美國(guó)斯坦福大學(xué)開(kāi)發(fā)出“即剝即貼”型薄膜太陽(yáng)電池

本刊賈旭平

薄膜太陽(yáng)電池(TFSCs)，如氫化非晶硅(a-Si:H)，碲化鎘(CdTe)和銅銦鎵硒（CIGS），基本上都制作在Si晶片上或玻璃基底上。最近，TFSCs也可以制作在價(jià)格低廉、質(zhì)量輕或柔性的基底上，如金屬箔和聚酰亞胺基底上。不過(guò)，TFSCs的制作工藝或材料的沉積條件通常都要進(jìn)行改良，這樣才能適應(yīng)這些基底的溫度限制和對(duì)平滑度的要求，因?yàn)樗麄儠?huì)對(duì)TFSCs的效率和制作產(chǎn)量產(chǎn)生不利的影響。而且，即使采用改良生產(chǎn)條件，TFSCs依然不能被制作在更廉價(jià)、更輕和柔性更高的基底上，如紙、紡織品和橡膠上，因?yàn)檫@些非傳統(tǒng)基底在120℃下很容易發(fā)生變形，平滑度和硬度都會(huì)變得不利于操作。不過(guò)，一旦能成功制作在這些基底上，那么TFSCs的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)被大大拓展，如可應(yīng)用在這些領(lǐng)域：便攜式電源、可穿戴電子產(chǎn)品和航空領(lǐng)域。因此，開(kāi)發(fā)一種能將TFSCs制作在任意基底上而又無(wú)需改良現(xiàn)有制作工藝和降低轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)非常有必要。

據(jù)報(bào)道，來(lái)自美國(guó)斯坦福大學(xué)的研究人員近日成功開(kāi)發(fā)出一種可以像創(chuàng)可貼一樣粘貼在任何物體表面的太陽(yáng)電池，從而大大擴(kuò)展了太陽(yáng)能技術(shù)的潛在應(yīng)用范圍。

研究人員表示，傳統(tǒng)的太陽(yáng)電池產(chǎn)品通常都具有一個(gè)硬質(zhì)的基板，而這也使得該類產(chǎn)品被安裝在不規(guī)則表面的物體上時(shí)無(wú)法充分發(fā)揮自身的光電轉(zhuǎn)化能力，此次所研發(fā)的薄膜太陽(yáng)電池制造技術(shù)完全突破產(chǎn)品形態(tài)對(duì)于光電轉(zhuǎn)換能力以及適用范圍的限制。

據(jù)介紹，該薄膜太陽(yáng)電池?fù)碛歇?dú)特的硅、二氧化硅和金屬三層物質(zhì)所組成的“三明治”結(jié)構(gòu)。制造此類產(chǎn)品時(shí)，技術(shù)人員首先將硅/二氧化硅晶片通過(guò)熱敏材料固定在厚度為300 nm的鎳金屬板上，隨后再使用特質(zhì)凝膠覆蓋并填充在硅/二氧化硅晶片之間的空隙和表面，使之成為一張完整的軟質(zhì)膜墊。

使用時(shí)，首先要將整塊的太陽(yáng)電池浸泡在25℃溫水中，使包含有硅/二氧化硅晶片的軟質(zhì)膠墊與鎳金屬板分離，而后便可將其貼在包括頭盔、便攜電子設(shè)備、房屋的穹頂以及服裝等物體的表面進(jìn)行使用。

同時(shí)，這種粘貼型太陽(yáng)電池可反復(fù)使用，而且其光電轉(zhuǎn)化能力將不會(huì)因反復(fù)的粘貼操作而減退。

研究人員還強(qiáng)調(diào)稱，這種薄膜太陽(yáng)電池產(chǎn)品的制造過(guò)程完全基于現(xiàn)有的技術(shù)條件，從而有效控制了批量化生產(chǎn)時(shí)的成本，這種產(chǎn)品未來(lái)將對(duì)制造新型的智能宇航服起到幫助，而其所擁有的薄膜粘貼技術(shù)也將會(huì)被用在印刷電路板、超細(xì)晶體管以及液晶顯示器的制造工藝當(dāng)中。

“即剝即貼”型薄膜太陽(yáng)電池的制作過(guò)程

“即剝即貼”工藝包括兩步：（1）將TFSCs從鍍NiSi晶片剝離；（2）將剝離的TFSCs貼到任意基底的表面。剝離過(guò)程主要是靠水輔助作用下Ni和SiO2界面的松解。通過(guò)松解，可將金屬層連同TFSCs從初始的Si晶片分離。由于“即剝即貼”工藝無(wú)需在最終目標(biāo)基底上做任何加工，所以可避免與非傳統(tǒng)基底相關(guān)的各種制作難題。重要的是，轉(zhuǎn)移到任何目標(biāo)基底上的TFSCs的效率與制作在Si基底上的TFSCs一樣?！凹磩兗促N”工藝的步驟如圖1所示。首先，用電子束蒸發(fā)法在Si/SiO2晶片鍍上一層Ni薄膜（300 nm），然后用常規(guī)TFSC制作方法將TFSCs沉積在金屬層上[圖1 (a)]。其次，將熱釋放膠帶（Nitto-Denko）粘在TFSCs的上方作為暫時(shí)轉(zhuǎn)移容器。將透明保護(hù)層(ProTek)填充在TFSCs和熱釋放膠帶之間，這樣既可以防止TFSCs被膠帶的聚合物污染，又可以防止TFSCs與水的之間接觸。第三，將整個(gè)TFSCs結(jié)構(gòu)浸泡在室溫水中。在室溫水浴中，熱釋放膠帶的邊緣會(huì)輕微剝離，這樣能促進(jìn)水滲透到Ni和SiO2界面。由于水輔助作用下的松解作用，Ni和SiO2界面會(huì)分離，這樣TFSCs就會(huì)從初始的Si/SiO2晶片上分離[圖1(b)]。最后，熱釋放膠帶承載的TFSCs會(huì)在90℃下加熱幾秒，這樣可以弱化膠帶對(duì)TFSCs的粘合力。之后，TFSCs就可以采用各種常規(guī)的粘合媒介被粘到各種表面上，如雙面膠或聚二甲硅氧烷（PDMS）[圖1(c)]。在去掉熱釋放膠帶后，只有TFSCs被留在目標(biāo)基底上，如移動(dòng)電話、紙、金屬箔、塑料和紡織品[圖1(d)]。圖2（a）是采用“即剝即貼”工藝在鍍Ni Si/SiO2晶片上制作a-Si：H TFSCs的步驟；圖2（b）顯示了在各種媒介上所粘貼的剝離TFSCs。圖3是a-Si:H TFSCs在“即剝即貼”工藝前后的I-V特性曲線。表1總結(jié)了20個(gè)表面積分別為0.05 cm2和0.28 cm2的太陽(yáng)電池在經(jīng)歷“即剝即貼”工藝前后的平均性能。圖4是轉(zhuǎn)移后的TFSCs的機(jī)械柔性。

圖1 “即剝即貼”工藝的步驟

圖2 “即剝即貼”工藝的不同階段

圖3 “即剝即貼”工藝前后，TFSC的性能對(duì)比

表1 “即剝即貼”工藝前后,TFSC的性能參數(shù)對(duì)比

圖4 轉(zhuǎn)移后TFSCs的機(jī)械柔性