综述：重新定义晶体硅：开拓透明和柔性光伏技术的崭新篇章

《Advanced Energy Materials》：Redefining Crystalline Silicon: Unlocking New Horizons in Transparent and Flexible Photovoltaics

　　**摘要**

晶体硅（c-Si）由于其高效性、丰富的材料储备以及经过验证的现场可靠性，成为了全球光伏产业的基础。然而，这种成熟性也强化了一种观点，即硅本质上与刚性、不透明的模块形式紧密相关。本文重新审视了这一假设，并探讨了光学和机械设计的进步如何将c-Si转化为透明且具有机械柔性的光伏平台。首先，本文阐明了选择性光传输架构的设计原理，通过几何定义的微孔和模块级的光学管理，将可见光透明度与光伏吸收分离，从而实现适合建筑集成的中性颜色外观。随后，本文研究了应力重新分布策略，包括超薄晶片工程、中性轴和分层结构以及微结构互联，这些策略解决了硅晶格的固有脆性问题，同时保持了高电子品质。除了结构概念之外，本文还讨论了基于单线光解的光谱转换和串联系统等新兴路径，这些路径至少在理论层面为超过传统单结光电转换限制提供了可能。总的来说，这些发展将c-Si从一种成熟但静态的技术重新定义为一种不断发展、多功能的光伏半导体平台，具有将电力生成直接集成到建筑环境和其他形式受限系统中的潜力。

**1 引言**

晶体硅（c-Si）长期以来一直是光伏（PV）行业的主力军，占全球太阳能电池生产和应用的95%以上。自1954年贝尔实验室首次报道实用硅太阳能电池以来，该技术通过晶片生长、掺杂控制、表面纹理化和钝化技术的创新得到了持续的改进。这些发展使c-Si的光电转换效率显著提升——单结实验室电池的效率已超过27%——同时保持了卓越的长期稳定性、机械强度和环境可靠性[1, 2]。因此，硅基光伏技术如今构成了一个年产量达到太瓦级的全球制造生态系统，拥有完善的供应链、丰富的原材料以及数十年的现场数据验证其长期耐用性。然而，这种成熟性也成为了双刃剑。人们认为c-Si技术已经达到了其根本和商业上的极限——“硅天花板”——这使得许多光伏社区将注意力转向了新兴的薄膜和钙钛矿材料[3, 4]。然而，这种观点忽略了一个关键事实：尽管c-Si在技术上已经成熟，但它仍然是一种高度通用且可调的半导体，其固有的光学和机械性能可以根本性地进行重新设计。与许多化合物半导体不同，硅的丰富性、非毒性以及与现有CMOS基础设施的兼容性使其在变革而非替代方面具有独特优势[5]。近年来，纳米/微尺度制造、先进钝化化学和光机械设计的结合重新激发了人们对c-Si作为平台的兴趣，不仅用于效率优化，还用于新的形式因素和功能[6-10]。这种新兴视角将硅不仅仅视为一种刚性、不透明的晶片，而是一种能够提供透明度、柔性和集成到非传统环境中的功能性能源材料——从建筑立面和电子显示器到可穿戴设备和航空航天系统[11, 12]。这种范式的转变开始重新定义c-Si光伏所能实现的界限，将其定位在传统高效太阳能技术和下一代多功能能源设备的交汇处。在此基础上，最近的研究开始挑战长期以来认为晶体硅必须刚性且不透明的假设。传统上，硅的间接带隙和高折射率限制了其在可见光范围内的透明度，而其脆性的共价晶格限制了其机械柔韧性。然而，光学和机械工程的进步将这些 perceived limitations 转化为可以精确控制的设计参数。通过调整晶片厚度、纳米结构表面形态和重新配置电极架构，研究人员已经证明c-Si可以具备广泛的新功能——主要包括光学透明性和机械柔韧性——而不牺牲其内在的稳定性和可扩展性[11, 12]。一系列具有里程碑意义的研究——涵盖了早期超薄和转移印刷硅平台以及最近透明的和灵活的c-Si演示——逐渐扩展了硅光伏的设计空间。这些发展涵盖了几个互补的方向，包括超薄半透明Si、基于几何的选择性光传输、微线和聚合物支持的架构、转移印刷Si微电池、可折叠的晶片级电池和独立式的超薄柔性模块[13-23]。2020年，Lee等人首次实现了无色透明c-Si晶片的实验，打破了传统硅不能同时实现光学透明性和光伏功能的长期假设[13]。他们的透明c-Si光伏的平均可见光透射率（AVT）约为20%–30%，同时保持了超过10%的光电转换效率（PCE）。这项工作首次证明了标准的基于晶片的硅能够提供适合建筑集成应用的中性外观和光伏性能。随后，同一研究小组通过全背面接触（ABC）架构进一步推进了这一方法，去除了正面金属化以保持光学清晰度[24]。由此产生的完全透明的c-Si太阳能模块在大面积上展示了均匀的光传输和颜色中性，在实际条件下实现了实用的模块级效率和机械耐用性。在机械领域也发生了平行发展。通过将硅晶片减薄至几十微米并引入可控的微结构和纳米结构，研究人员显著扩展了硅的断裂极限，使其从脆性材料转变为具有机械柔性的材料[14, 22, 23]。早期基于径向结微线和聚合物支持的微线阵列的柔性c-Si光伏演示为机械适应性硅架构奠定了基础[14, 15]。后续的进步，包括带有光子管理层的薄型、非纹理化柔性光伏，进一步提高了光吸收效率，而不影响结构稳定性[16, 17]。最近，能够实现毫米级弯曲的可折叠晶片和独立式超薄硅太阳能模块证明了硅可以结合高效率和前所未有的机械柔韧性[18, 19, 25]。总体而言，这些成就打破了c-Si必须保持刚性的长期观念，将其定位为一个可行的材料平台，适用于轻量化、可适应性和可穿戴的光伏系统。这些进步从根本上重塑了对c-Si的理解和应用。曾经仅被视为局限于传统晶片基太阳能面板的刚性、不透明材料，现在正被重新构想为一种多功能能源平台，既具有光学透明度又具有机械柔韧性[11, 12]。这种转变为将光伏集成到多样化的环境中打开了新的机会——从建筑立面和智能窗户到可穿戴电子设备和航空航天系统——在这些应用中，美学、形式因素和重量与效率同样重要。尽管取得了这些显著的成就，在透明的和灵活的c-Si光伏实现广泛采用之前，仍然存在几个关键挑战。在提高光学透射率的同时保持高效率仍然需要在设备设计中进行微妙的权衡，特别是在管理光学损失、寄生吸收和角度依赖性方面。对于机械柔性系统而言，确保在反复弯曲、热循环和环境暴露下的长期稳定性仍然是一个主要障碍。此外，大面积可扩展性、封装可靠性和成本效益的制造必须得到解决，以使这些设备具有商业可行性。本文旨在综合近年来在透明和灵活c-Si光伏和模块开发方面的进展，突出使其性能成为可能的基本设计原则，并识别剩余的科学和工程挑战。我们进一步讨论了新兴策略——如先进钝化、微结构加固以及与单线光解或串联系统的光物理耦合——这些策略可能推动c-Si光伏超越其传统限制。通过这一视角，我们寻求将硅重新定义为不仅是一种成熟的、饱和的材料，而是一个不断发展的平台，处于下一代光伏创新的前沿。

