Cellules solaires flexibles basées sur des tranches de silicium pliables aux bords émoussés

Nature volume 617, pages 717-723 (2023)Citer cet article

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Les cellules solaires flexibles ont un grand potentiel de marché pour une application dans le photovoltaïque intégré aux bâtiments et dans l'électronique portable, car elles sont légères, résistantes aux chocs et auto-alimentées. Les cellules solaires au silicium ont été utilisées avec succès dans les grandes centrales électriques. Cependant, malgré les efforts menés depuis plus de 50 ans, il n’y a pas eu de progrès notable dans le développement de cellules solaires flexibles en silicium en raison de leur rigidité1,2,3,4. Nous proposons ici une stratégie pour fabriquer des tranches de silicium pliables à grande échelle et fabriquer des cellules solaires flexibles. Une tranche de silicium cristallin texturé commence toujours à se fissurer au niveau des canaux pointus entre les pyramides de surface dans la région marginale de la tranche. Ce fait nous a permis d'améliorer la flexibilité des tranches de silicium en émoussant la structure pyramidale dans les régions marginales. Cette technique d'émoussement des bords permet la production commerciale de cellules solaires en silicium à grande échelle (> 240 cm2) et à haut rendement (> 24 %) qui peuvent être enroulées de la même manière qu'une feuille de papier. Les cellules conservent 100 % de leur efficacité de conversion de puissance après 1 000 cycles de flexion latérale. Après avoir été assemblées en modules flexibles de grande taille (> 10 000 cm2), ces cellules conservent 99,62 % de leur puissance après un cycle thermique entre −70 °C et 85 °C pendant 120 h. De plus, ils conservent 96,03 % de leur puissance après 20 minutes d'exposition au flux d'air lorsqu'ils sont attachés à un sac à gaz souple, qui modélise le vent soufflant lors d'une violente tempête.

Le silicium est l'élément semi-conducteur le plus abondant dans la croûte terrestre ; il est transformé en plaquettes pour fabriquer environ 95 % des cellules solaires du marché photovoltaïque actuel5. Cependant, ces cellules sont fragiles et se fissurent sous l’effet de la flexion, ce qui limite leur utilisation à grande échelle pour des applications flexibles. À l'heure actuelle, les cellules solaires à couches minces fabriquées à partir de silicium amorphe, de Cu(In,Ga)Se2, de CdTe, de matières organiques et de pérovskites présentent une flexibilité6,7,8,9 mais leur utilisation est limitée en raison de leur faible rendement de conversion de puissance (PCE). rejet de matières toxiques dans l’environnement, performances inférieures en cas de grandes surfaces et conditions de fonctionnement instables. Par conséquent, de nombreuses cellules solaires flexibles disponibles n’ont pas attiré de clients et la plupart des entreprises qui les fabriquaient ont fermé leurs portes. Dans cette étude, nous proposons une méthode d’ingénierie morphologique pour fabriquer des tranches pliables de silicium cristallin (c-Si) destinées à la production commerciale à grande échelle de cellules solaires avec une efficacité remarquable.

Notre premier objectif était de fabriquer des plaquettes pliables en C-Si dotées d’une forte capacité de récupération de la lumière. Réduire l’épaisseur d’une tranche peut améliorer sa flexibilité10, mais il existe un compromis entre l’épaisseur et l’efficacité de la capture de la lumière, car le c-Si est un semi-conducteur doté d’une bande interdite optique indirecte. En utilisant l'élimination des dommages causés par la scie11, nous avons réduit l'épaisseur d'une plaquette de 160 μm à 60 μm. Bien que la plaquette ait commencé à présenter une flexibilité similaire à celle d'une feuille de papier (Fig. 1 supplémentaire), elle n'était pas adaptée à la fabrication de cellules solaires car plus de 30 % de la lumière solaire incidente était réfléchie par sa surface brillante12. La texturation chimique des pyramides à micro-échelle sur les surfaces c-Si a été largement utilisée comme stratégie efficace pour réduire la réflectivité à moins de 10 % en raison du piégeage de la lumière lambertien13. Cependant, lorsque des forces de flexion étaient appliquées à de telles tranches texturées, la contrainte maximale se situait dans les canaux pointus entre les pyramides, comme observé dans la simulation avec le module de mécanique des solides de COMSOL Multiphysics (Extended Data Fig. 1a). Ce résultat était cohérent avec une image in situ obtenue par microscopie électronique à transmission (TEM), dans laquelle la contrainte de flexion s'accumulait dans les canaux entre les pyramides sous une charge de flexion typique exercée par un micromanipulateur (Extended Data Fig. 2). D'autres simulations ont révélé qu'une légère augmentation du rayon du canal (Rp) de 0 μm à 2,3 μm entraînait une réduction rapide de la contrainte maximale de 0,25 MPa à 0,016 MPa (Extended Data Fig. 1b). Mais ce traitement d'émoussement a augmenté la réflectivité à plus de 30 % (Fig. 2 supplémentaire), ce qui était défavorable à la récolte de la lumière. Cela a été confirmé par des simulations optiques des dispositifs, dans lesquelles les tranches émoussées présentaient un antireflet et un piégeage de la lumière inférieurs (Fig. 3 supplémentaire).