美國斯坦福大學開發出“即剝即貼”型薄膜太陽電池

本刊賈旭平

薄膜太陽電池(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也可以制作在價格低廉、質量輕或柔性的基底上，如金屬箔和聚酰亞胺基底上。不過，TFSCs的制作工藝或材料的沉積條件通常都要進行改良，這樣才能適應這些基底的溫度限制和對平滑度的要求，因為他們會對TFSCs的效率和制作產量產生不利的影響。而且，即使采用改良生產條件，TFSCs依然不能被制作在更廉價、更輕和柔性更高的基底上，如紙、紡織品和橡膠上，因為這些非傳統基底在120℃下很容易發生變形，平滑度和硬度都會變得不利于操作。不過，一旦能成功制作在這些基底上，那么TFSCs的應用領域會被大大拓展，如可應用在這些領域：便攜式電源、可穿戴電子產品和航空領域。因此，開發一種能將TFSCs制作在任意基底上而又無需改良現有制作工藝和降低轉換效率的技術非常有必要。

據報道，來自美國斯坦福大學的研究人員近日成功開發出一種可以像創可貼一樣粘貼在任何物體表面的太陽電池，從而大大擴展了太陽能技術的潛在應用范圍。

研究人員表示，傳統的太陽電池產品通常都具有一個硬質的基板，而這也使得該類產品被安裝在不規則表面的物體上時無法充分發揮自身的光電轉化能力，此次所研發的薄膜太陽電池制造技術完全突破產品形態對于光電轉換能力以及適用范圍的限制。

據介紹，該薄膜太陽電池擁有獨特的硅、二氧化硅和金屬三層物質所組成的“三明治”結構。制造此類產品時，技術人員首先將硅/二氧化硅晶片通過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膜墊。

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

同時，這種粘貼型太陽電池可反復使用，而且其光電轉化能力將不會因反復的粘貼操作而減退。

研究人員還強調稱，這種薄膜太陽電池產品的制造過程完全基于現有的技術條件，從而有效控制了批量化生產時的成本，這種產品未來將對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也將會被用在印刷電路板、超細晶體管以及液晶顯示器的制造工藝當中。

“即剝即貼”型薄膜太陽電池的制作過程

“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。剝離過程主要是靠水輔助作用下Ni和SiO2界面的松解。通過松解，可將金屬層連同TFSCs從初始的Si晶片分離。由于“即剝即貼”工藝無需在最終目標基底上做任何加工，所以可避免與非傳統基底相關的各種制作難題。重要的是，轉移到任何目標基底上的TFSCs的效率與制作在Si基底上的TFSCs一樣。“即剝即貼”工藝的步驟如圖1所示。首先，用電子束蒸發法在Si/SiO2晶片鍍上一層Ni薄膜（300 nm），然后用常規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的上方作為暫時轉移容器。將透明保護層(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TFSCs結構浸泡在室溫水中。在室溫水浴中，熱釋放膠帶的邊緣會輕微剝離，這樣能促進水滲透到Ni和SiO2界面。由于水輔助作用下的松解作用，Ni和SiO2界面會分離，這樣TFSCs就會從初始的Si/SiO2晶片上分離[圖1(b)]。最后，熱釋放膠帶承載的TFSCs會在90℃下加熱幾秒，這樣可以弱化膠帶對TFSCs的粘合力。之后，TFSCs就可以采用各種常規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被留在目標基底上，如移動電話、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總結了20個表面積分別為0.05 cm2和0.28 cm2的太陽電池在經歷“即剝即貼”工藝前后的平均性能。圖4是轉移后的TFSCs的機械柔性。

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的性能對比

表1 “即剝即貼”工藝前后,TFSC的性能參數對比

圖4 轉移后TFSCs的機械柔性