**2 下一代光伏的硅基础知识**

几十年来，晶体硅（c-Si）一直是光伏产业的基石，这得益于其在性能、稳定性和可制造性方面的良好平衡[26, 27]。其间接带隙（在300 K时约为1.12 eV）使其能够吸收太阳光谱的宽范围，但在近红外区域的低吸收系数（约为10^2 cm^-1）要求吸收层厚度达到数百微米[28]。因此，传统的c-Si太阳能电池依赖于厚度约为150–200 μm的晶片，以确保足够的光子吸收和电荷收集[29]。虽然这些厚晶片具有出色的电气性能和长期可靠性，但它们的光学不透明度、刚性和重量限制了其集成到新兴的透明和灵活应用中的能力。

**2.1 光学基础：吸收、光捕获和透明度权衡**

作为一种间接带隙材料，硅需要声子的参与才能在带边附近吸收光子，这使得单次透过吸收效率低下[30]。在单次透过近似下，通过厚度为d的硅层的波长依赖的传输强度可以用Beer–Lambert关系描述，

其中I0(λ)是入射光强度，α(λ)是硅的波长依赖的吸收系数[28, 30]。相应地，单次透过吸收率可以表示为

由于α(λ)在Si带边附近显著减小，特别是在红色和近红外区域，超薄平面c-Si吸收体除非增强光学路径长度，否则会遭受大量的光电流损失[28]。为了补偿这种弱单次吸收，引入了包括表面纹理化、光子晶体、等离子体散射体和波长选择性介电结构在内的光捕获策略，以增加有效光学路径长度，从而增强较薄c-Si设备中的吸收率[17, 31]。一个有用的一阶描述是

其中Leff(λ)是吸收体中的有效光学路径长度。经典的Yablonovitch极限（4n^2，对于Si约为3.5）定义了在随机散射条件下的吸收增强上限[32]。对于硅来说，这个极限对应于大约4n^2 ≈ 49的最大路径长度增强因子，这说明了为什么高效的光捕获对于超薄c-Si吸收体尤为重要[17, 20, 32, 33]。从这个角度来看，主要的光学策略可以根据它们的主导物理作用进行区分。表面纹理化主要抑制前表面反射并促进光的随机化[17, 34, 35]。光子晶体通过将入射光耦合到共振或引导光模式来增强吸收[31]。等离子体纳米结构可以集中电磁场并增加引导模式中的散射，尽管它们也可能引入额外的光学损失[17, 36]。相比之下，波长选择性介电结构不仅用于增强吸收，还用于调整传输光和吸收光之间的光谱平衡，这对于透明光伏尤为重要[37, 38]。在透明c-Si光伏中，光学目标不仅仅是为了最大化总吸收率，因为必须保留部分可见光谱的透射性以实现有意义的视觉透明度[13, 37]。评估这种权衡的一个有用的光伏指标是短路电流密度，可以表示为

其中q是基本电荷，ΦAM1.5G(λ)是入射太阳光子通量，EQE(λ)是外部量子效率。在高效载流子收集的简化假设下，EQE(λ)可以近似为波长依赖的吸收率A(λ)，给出

设备的光学透明度通常通过平均可见光透射率（AVT）来量化，

其中T(λ)是波长依赖的透射率，V(λ)是人眼的视觉响应[13, 37]。这些表达式阐明了透明硅光伏中的核心透明度–光电流权衡：提高可见光传输通常会降低太阳光谱部分的吸收率，从而降低Jsc。在光谱选择性的透明设备中，光谱截止波长因此是一个核心设计参数。将截止波长向更短波长移动可以提高可见光透明度，但会降低光电流；而将其向更长波长移动则会提高吸收率，但会牺牲视觉透明度（图1A）[13, 37]。在基于几何的透明c-Si架构中，一个相关的一阶权衡通过透明区域比例出现，其中增加孔径比例会提高AVT，但同时会按比例减少可用于光伏吸收的活性硅面积[13]。图1展示了下一代晶体硅光伏的基本设计考虑因素。(A) c-Si厚度对透射率和光谱截止波长的影响。(B) 机械柔韧性（以最小弯曲半径表示）与c-Si厚度的依赖性。(C) 超薄和透明c-Si光伏的光学设计框架：平面超薄c-SI表现出有限的单次透过吸收，表面纹理化或光学纳米结构通过增加有效光学路径长度来增强吸收，而透明c-SI光伏涉及选择性光传输和选择性吸收，导致透明度–光电流之间的权衡，由平均可见光透射率（AVT）量化。为了缓解这些相互竞争的要求并减少寄生光学损失，可以结合先进的光学滤波器、抗反射涂层和多层干涉堆栈来调整传输光和吸收光之间的光谱平衡[38]。此外，必须仔细优化角度响应和颜色均匀性，因为在透明设备中光学干涉和反射率会随入射角度强烈变化[39]。尽管有这些创新，纳米和微结构引入了自己的权衡。高纵横比或激进的纹理化可能会损坏硅表面，降低钝化质量，并增加表面复合速度，特别是当纹理偏离受控的金字塔形状时[34, 35]。此外，透明电极架构可能会引入额外的光学损耗，包括在可见光/近红外范围内的寄生吸收和角度依赖的散射[36, 40]。这些包括传统的透明导电氧化物，如ITO和基于ZnO的电极，以及含有过渡金属氧化物（如MoOx）的氧化物/金属/氧化物类型的多层透明电极，在这种电极中，超薄金属层提供了主要的电导率[41, 42]。因此，当c-Si吸收剂被减薄到几十微米的范围或适应透明操作时，光学设计问题必须被理解为一个多参数优化问题，涉及吸收率、角度依赖性、角度稳定性、寄生光学损耗和表面钝化质量。这种平衡定义了下一代c-Si光伏技术的光学极限[17, 34-36, 38-40]。

2.2 机械基础：断裂、柔韧性和尺寸效应

从机械角度来看，块状硅是脆性的，在大约1%的断裂应变以下就会发生断裂[43]。它的共价晶格和缺陷敏感性导致在拉伸应力下会发生灾难性失效，这历来限制了c-Si设备只能在刚性、平面的基板上使用[44]。然而，当晶圆厚度减小并且应力分布得当时，机械行为会发生显著变化（见图1B）[14]。在微观尺度上，尺寸效应减轻了缺陷的敏感性：较小的体积含有更少的关键缺陷，从而降低了裂纹扩展的概率[45]。薄硅从平面应变状态转变为平面应力状态，有效地提高了表观韧性[46]。在弯曲过程中，表面应变（ε）可以用t/(2R)来近似表示，其中t是厚度，R是弯曲半径。这个关系表明，一个50微米厚的硅层，假设其临界应变约为0.5%，理论上可以承受大约5毫米的弯曲半径[47]。实验研究证实，只要保持内部应力和钝化的完整性，厚度减薄到30微米以下就可以实现多次弯曲而不发生断裂[19]。硅的弹性各向异性也会影响其机械响应。杨氏模量在?100?方向上约为130 GPa，在?111?方向上约为190 GPa，而临界断裂应力则随晶体取向和表面条件而变化[48]。掺杂、温度梯度或薄膜沉积引起的残余应力也会进一步影响弯曲耐受性[49]。因此，薄c-Si的机械柔韧性不仅仅是厚度的函数，还取决于晶体取向、表面形态和多层应力平衡。重要的是，只有当应变保持在断裂阈值以下时，硅的柔韧性才是可逆的；超过这个阈值，裂纹的产生和分层就会变得不可逆[50]。在循环弯曲下的疲劳抗性是另一个新兴问题：重复的机械加载可能会随着时间的推移产生亚临界裂纹。理解这些断裂Mechanics现象对于设计可靠的柔性硅模块至关重要。

