科学家们开发了一种创新的多层设计，显著提升了下一代太阳能电池的性能。

太阳能在我们全球追求清洁能源和可持续发展的过程中变得不可或缺。如今，大约95%的太阳能电池是使用晶体硅（c-Si）制造的。大多数商业设计采用了一个厚度约为160-170微米的c-Si光活性层。然而，由于硅独自占据了每个太阳能电池板成本的近一半，专家们认为下一代c-Si太阳能电池将会更薄。

不幸的是，尽管近年来取得了一些进展，但薄薄的c-Si太阳能电池的转换效率仍远远落后于厚重的工业型电池。这个问题的根源在于目前对于薄薄的c-Si电池的最佳设计策略仅仅最大化了各个参数，比如短路电流密度、开路电压或填充因子。当前的任何方法都无法同时提高这些参数，而这些参数对于实现高效率非常重要。

新的研究和创新

在这种背景下，中国杭州电子科技大学的一个研究团队开发了一种新的策略，以显著提高薄薄的c-Si太阳能电池的效率。他们的研究发表在《光子能量杂志》（Journal of Photonics for Energy，简称JPE）上，代表着硅太阳能电池技术领域的一项重大突破。

该策略优化了一些关键的光学和电学特性，该团队确定这些特性是导致厚重与薄薄c-Si太阳能电池转换效率差异的原因。他们使用商业软件进行了各种薄电池设计的光学模拟。通过进一步使用太阳能电池进行实验，研究人员制定出了一种创新的制造方法，相对于传统技术，该方法具有多个优点。

团队采用了一种层转移的方法，而不是传统的硅锭切割方法来生产厚度较大的c-Si层。他们使用氢氟酸在厚硅片上腐蚀出孔洞，形成了多孔层作为生长20μm薄的单晶硅层的基底，这样可以很容易地将其剥离并转移到一个柔性的不锈钢基底上。

通过纳米薄膜提高性能

为了提高薄硅层的光学和电学性能，研究人员使用等离子体增强化学气相沉积方法在两侧分别沉积了多层金属纳米薄膜，前面和后面的侧面分别采用SiO2/SiNx/SiOx层和Al2O3/SiNx/SiOx层，并呈现出金字塔状的纹理。

前面的SiNx/SiOx层和后面的SiOx/SiNx层分别增加了硅层对较短波长和较长波长光的吸收能力。这反过来提高了短路电流密度，即太阳能电池能够产生和收集的电荷载流子的数量。与作为参考的标准太阳能电池相比，电流密度从34.3增加到了38.2 mA/cm2。

此外，SiO2和Al2O3层提供了高表面封装，减少了产生的电荷载流子的复合和损失。这导致了更高的开路电压，即太阳能电池产生的最大电压。在使用所提出的设计时，开路电压从参考电池的632 mV提高到了684 mV。因此，太阳能电池的填充因子，即太阳能电池运行接近其理论最大效率的指标，从76.2增加到80.8％。

正如模拟和实验所证实的那样，这种方法使薄c-Si太阳能电池的转换效率从16.5提高到了21.1％，相当于4.6％的显著提高（相对于参考电池，大约提高了28％）。这使得薄c-Si太阳能电池的效率接近于其工业厚度对照样品的24％。

来自希腊帕特拉斯大学凝聚态物理教授、《光子能量期刊》副主编Leonidas Palilis指出：“总体而言，本研究的发现展示了一种使用更少硅材料实现高性能薄结晶硅太阳能电池的新方法——相较于给定面板尺寸的厚度为160μm的电池，对于一个20μm的电池仅需约八分之一的硅材料。”

这一进展很可能有助于更广泛、更具成本效益地采用硅太阳能技术，由于降低了成本并相应地扩大了太阳能电池板的制造能力。