagę, że gdyby ogniwa te (znane również jako ogniwa fotowoltaiczne) mogły być lekkie i elastyczne, mogłyby zostać wykorzystane do stworzenia statków kosmicznych zasilanych energią słoneczną. Obecnie ogniwa słoneczne c-Si charakteryzują się wysoką sprawnością konwersji energii i dobrą stabilnością operacyjną w ekstremalnych warunkach klimatycznych, a ponadto poczyniono znaczne postępy w zakresie integracji obwodów elektronicznych z ich krzemowymi płytkami. Niemniej jednak, elastyczne ogniwa słoneczne c-Si nie zostały jeszcze zrealizowane, ponieważ płytki używane do produkcji ogniw są kruche mechanicznie. Większość dostępnych na rynku dużych modułów słonecznych c-Si to sztywne panele obudowane ciężkim szkłem, dlatego nie nadają się one do zastosowań takich jak bezzałogowe statki powietrzne napędzane energią słoneczną lub produkcja energii zintegrowana z budynkiem lub zamontowana w pojeździe.

Odkrycie

Za pomocą symulacji mechanicznych i atomowych przewidzieliśmy, że symetria strukturalna płytek c-Si w skali mezoskopowej (rzędu mikrometrów) odgrywa kluczową rolę w elastyczności płytek. W eksperymentach zoptymalizowaliśmy mezoskopową symetrię c-Si za pomocą adaptacji dwóch technik stosowanych do obróbki materiałów półprzewodnikowych: mokrego procesu chemicznego z udziałem kwasu i procesu opartego na suchej plazmie. Obie techniki poprawiły odporność wafli na naprężenia i odkształcenia w teście elastyczności zwanym trzypunktowym testem zginania. Uzyskane w ten sposób wafle można gwałtownie potrząsać bez ich łamania - jak arkusze elastycznego papieru.

Większość dostępnych na rynku elastycznych modułów solarnych c-Si można zginać pod kątem mniejszym niż 30-40°. Początkowo celem była produkcja dużych modułów słonecznych o kątach gięcia większych niż 90°; szczęśliwie udało się przekroczyć te optymistyczne oczekiwania. Krótkie stępienie krawędzi wafli przy użyciu mokrego procesu chemicznego lub suchego procesu plazmowego znacznie złagodziło wewnętrzną kruchość wafli. Zmieniło to sposób pękania wafli: zamiast kruchego pękania, poddane obróbce wafle poddane silnym naprężeniom wykazywały pasma ścinania ze stopniami i pęknięciami. Wyprodkowano płytki c-Si o rozmiarach przemysłowych, które można składać z promieniem gięcia (minimalny promień krzywizny gięcia) tak małym, jak około 4 milimetry . Korzystając z tych składanych płytek, stworzono 15-centymetrowe ogniwa słoneczne składające się z c-Si i warstwy powierzchniowej z niekrystalicznego krzemu3 o sprawności konwersji energii ponad 24% i kącie zgięcia ponad 360° (rys. 1b) oraz promieniu zgięcia około 8 milimetrów. Zamknęliśmy te ogniwa w dużych modułach słonecznych o powierzchni ponad 10 000 cm2, które były lekkie, elastyczne, wysoce wydajne i tanie. Zainstalowaliśmy je na bezzałogowych pojazdach powietrznych, tworząc zrównoważone źródło energii do długich lotów, takich jak eksploracja zasobów i kontrola pożarów lasów.

Teoretyczny promień gięcia 60-mikrometrowego wafla c-Si powinien wynosić około 0,72 mm. Dalsze badania powinny skupić się na sprawdzeniu, czy orientacja siatki krzemowej na bocznej powierzchni płytki (w przeciwieństwie do jej krawędzi) wpływa na wydajność mechaniczną.

Następnie podejmiemy próbę dalszego zmniejszenia promienia gięcia wafli poprzez optymalizację kąta, pod jakim przycinane są ich krawędzie. Mamy nadzieję, że przyczyni się to do dalszego rozwoju zastosowań, takich jak samozasilające się samoloty i produkcja energii w budynkach i pojazdach. - Wenzhu Liu i Zhengxin Liu pracują w Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Szanghaj, Chiny.