2.3 新兴硅材料中的表面钝化和界面控制

减薄硅材料或引入纳米/微结构不可避免地会增加表面复合，因为表面积与体积的比例增加了[51]。因此，保持高电子质量需要优秀的表面钝化。使用氢化非晶硅（a-Si:H）、原子层沉积的Al2O3或二氧化硅（SiO2）层可以有效抑制悬挂键态[52-54]。异质结架构（如SHJ（硅异质结）电池）的成功证明，即使在小于100微米的晶圆中也能保持钝化质量[55]。界面处的电学和光学耦合也需要精心设计。透明导电氧化物（TCO）必须提供高导电性并且吸收最小，同时保持机械兼容性。对于透明或柔性设备，优选使用应力缓冲中间层和低温沉积工艺来防止裂纹产生。此外，硅与相邻层之间的热膨胀系数（CTE）不匹配可能会导致残余应力的积累，因此对堆叠稳定性的机械建模是一个重要的设计考虑因素。

2.4 朝向硅器件的光机械协同设计

硅的光学和机械基础是紧密相连的。减小晶圆厚度可以提高机械柔韧性，但会降低光吸收并增加表面复合。相反，改善光捕获或应用光学涂层可以提高吸收率，但往往会影响柔韧性。因此，实现透明和/或柔性的晶体硅光伏器件需要同时优化这些相互关联的领域——光学管理、机械设计和表面钝化。这些相互依赖的物理约束构成了接下来章节中讨论的新兴策略的基础。第3节探讨了光学工程原理如何使透明晶体硅器件成为可能，而第4节则考察了将硅转变为真正柔性光伏材料的机械和架构创新。

3 透明硅太阳能电池

3.1 硅的光学透明原理

在c-Si中，光学透明性与其作为光伏吸收体的角色似乎是根本矛盾的。常规的c-Si晶圆厚度超过150–200微米时，由于c-Si的高折射率（n ≈ 3.5–4.0）和强烈的带隙以上吸收，几乎吸收了整个可见光谱。即使大幅减薄也无法实现有意义的可见光透明性：在几十微米的厚度下，硅仍然基本上是不透明的[12]。这种行为直接遵循比尔-朗伯定律，该定律指出通过吸收介质的透射强度IT遵循

其中I0、β和l分别表示入射光强度、吸收系数和基底厚度。对于c-Si，在400–700纳米的可见光范围内，β非常高，这意味着即便是微米级的厚度也无法提供足够的可见光透射率，从而无法应用于实际透明应用（见图2A,B）[13, 23]。因此，仅靠减薄无法在c-Si中实现有意义或颜色中性的透明性，这与宽带隙材料形成鲜明对比，后者在整个可见光谱范围内的内在吸收较低[56]。图2展示了均匀减薄的c-Si晶圆的厚度依赖性颜色变化和横截面扫描电子显微镜（SEM）图像，表明简单的减薄只能改变外观颜色，而不能使晶圆完全透明。转载自Wang等人[23]。版权2013，美国化学学会。图2B显示了不同厚度平面c-Si晶圆的透射光谱，显示出透射截止波长的厚度依赖性变化。转载自Lee等人[13]。版权2020，Elsevier。图2C示意了选择性光传输结构，其中宽带可见光通过孔洞传输，而剩余的硅区域保持光伏吸收；在实际器件中，孔洞通常通过高纵横比刻蚀（例如DRIE或deep MaCE）制造，随后进行侧壁平滑和钝化以抑制载流子复合。图2D说明了人类最小分辨率角度：当相邻孔洞与观察者眼睛之间的角度小于1弧分时，无法区分单个孔洞，表面看起来是均匀的。图2E比较了传统的200微米厚的不透明c-Si晶圆（左）和采用选择性光传输微孔阵列的200微米厚的中性色透明c-Si晶圆（右）。转载自Lee等人[13]。版权2020，Elsevier。图2F示了带有前后电极的透明c-Si太阳能电池的示意图。转载自Lee等人[13]。版权2020，Elsevier。图2G展示了ABC透明c-Si架构：（左）3D示意图显示了孔洞阵列位于交错的背面接触之上，（中）横截面突出了发射极和背面场区域之间的光传输区域，（右）是ABC透明c-Si太阳能电池的照片[24]。CC BY 4.0许可。出于这些原因，透明c-Si光伏技术的突破不是来自均匀减薄，而是来自选择性光传输架构的发展。Lee等人报告了一种创新方法，通过故意重新定向光路径来产生透明性，而不改变硅的内在吸收[13]。在这种方法中，微孔阵列允许可见光直接通过晶圆的工程化区域传输，而周围的c-SI继续吸收宽带阳光以产生电能（见图2C）。在实际器件制造中，这些光传输窗口通常通过高纵横比刻蚀工艺形成，最著名的是深反应离子刻蚀（DRIE）或深金属辅助化学刻蚀（MaCE）[57, 58]。在基于DRIE的结构中，等离子体引起的侧壁损伤和波浪形可能会导致缺陷密度和表面复合的增加，除非经过仔细的钝化[57]。相比之下，深MaCE提供了一种减少损伤的湿法刻蚀路径，用于形成高纵横比的传输窗口[58]。因此，后刻蚀表面的平滑处理和共形介电钝化（如ALD生长的Al2O3）是抑制侧壁复合和保持微孔阵列透明c-Si器件中高载流子寿命的重要策略[52-54, 57, 58]。当孔洞间距设计在人类最小分辨率角度以下时，空间图案化的传输在视觉上变得无法区分，产生均匀且无色的外观，尽管存在几何调制（见图2D,E）。因此，透明c-Si光伏技术不是依赖于均匀减薄，而是依赖于选择性光传输策略，这些策略有意识地控制可见光谱的特定部分如何通过器件传输。在这种架构中，透明性是通过重新定向光路径实现的——无论是几何上的还是光谱上的——而不是通过减弱硅的内在吸收。选择性光传输技术使得基于晶圆的c-SI实现了颜色中性的透明性，这不是通过光谱过滤，而是通过几何定义的微孔，这些微孔提供了宽带可见光传输，同时孔洞间距设计在人类眼睛的最小分辨率角度以下。在这种架构中，透明性来源于物理上分离的光学和电气路径：光通过孔洞传输，几乎不受波长影响，而周围的硅区域继续吸收宽带阳光以产生电能。因为这种机制不依赖于薄膜干涉或截止波长调节，所以它产生的透明性本质上是颜色中性的，没有薄膜基方法特有的色差问题。然而，这里的“颜色中性”应该在SLT设计的适当几何范围内理解。实际上，当中等透射孔洞远大于可见光波长时，可以实现中性透明性，这样衍射引起的光谱过滤可以忽略不计，同时孔洞间距保持在人类最小分辨率角度以下[13]。在基础的SLT设计中，微孔直径被选为超过约90微米，以避免可见光衍射，实现的孔洞直径根据填充比例在90–128微米范围内[13]。如果特征尺寸接近光学波长范围，确实会出现衍射引起的着色和相关光学伪像；但这不是中性色SLT c-Si架构的目标[13]。重要的是，选择性光传输与各种电极配置兼容。早期的实现使用了常规的前后接触，并证明即使不去除前电极也能实现有意义的透明性（见图2F）[13, 57]。后续的器件和模块设计进一步改进了这一概念，后来的工作将微孔透明性与全背面接触架构结合起来，完全消除了前侧金属化，以最大化前向传输（见图2G）[24]。总的来说，这些发展表明选择性光传输与电极无关，可以集成到传统的和背面接触的c-Si太阳能电池中，这与多种器件架构具有广泛的兼容性。颜色中性仍然是一个关键的设计目标，因为即使是微小的光谱不平衡也会产生明显的着色。CIE 1931色度测量和亮度加权用于优化平坦的可见光范围透射率。相反，通过调整干涉光谱可以实现有意的颜色调节，以创建稳定的蓝色、绿色或琥珀色着色的透明性，用于美学应用。最终，c-Si的透明性不能仅通过批量减薄或薄膜光学来实现，因为比尔-朗伯定律和干涉物理原理本质上限制了颜色中性的传输。相反，透明性仅通过精心设计的选择性传输路径来实现，这些路径允许可见光通过，同时保留了光伏操作所需的硅吸收。这些原理构成了第3.2节中介绍的实验实现的基础。

