Ultracienkie (UT, ang. - ultra-thin) krystaliczne płytki krzemowe, które są bardziej elastyczne niż konwencjonalne, mogą być stosowane na zakrzywionych powierzchniach, umożliwiając szeroki zakres zastosowań, takich jak fotowoltaika zintegrowana z budynkami, fotowoltaika zintegrowana z pojazdami i urządzenia przenośne.
Cieńsze płytki wymagają skuteczniejszego sposobu wychwytywania światła w związku z tym teksturowanie powierzchni w mikroskali jest powszechnym podejściem do kompensacji zmniejszonej grubości poprzez zwiększenie długości drogi światła. Tekstury w mikroskali pogarszają jednak elastyczność mechaniczną z powodu koncentracji naprężeń w dolinach obecnych mikrotekstur. Koreańscy naukowcy zaproponowali wspomagany laserowo proces nanoteksturowania w celu zwiększenia elastyczności ogniw słonecznych UT-Si o grubości 50 μm przy jednoczesnym zachowaniu wydajności wychwytywania światła. Wytworzyli oni układ nanosoczewkowy służący do skupiania lasera na płytkach krzemowych. W ten sposób indukując tworzenie nanocząsteczkowych masek wytrawiających możliwe jest teksturowanie nanopiramid w roztworze alkalicznym [Y. Lee, et al., Sol. RRL, 2023, 2300376].
Do produkcji ogniwa UT-Si w technologii PERC, użyto wafli o przewodnictwie typu p otrzymanych metodą Czochralskiego, o orientacji powierzchni 100. Wafle o rozmiarze 30 mm x 30 mm charakteryzowały się grubością równą 50 μm. Proces teksturowania nanopiramid za pomocą nanosekundowego lasera impulsowego składał się z trzech głównych etapów: 1) wytwarzania nanosoczewek, 2) obróbki laserowej i 3) teksturowania piramidy w roztworze alkalicznym. Pierwszy etap obejmuje wytworzenie nanosoczewek wodorosilseskwioksanowych (HSQ, ang. - hydrogen silsesquioxane) o wypukłej strukturze optycznej, które są przygotowywane w sekwencyjnym procesie litografii i nanolitografii. W drugim etapie nanosoczewki są umieszczane na płytce krzemowej i naświetlane nanosekundowym laserem impulsowym w celu utworzenia nanocząsteczkowych masek trawiących na powierzchni płytek c-Si. Wreszcie, w trzecim etapie przeprowadza się typowy proces trawienia w roztworze KOH w celu utworzenia struktur nanopiramidowych na płytkach c-Si.
Średnia wielkość nanopiramid wynosiła 692 nm. Dla porównania, wafle Si teksturowane za pomocą konwencjonalnego procesu teksturowania KOH charakteryzowały się średnim rozmiarem piramid wynoszącym 5,76 μm, który jest typowy dla struktury wytwarzanej w standardowym procesie teksturowania w roztworze KOH.
Skuteczność wychwytywania światła płytek o różnej morfologii powierzchni zbadano metodą spektralnego pomiaru całkowitego współczynnika odbicia (Rtot). I tak wafle Si z teksturą nanopiramidą wykazują zbliżony Rtot w porównaniu z płytką Si teksturowaną tradycyjnie, ale znacznie niższy niż dla płytki bez modyfikacji powierzchni. Dodatkowo naukowcy zaznaczają, że zwiększenie jednorodności procesu teksturowania wspomaganego laserem pozwoli poprawić ogólną wydajność wychwytywania światła.
Aby przeanalizować wpływ teksturowania powierzchni na wytrzymałość na zginanie, przeprowadzono czteropunktowy test zginania przy użyciu jednostronnie teksturowanych płytek krzemowych przy czym na każdej próbce przeprowadzono ponad 30 testów zginania. Do obliczeń zastosowano analizę Weibulla, czyli metodę analizy rozkładu naprężeń dla kruchych materiałów, takich jak krzem. Tekstura powierzchni działa jak koncentrator naprężeń, a wytrzymałość teksturowanych płytek krzemowych jest obniżona szczególnie w okolicy powstałego karbu. Głębokość karbu mikrotekstury (klasycznej) jest znacznie głębsza niż w przypadku nanotekstury. Dlatego charakterystyczna wytrzymałość nanoteksturowanych próbek Si była większa niż w przypadku mikroteksturowanych próbek Si. Naukowcy określili też krytyczne promienie gięcia, które wynosiły 27,2 mm dla próbek nieteksturowanych, 45,2 mm dla próbek nanoteksturowanych i 53,9 mm dla próbek mikroteksturowanych.
Na bazie opracowanego sposobu teksturyzacji wykonano ogniwa słoneczne, a charakterystyki prądowo-napięciowe zmierzono w warunkach STC (AM 1,5G, 1000 Wm-2, 25°C). Ogniwo UT-PERC z teksturą nanopiramidalną wykazało najlepszą wydajność wynoszącą 18,68 %. Autorzy deklarują, że uzyskana wartość należy do najwyższych, zwłaszcza w przypadku ogniw słonecznych Si teksturowanych laserowo. Ponowne testy wytrzymałościowe ogniw słonecznych wykazały, że próbki z teksturą nanopiramidalną cechują się większą elastycznością mechaniczną niż próbki z klasyczną teksturą mikropiramidalną. Ponadto nowatorskie ogniwa nie wykazują znaczącej różnicy w porównaniu z próbkami płaskimi. W dodatkowym teście cyklicznego zginania (próbki zginano 1000 razy) wszystkie ogniwa wykazały spadek wydajności, ale najmniejszy regres odnotowano dla ogniwa z teksturą nanopiramidalną (2,0 %), następnie dla ogniwa bez tekstury (3,0 %) i tekstury klasycznej (4,3 %) odnosząc się do początkowej sprawności.
Naukowcy podkreślają, że właściwości mechaniczne, a w szczególności wytrzymałość na zginanie, zależy od tekstury powierzchniowej wafla Si oraz jego grubości. Autorzy odnieśli się również do niedawnej publikacji dotyczącej doskonałej elastyczność płytek Si o grubości 60 μm i krytycznym promieniu gięcia 4 mm (to osiągnięcie szczegółowo opisano w artykule: Najnowsze elastyczne krzemowe ogniwo fotowoltaiczne). We wspomnianych badaniach elastyczność została poprawiona przez lokalne stępienie mikropiramid, nie dotyczy to jednak całej płytki krzemowej. Koreańczycy deklarują, że po zastosowaniu podobnego podejścia promień gięcia wykonanych przez nich ogniw UT-Si znacząco się zmniejszy.