3.2 透明硅太阳能电池的实验实现

从概念性的光学建模到透明c-Si光伏的实际演示，在过去几年中通过了几项重要的研究。在讨论基于SLT的透明c-Si器件之前，首先考虑厚度减少方法是有用的，这种方法代表了通往半透明硅的一条独特路径。Wang等人展示了厚度从大约10微米到亚2微米的晶圆级独立超薄单晶硅薄膜，表明减薄可以诱导部分可见光传输和明显的厚度依赖性颜色变化，这受到Si吸收深度的控制[23]。同样的工作还展示了通过双侧纳米纹理化的机械柔韧性、加工性和吸收增强，为超薄c-Si光子和光伏设计建立了重要的基线[23]。然而，由于均匀减薄的c-SI中的透射颜色受比尔-朗伯吸收剖面和厚度依赖的光谱截止的控制，仅靠减薄不能提供中性、类似玻璃的透明性。因此，SLT应该被视为一种基于几何的策略，用于解决基于晶圆的c-SI中的这种特定的颜色中性挑战，而不是透明硅研究的起点[13]。这些早期的超薄Si研究和随后的SLT演示为将传统上被认为是光学不透明的硅转变为透明光伏设计的平台奠定了基础，SLT特别解决了颜色中性的、基于晶圆的透明性的挑战。对于颜色中性的、基于晶圆的透明c-Si光伏的一个关键突破是Lee等人报告的无色透明c-Si晶圆的实现[13]。通过对晶圆的透射孔进行精确的几何工程设计——具体来说，是将微孔的直径和间距与人眼的最低分辨角度相匹配——作者证明了可以在不牺牲光伏功能的情况下使块状硅达到光学中性。他们的设备基于约200微米厚的c-Si吸收层，实现了20%-30%的平均可见光透射率（AVT），同时保持超过10%的光电转换效率（PCE）（图3A）。图3：在图形查看器中打开；PowerPoint

(A) 不同AVT下中性色透明c-Si太阳能电池的电流密度-电压特性。转载自Lee等人[13]。版权2020，Elsevier。(B) 使用中性色透明c-Si模块在户外条件下充电的演示[24]。CC BY 4.0许可。(C) 采用DRIE后的HNA化学处理示意图，显示了去除贝壳状缺陷和等离子体损伤区域以及由此产生的平滑微孔表面。(D) HNA表面处理前后透明c-Si基板的少数载流子寿命。转载自Park等人[57]。版权2022，Elsevier。(E) 有无HNA表面处理的透明c-Si太阳能电池的电流密度-电压曲线，突出显示了开路电压和整体设备性能的提高。转载自Park等人[57]。版权2022，Elsevier。(F) 作为电池面积和表面处理函数的光电转换效率，显示了效率的提升和可扩展到厘米级设备。转载自Park等人[57]。版权2022，Elsevier。(G) 用于形成高纵横比微孔的深度MaCE示意图。(H) 通过DRIE和深度MaCE制备的透明c-Si的载流子寿命和隐含开路电压的比较，证明了化学蚀刻结构的损伤减少。转载自Shin等人[58]。版权2023，皇家化学学会。(I) 前面带有宽角抗反射微结构PDMS膜（MIPS-PDMS）的透明c-Si太阳能电池示意图。转载自Lee等人[39]。版权2023，Elsevier。(J) 平面c-Si电池、未加MIPS-PDMS层的透明c-Si电池以及加有MIPS-PDMS层的透明c-Si电池的归一化短路电流（或PCE）的角度依赖性，证明了微结构膜改善了宽角度性能。转载自Lee等人[39]。版权2023，Elsevier。图3A中Jsc随AVT增加而降低的现象主要可以从选择性光传输架构的几何特性来解释。在理想化的SLT结构中，孔径分数fap增加可见光透射率，同时减少了活性硅的填充分数FSi ≈ 1 ? fap。因此，产生的光电流大致按以下比例缩放

其中jsc是相应的不透明c-Si太阳能电池的电流密度。然而，在实际设备中，收集到的jsc可能会偏离这种简单的几何缩放，因为载流子的收集还受到孔径几何形状、微孔侧壁复合和钝化质量的影响。在参考文献[13]的支持信息中报告的相应理论评估表明，实验获得的jsc值已经接近详细平衡分析预测的基本吸收极限（例如，在20%透射率时为29.2 vs 31.94 mA cm?2，在30%透射率时为26.5 vs 27.94 mA cm?2）[13]。相比之下，实验获得的Voc值远低于理想的辐射极限，这归因于与蚀刻微孔侧壁不完美的钝化相关的非辐射复合[13]。在理想的详细平衡条件下，预测的PCE极限分别为20%和30%透射率时的22.00%和19.37%，而更现实的有限寿命假设得出的实际极限更接近实验结果[13]。这项工作提供了首个实验证据，表明硅的明显不透明度可以通过几何光传输控制和人类感知优化来克服，从而开启真正无色的、类似玻璃的c-Si光伏技术的可能性。在此基础上，同一研究小组通过实施全背面接触（ABC）架构进一步推进了这一概念，完全消除了正面金属化[24]。将发射极和基极接触都移到背面，保持了整个设备孔径的完全光学清晰度，同时最小化了反射和阴影损失。由此产生的透明模块展现了均匀的透射率和适合移动设备的模块级功率输出（图3B）。重要的是，这项工作还展示了与传统晶圆制造方法的兼容性，突出了通往可扩展透明c-Si模块的现实路径。随着这些设备的扩大和优化，人们逐渐意识到用于形成光传输窗口的深度反应离子蚀刻（DRIE）工艺本身也带来了一组限制。微孔阵列的干法蚀刻不可避免地会在侧壁生成纳米级贝壳状缺陷和等离子体诱导的损伤，增加了表面缺陷密度，增强了载流子复合，并限制了开路电压（Voc）和电池尺寸[13, 57]。为了缓解这一点，引入了基于各向同性HF/HNO3/CH3COOH（HNA）溶液的DRIE后表面处理[57]（图3C）。由于HNA蚀刻是各向同性的，它可以沿整个微孔侧壁均匀地去除DRIE引起的损伤，平滑表面并显著提高少数载流子的寿命（图3D）。随后，像ALD生长的Al2O3这样的共形介电钝化层对于这些高纵横比的微结构表面特别有吸引力，因为它们可以在保持光学透明度的同时抑制微孔侧壁区域的复合[52-54]。同样的HNA处理还能够以几乎恒定的蚀刻速率系统地扩大微孔直径，允许连续调节AVT——从大约10%到70%——而无需改变基本设备架构。使用这种策略，大面积（25 cm2）的中性色透明c-Si电池的AVT约为20%时，其PCE达到了约14.5%，证明通过仔细的蚀刻后损伤去除可以同时实现更高的效率、更大的电池尺寸和可控的透明度（图3E,F）。这个结果不应简单地理解为仅基于面积的比较。在参考文献[57]中，较低的PCE值10.8%对应于未经处理的25 cm2设备，而14.5%的值对应于经过表面处理的25 cm2设备。性能的提升主要源于HNA平滑处理和随后的Al2O3钝化抑制了DRIE引起的侧壁复合：微孔侧壁的RMS粗糙度从3.9纳米减少到1.2纳米，Al2O3钝化的透明c-Si基板的少数载流子寿命从6.56微秒增加到233微秒，Seff从1524 cm s?1减少到42.46 cm s?1 [57]。对于具有固定直径d、晶圆厚度t和孔径分数fap（定义为投影孔径面积除以投影电池面积）的圆形微孔，侧壁面积归一化到投影电池面积可以近似为

其中N是微孔的数量，Acell是投影电池面积。这个表达式表明，扩大宏观电池面积会增加微孔的总数和总侧壁面积，但不会改变单位投影电池面积的侧壁面积，前提是微孔几何形状保持不变。因此，与侧壁相关的电流密度损失主要由孔径几何形状和侧壁钝化质量决定，而不仅仅是电池面积。一旦通过表面处理和钝化大大减少了与侧壁相关的复合损失，与宏观边缘电极/接触区域相关的复合或泄漏就可能变得相对重要。这种贡献与有效Si/边缘电极接触面积Aedge/Acell成比例。在参考文献[57]中，这个实验相关的接触面积比率从1 cm2电池的17.4%降低到25 cm2电池的0.8%，从而减少了泄漏电流并提高了放大设备中的Voc [57]。因此，表面处理的25 cm2电池的高效率并不是与复合缩放相矛盾，而是由于减少了微孔侧壁复合和单位电池面积的边缘电极/接触复合的共同作用。同时，还探索了另一种方法，即不是通过基于等离子体的DRIE，而是通过深度金属辅助化学蚀刻（MaCE）来形成光传输窗口[58]。在这种方法中，通过乙腈辅助的银沉积和随后的银置换制备的多孔单体AgAu催化剂层，实现了约200微米厚的c-Si的均匀、垂直定向蚀刻，创建了微孔型传输窗口（图3G）。由于MaCE依赖于湿化学氧化还原过程而不是离子轰击，它避免了等离子体引起的侧壁损伤，并减少了透明区域的缺陷介导的复合（图3H）。由此产生的中性色透明c-Si太阳能电池展示了约20%的AVT，与DRIE处理过的设备具有可比的透明度水平，同时受益于改进的电子质量和简化的工艺。此外，基于MaCE的工艺大大降低了制造成本，因为在早期实现中，DRIE步骤占总工艺成本的很大一部分[6]。通过解决透明光伏中的两个关键挑战——角度依赖性和热稳定性[39]，进一步取得了进展。由于透明模块通常集成到固定区域（如窗户或天窗）中，入射的阳光会随着一天中的时间和季节而显著变化，使得角度依赖性的光电流损失远比不透明太阳能板更为严重。为了缓解这一限制，引入了宽角抗反射微结构来抑制菲涅尔损失，并在广泛的入射角度范围内保持高效的光学耦合（图3I）。这些微结构抗反射表面即使在斜射角度下也保持了高透射率和稳定的短路电流，从而扩展了透明c-Si设备的实际应用范围（图3J）[39, 59]。热管理是另一个同样重要的约束，因为透明窗口集成的光伏在没有对流冷却的开放场地安装中会经历直接的太阳加热。为了对抗温度引起的效率下降，引入了基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的辐射冷却层[39]。由于其在中红外范围内的强发射率和低太阳吸收率，PDMS层促进了向天空的被动散热，降低了工作温度并在连续的1太阳光照下稳定了性能。结合这些光学和热性能提升，透明c-Si电池在AVT约为20%时展现了约15.8%的PCE，将其性能置于透明硅光伏报告的较高范围内[39]。这些结果表明，可以在c-Si中同时实现无色透明、宽角度光学稳定性和稳健的热性能。总的来说，这些实验实现将硅中的透明性从一个理论可能性变成了现实。它们共同验证了高效率、透明性和视觉中性可以在c-Si光伏中共存。现在，背面接触设计和光学-热管理的持续改进定义了透明c-Si模块的技术前沿，为后续讨论的光学和机械设计策略的集成奠定了基础。
通过精确的几何工程处理晶圆的透射孔——具体来说，是将微孔的直径和间距与人眼的最小分辨率角度相匹配——作者证明了可以在不牺牲光伏功能的情况下使块状硅达到光学中性。他们的设备基于约200微米厚的c-Si吸收层，实现了20%–30%的平均可见光透射率（AVT），同时保持了超过10%的光电转换效率（PCE）（图3A）。图3：在图形查看器中打开；PowerPoint

（A）不同AVT下的中性色透明c-Si太阳能电池的电流密度-电压特性。转载自Lee等人[13]。版权2020，Elsevier。（B）使用中性色透明c-Si模块在户外条件下的智能手机充电演示[24]。CC BY 4.0许可。（C）DRIE后HNA化学处理的示意图，显示了去除贝壳状缺陷和等离子体损伤区域以及由此产生的平滑微孔表面。（D）HNA表面处理前后透明c-Si基板的少数载流子寿命。转载自Park等人[57]。版权2022，Elsevier。（E）有无HNA表面处理的透明c-Si太阳能电池的电流密度-电压曲线，突出了开路电压和整体设备性能的提高。转载自Park等人[57]。版权2022，Elsevier。（F）根据电池面积和表面处理的光电转换效率函数，显示了效率的提升和可扩展到厘米级设备的能力。转载自Park等人[57]。版权2022，Elsevier。（G）用于形成高纵横比微孔的深度MaCE示意图。（H）通过DRIE与深度MaCE制备的透明c-Si的载流子寿命和隐含开路电压的比较，证明了化学蚀刻结构中的损伤减少。转载自Shin等人[58]。版权2023，皇家化学学会。（I）在前表面结合了宽角抗反射微结构PDMS膜的透明c-Si太阳能电池示意图。转载自Lee等人[39]。版权2023，Elsevier。（J）平面c-Si电池、未加MIPS-PDMS层的透明c-Si电池以及加了MIPS-PDMS层的透明c-Si电池的归一化短路电流（或PCE）的角度依赖性，证明了微结构膜改善了宽角度性能。转载自Lee等人[39]。版权2023，Elsevier。图3A中Jsc随AVT增加而减少的现象主要可以从选择性光传输架构的几何特性来解释。在理想的SLT结构中，孔径比例fap增加了可见光透射率，同时减少了活性硅的填充比例FSi ≈ 1 ? fap。因此，产生的光电流大致按以下比例缩放

其中jsc是相应不透明c-Si太阳能电池的电流密度。然而，在实际设备中，收集到的jsc可能会偏离这种简单的几何缩放，因为载流子的收集还受到孔径几何形状、微孔侧壁复合和钝化质量的影响。在参考文献[13]的支持信息中报告的相应理论评估表明，实验获得的jsc值已经接近详细平衡分析预测的基本吸收极限（例如，在20%透射率时为29.2 mA cm?2 vs 31.94 mA cm?2，在30%透射率时为26.5 mA cm?2）[13]。相比之下，实验获得的Voc值远低于理想的辐射极限，这归因于与蚀刻微孔侧壁不完美的钝化相关的非辐射复合[13]。在理想的详细平衡条件下，预测的PCE极限分别为20%和30%透射率时的22.00%和19.37%，而更现实的有限寿命假设得出的实际极限更接近实验结果[13]。这项工作首次提供了实验证据，表明硅的表面不透明度可以通过几何光传输控制和人类感知优化来克服，从而开启了真正的无色、类似玻璃的c-Si光伏技术的可能性。在此基础上，同一研究小组通过实施全背面接触（ABC）架构进一步推进了这一概念，该架构完全消除了正面金属化[24]。将发射极和基极接触都移到背面，保持了设备孔径的完全光学清晰度，同时最小化了反射和阴影损失。由此产生的透明模块展示了适用于移动设备的均匀透射率和模块级功率输出（图3B）。重要的是，这项工作还展示了与传统基于晶圆的制造方法的兼容性，强调了一条通往可扩展透明c-Si模块的现实路径。随着这些设备的扩展和优化，人们逐渐意识到用于形成光传输窗口的深度反应离子蚀刻（DRIE）工艺本身也带来了一组限制。微孔阵列的干法蚀刻不可避免地在侧壁生成纳米级贝壳状缺陷和等离子体诱导的损伤，增加了表面缺陷密度，增强了载流子复合，并限制了开路电压（Voc）和电池尺寸[13, 57]。为了缓解这一问题，引入了基于各向同性HF/HNO3/CH3COOH（HNA）溶液的DRIE后化学表面处理（图3C）[57]。由于HNA蚀刻是各向同性的，它可以均匀地去除DRIE引起的损伤，平滑了表面并显著提高了少数载流子的寿命（图3D）。随后，如ALD生长的Al2O3这样的共形介电钝化层对于这些高纵横比的微结构表面特别有吸引力，因为它们可以在保持光学透明度的同时抑制整个微孔侧壁区域的复合[52-54]。同样的HNA处理还能够在几乎恒定的蚀刻速率下系统地扩大微孔直径，允许连续调节AVT——从大约10%到70%——而无需改变基本的设备架构。使用这种策略，大面积（25 cm2）中性色透明c-Si电池的AVT约为20%时，其PCE达到了约14.5%，证明仔细的蚀刻后损伤去除可以同时实现更高的效率、更大的电池尺寸和可控的透明度（图3E,F）。这一结果不应简单地理解为仅基于面积的比较。在参考文献[57]中，较低的PCE值10.8%对应于未经处理的25 cm2设备，而14.5%的值对应于经过表面处理的25 cm2设备。性能的提升主要源于HNA平滑处理和随后的Al2O3钝化抑制了DRIE引起的侧壁复合：微孔侧壁的RMS粗糙度从3.9纳米减少到1.2纳米，Al2O3钝化的透明c-Si基板的少数载流子寿命从6.56微秒增加到233微秒，Seff从1524 cm s?1减少到42.46 cm s?1 [57]。对于具有固定直径d、晶圆厚度t和孔径比例fap（定义为投影孔径面积除以投影电池面积）的圆形微孔，侧壁面积归一化到投影电池面积可以近似为

其中N是微孔的数量，Acell是投影电池面积。这个表达式表明，扩大宏观电池面积会增加微孔的总数和总侧壁面积，但不会改变单位投影电池面积的侧壁面积，前提是微孔几何形状保持不变。因此，与侧壁相关的电流密度损失主要由孔径几何形状和侧壁钝化质量决定，而不仅仅是电池面积。一旦通过表面处理和钝化大大减少了与侧壁相关的复合损失，与宏观边缘电极/接触区域相关的复合或泄漏可能会变得相对重要。这种贡献与有效Si/边缘电极接触面积Aedge/Acell成比例。在参考文献[57]中，这一实验相关的接触面积比率从1 cm2电池的17.4%降低到25 cm2电池的0.8%，从而减少了泄漏电流并提高了放大设备中的Voc [57]。因此，经过表面处理的25 cm2电池的更高效率并不是与复合缩放相矛盾，而是由于减少了微孔侧壁复合和单位电池面积的边缘电极/接触复合的共同作用。同时，还探索了另一种方法，即不是通过基于等离子体的2020年，Elsevier版权所有。(B) 结合金属氧化物（MO）彩色滤光片的透明c-Si太阳能电池的光谱特性，可产生红色、绿色和蓝色的器件[61]。采用CC BY 4.0许可协议。(C) 未使用彩色滤光片的中性颜色透明c-Si太阳能电池的照片[61]。同样采用CC BY 4.0许可协议。(D–F) 通过将中性颜色透明c-Si与MO彩色滤光片结合，所得到的红色、绿色和蓝色透明c-Si太阳能电池的照片（比例尺：5厘米）[61]。采用CC BY 4.0许可协议。虽然本质上的中性透明性对于类似窗户的集成应用具有吸引力，但人们越来越关注在选择性光传输平台上实现可控的颜色生成。由于微孔几何结构已经提供了宽带传输能力，因此可以在单独的、解耦的薄膜层中引入颜色，而无需修改硅材料本身。在最近的一项实现中，将金属氧化物（MO）彩色滤光片与中性颜色透明c-Si电池结合使用，其中MO层被用作外部颜色选择滤光器（见图4B–F）[61]。电接触由下层的透明c-Si器件提供，而MO薄膜则优化用于塑造光谱特性，并且与传统金属氧化物-金属（MOM）结构相比，能够保持更高的整体透射率。此外，透明c-Si电池采用双面几何结构设计，这样从MO薄膜反射的光线可以通过设备背面重新吸收，从而提高能量转换效率并实现鲜艳、清晰的色彩。在这种方案中，微孔图案决定了整体的透射比例和活性硅区域，而MO滤光片则独立定义了颜色响应，并通过双面收集MO反射的光子来提高光的有效利用率。总之，选择性光传输c-Si设备中的光学管理主要受微孔阵列几何结构的影响，这种结构决定了基本的透明性与效率之间的权衡，并实现了宽带、基本呈中性的传输效果。当需要彩色透明性时，可以将中性颜色的选择性光传输c-Si电池与外部MO彩色滤光片结合使用，仅通过滤光片的光谱响应来定义最终的色彩，同时保持c-Si吸收层和器件结构的不变。

3.4 模块集成与应用

将透明c-Si光伏技术从实验室原型成功转化为可扩展模块需要先进的互连方案、坚固的封装设计以及能够保持光学和电气完整性的策略[11]。与传统的不透明模块不同，透明系统必须同时实现均匀的视觉外观、高光学透射率以及高效的载流子收集，并确保长期的机械可靠性。在透明模块集成中，一个持续的挑战是在保持光学连续性的同时，尽量减少载流子收集损失和串联电阻。传统的金属带和不透明汇流条会中断透明性，并且与中性颜色的透明模块在视觉上不兼容。为了解决这个问题，引入了一种混合模块化方案，在活性区域上方使用透明微电网金属电极，仅在模块边缘连接窄边缘汇流条电极（见图5A）[62]。完全通过微电网互连的透明模块保持了出色的视觉透明性，但由于长而细的金属线的高电阻，导致填充系数显著降低。在混合设计中引入边缘汇流条和传统的标签带后，有效串联电阻降低到了与传统不透明c-Si太阳能模块相当的水平，填充系数从低于50%提高到了中70%的范围，同时保持了大约20%的平均可见光透射率（对于100平方厘米的中性颜色透明模块）。这种混合电极方法为减少透明c-Si太阳能模块中的载流子收集损失提供了一个实用框架，而不牺牲其类似玻璃的外观（见图5B）。

基于这一进展，同一团队通过采用全后接触（ABC）架构进一步改进了结构和光学设计，完全消除了前表面金属化（见图5C）[24]。将发射极和基底接触都移到背面，保持了整个孔洞区域的光学清晰度，同时减少了反射和阴影损失。然后将25平方厘米的中性颜色透明模块集成到智能手机原型中，证明这项技术不仅适用于建筑窗户和其他大面积建筑元素，也适用于紧凑型移动设备。该模块展现了均匀的玻璃状外观、强机械强度以及在环境光照下的稳定输出，同时ABC的制造和组装过程与现有的硅晶圆生产线兼容——这表明透明c-Si模块具有实际的可扩展应用前景（见图5D）。在建筑集成光伏（BIPV）应用中，透明c-Si模块提供了独特的优势。它们的选择性光传输架构能够在产生显著电功率的同时保持可见透明性，使其可以用作发电窗户和立面材料，而不会影响美观。类似窗户的模块在实际应用中展示了稳定的发电性能，突显了它们作为能量收集建筑元素的适用性（见图5E）[62]。展望未来，如果在玻璃组件中集成这些模块，还可以实现额外的功能，如增强热绝缘、定制的红外过滤，以及在与合适的活性层结合时实现动态智能窗户操作。此外，如果实现轻量化且机械性能良好的配置，它们还可以进一步扩展透明c-Si模块的用途，使其适用于曲面和机械要求严格的表面，包括那些受到严格重量限制的应用场景。总的来说，这些进步正在重新定义c-Si作为一种透明、可扩展且与建筑结构兼容的光伏技术，它填补了下一代建筑集成系统中能量生成和结构功能之间的空白。对于实际应用来说，透明c-Si器件的操作稳定性也是一个同样重要的问题。在最早的微孔阵列透明c-Si研究中，已经强调了其良好的稳定性和商业化潜力，因为这种器件保留了传统c-Si太阳能电池的基本结构，并且除了形成光传输窗口所需的额外图案/蚀刻步骤外，制造过程基本类似[13]。这种结构和过程的连续性表明，透明c-Si可能从已经建立的c-Si平台继承了重要的耐久性优势。最近的研究在模块层面也开始支持这一预期。全后接触的透明c-Si模块在户外操作下显示出稳定的输出和 minimal 的光学外观变化[24]，而基于选择性光传输架构的中性颜色透明c-Si模块已经经历了户外暴露、机械负载测试和潮湿热老化（85°C/85%相对湿度）的考验，为窗户集成透明硅光伏提供了可靠的可靠性框架[62]。这些结果表明，透明c-Si正在为现实中的建筑集成应用建立所需的环境和操作耐久性。

4 柔性硅光伏

4.1 机械原理与材料限制

晶体硅是一种刚性大、脆性的共价固体，具有较高的杨氏模量且塑性非常有限。其金刚石立方晶格导致强烈的各向异性弹性响应，杨氏模量值通常在约130–190 GPa之间，取决于晶体学方向，泊松比在0.22–0.28左右[48]。在室温下的拉伸载荷下，位错运动受到极大限制，因此变形基本上是弹性的，直至断裂。因此，一旦达到临界应力强度，失效主要是通过脆性断裂发生的，而不是通过塑性屈服。因此，c-Si的表观断裂强度和相应的断裂应变主要取决于缺陷和几何形状。对高质量单晶硅样品（例如拉伸梁和悬臂梁）进行微观力学测试通常显示，断裂应力在1–2 GPa左右，对应的断裂应变约为0.5%–1%[63]，而用于光伏制造的全尺寸晶圆通常在仅几百兆帕的名义应力下就会失效，因为它们包含更大的表面和边缘缺陷[64]。机械可靠性研究表明，切割、纹理处理和热处理可能会引入或放大微裂纹和残余应力，而化学抛光或各向同性蚀刻可以显著提高测量到的强度[65]。这些结果存在明显的尺寸效应：随着特征尺寸（厚度或体积）的减小，容纳临界缺陷的概率降低，测量的强度接近理论极限。对于柔性光伏来说，弯曲是最相关的加载模式。在经典的梁/板理论中，厚度为t的硅片弯曲到曲率半径R时的最大拉伸表面应变εmax可以近似表示为

其中t是c-Si层的厚度，R是弯曲半径，εmax表示弯曲晶片外表面的最大拉伸应变[66]。以εmax ≈ 0.5%–1%作为c-Si的实际上限，这一关系表明，100微米厚的c-Si层不应弯曲到远小于几毫米的半径，否则会接近其断裂极限，而传统的150–200微米晶圆实际上被限制在厘米级别的曲率范围内。这些基本的机械考虑解释了为什么基于约150–180微米晶圆的标准c-Si模块表现为基本上刚性的板。同时，c-Si的间接带隙和弱近带吸收提出了相互矛盾的光学要求。在带边缘附近（约1.1电子伏特），吸收系数仅在10^2厘米^-1的数量级，因此通常需要约100–200微米的吸收层才能在一次过程中吸收大部分红光和近红外光谱。经典的光捕获分析（例如Yablonovitch 4n2极限）表明，强烈的散射可以有效地增加薄吸收层中的光路径长度[32]，但即使在理想的朗伯条件下，非常薄的c-Si（<30–40微米）也会遭受明显的光电流损失，除非引入先进的光子结构[33, 67]。技术和经济研究同样发现，将晶圆厚度降低到约100微米以下会显著降低传统器件架构的能量产出，除非显著改进表面钝化和光管理[29]。这些机械和光学特性共同定义了柔性c-Si光伏的核心限制。减薄晶圆是减少弯曲刚度和实现毫米级曲率的最直接途径，但这样做同时（i）缩短了光路径长度，减少了光电流；（ii）增加了表面积与体积的比率，以及对表面复合的敏感性；（iii）使得断裂行为越来越依赖于缺陷。对于小于50微米的吸收层，高质量的钝化和精心设计的光捕获或干涉涂层变得至关重要，以确保与标准晶圆相当的效率。因此，柔性c-Si光伏的发展本质上是一个协同优化问题：机械柔顺性要求减薄和应力控制，而高能量转换效率则需要强的光限制和优异的电子性能。第4.2节和第4.3节讨论的架构可以被视为在c-Si平台内调和这些竞争要求的互补策略。

4.2 用于柔性硅的微结构架构

微结构和纳米结构架构为缓解c-Si中机械柔韧性和光学厚度之间的明显权衡提供了强有力的途径。这些方法不仅仅是依赖均匀的晶圆减薄，而是对吸收层的几何形状进行工程设计，例如微线阵列，从而重新分配机械应变，同时保持或甚至增强有效的光路径长度（见图6A,B）[14, 18]。一个中心的例子是使用垂直对齐的硅微线阵列和径向p-n结。在一个柔性器件架构中，锥形微线形成在几十微米厚的c-Si基底上[14]。微线的锥形轮廓和高纵横比起到了梯度折射率介质的作用，通过散射和波导的结合抑制了前表面反射，并增强了宽带吸收，使得能量转换效率接近平面电池的水平，同时在毫米级半径的重复弯曲下保持柔韧性和稳定的性能。当这样的微线阵列涂覆上透明聚合物基质时，柔性的聚合物能够承受大部分机械应变，同时充当光学耦合和封装层。图6：在图查看器或PowerPoint中打开

(A) 一种包含微电阻的超薄c-Si太阳能电池的示意图横截面。(B) 随波长和微电阻长度变化的吸收光谱，展示了400–1100纳米范围内的宽带增强效应。转载自Hwang等人[14]。版权2018，英国皇家化学学会。(C) 一种柔性c-Si微电阻阵列的示意图，其中垂直排列的微电阻涂有透明导电聚合物（PEDOT:PSS）并嵌入PDMS/IZO堆栈中[15]。CC BY 4.0许可。(D) c-Si微电阻-聚合物复合膜的SEM图像，该复合膜能够在不发生断裂的情况下承受大幅度弯曲（比例尺：100微米）[15]。CC BY 4.0许可。(E) 基于微电阻的不同中心间距的装置透射光谱，突显了可调的可见光透射率，同时保持相对平坦的光谱响应[15]。CC BY 4.0许可。(F) 基于c-Si微电阻-聚合物复合膜的柔性半透明c-Si太阳能电池的照片[15]。CC BY 4.0许可。基于这一概念，Kang等人去除了底层的硅基板，实现了仅由透明PDMS基质支撑的独立c-Si微电阻阵列，从而进一步提高了机械柔韧性（图6C,D）[15]。在这种结构中，微电阻-聚合物片材像薄而轻的箔片一样可以弯曲到毫米级的半径而不会显著降低光伏性能。此外，通过调整微电阻的间距可以实现部分可见光透明度，从而结合了柔韧性和一定的透明功能（图6E）。PDMS提供了机械弹性和应变缓冲作用，同时作为折射率匹配和环境屏障层，展示了结构层次——单个微电阻、阵列几何形状和聚合物支撑——如何共同优化机械坚固性，并在单一平台上实现可调透明度（图6F）。在晶圆尺度上，最近的研究表明，精心设计的边缘和支持几何结构可以为原本连续的c-Si片材赋予显著的柔韧性。Liu等人报告了“可折叠”晶圆，其中简单的边缘钝化和周边抛光可以抑制最脆弱位置的裂纹产生，使得大面积单晶电池在几毫米的弯曲半径下不会断裂，并能承受广泛的弯曲和热循环（图7A）[18]。这项工作尤为重要，因为它展示了一种保持大体连续、高效设备格式的晶圆级柔性c-Si实现方法。与主要通过结构光捕获来提高薄Si光学吸收的微电阻架构不同，可折叠晶圆方法通过抑制晶圆边缘区域的裂纹产生来提高机械柔韧性。因此，它与通过减少厚度、中性轴定位和柔性和封装来减少应变的聚合物支持超薄设计互补[18]。补充研究引入了带有加固环结构的薄硅，实现了独立的超薄晶圆和高效率的薄电池，同时在制造过程中大幅减少了破损[19]。

图7：在图查看器或PowerPoint中打开

(A) 柔性硅异质结太阳能电池在反复侧向弯曲过程中的Jsc、Voc、填充因子和PCE的相对变化[18]。CC BY 4.0许可。(B) 包含20微米长锥形微电阻的薄c-Si柔性太阳能电池的照片。转载自Hwang等人[14]。版权2018，英国皇家化学学会。(C) 随弯曲循环次数变化的标准化Jsc、Voc、填充因子和PCE，展示了在反复机械变形下的电气参数稳定性。转载自Hwang等人[14]。版权2018，英国皇家化学学会。(D) 一种大型超薄柔性硅异质结太阳能电池（166 × 166毫米）的示意图，其被折叠以展示机械柔韧性。Yang等人[25]。版权2024，Springer Nature。(E) 涂有RIP-PDMS薄膜的超薄c-Si器件的光学和SEM图像，以及电池弯曲至5毫米半径的照片，突出了表面纹理及其机械柔韧性[16]。CC BY 4.0许可。综合来看，这些微结构和层次化设计表明，c-Si的明显机械限制并非固有，而可以通过几何工程大幅缓解。垂直排列的微电阻将吸收和传输长度尺度与机械厚度解耦，微电阻-聚合物复合材料增加了柔韧性（图7B,C），而晶圆级别的边缘或框架设计在不牺牲有效面积的情况下抑制了断裂。在柔性光伏的背景下，这样的结构提供了一个“工具箱”，它补充了薄膜方法：它们允许硅保持较大的有效光学厚度和高电子质量，同时在机械上表现为柔性的可弯曲材料。

4.3 薄膜和聚合物支撑的柔性硅

与微结构架构并行的是，另一种实现柔性的主要方法是制造连续的超薄c-Si层，这些层被转移到聚合物支撑上或直接在聚合物支撑上形成。在这种方法中，吸收体保持几何平面状，但其厚度减少到几十微米甚至几微米的范围，并通过晶圆减薄、在层压结构中的中性轴定位和适当的封装来实现机械柔韧性。早期对机械柔顺的单晶Si的示范表明，超薄Si器件层和太阳能微电池可以转移到弹性或柔性基底上，同时保留c-Si的电子优势[20, 21]。Xue等人的后续工作实现了厚度约为2.7微米的c-Si太阳能电池，效率超过12%，证明即使在极端厚度减小的情况下也能实现高质量结和钝化，尽管光捕获和表面复合变得越来越关键[22]。最近，Li及其同事报道了基于减薄晶圆的柔性硅太阳能电池，实现了高功率重量比，强调了超薄c-Si在重量受限应用中的技术相关性（图7D）[25]。一个特别相关的柔性光伏模块例子是结合了工程化光子管理层的无纹理薄硅电池的演示[16]。在这种方法中，薄（几十微米）单晶c-Si吸收体保持完全平面，而光子管理是通过将随机倒金字塔形聚二甲基硅氧烷（RIP-PDMS）薄膜附着在设备的非纹理前后表面来实现的（图7E）。光学模拟（例如FDTD）表明，RIP-PDMS薄膜显著增强了光散射，并有效增加了薄c-Si内的光路径长度，使得无纹理电池能够恢复通常与剧烈晶圆减薄相关的吸收损失。实验上，这种带有RIP-PDMS薄膜的薄c-Si太阳能电池在约10毫米的弯曲半径下经过1000次弯曲循环后，效率仍保持不变，证明柔性硅的高效率并不严格要求传统的表面纹理，当光子管理和钝化共同设计时。从机械角度来看，将超薄c-Si嵌入聚合物封装堆栈中，可以使脆性的Si层靠近复合体的中性机械平面，大大减少了弯曲过程中的拉伸应变。当Si厚度减少到几十微米的范围，并夹在低模量的封装剂（例如硅胶或离子聚合物膜）和适当选择的屏障层之间时，分析梁模型和实验研究表明，可以实现几毫米的弯曲半径，同时将最大Si应变安全地保持在约0.5%–1%的断裂阈值以下。同时，平面器件几何形状简化了封装和互连，与更复杂的三维微结构相比具有优势，这对于大面积制造非常有利。因此，薄膜和聚合物支撑的柔性c-Si定义了一个与微结构架构互补的设计空间：微电阻和层次化晶圆设计利用几何形状来解耦光学和机械约束，而薄膜方法依赖于大幅度的厚度减少、高质量的表面钝化以及基于干扰和散射的光管理来恢复超薄吸收体的效率。

5. 前景与未来展望

透明和柔性的c-Si光伏正从概念验证演示转向结合能量生成、光学功能和架构集成的技术相关平台。先进的光学工程、激子光物理学、可扩展的制造概念和新兴的可靠性框架的融合正在为基于硅的光伏定义一个新的领域。本节讨论了可能在未来十年塑造这一领域的轨迹。

5.1 串联集成和光谱管理

串联集成已被广泛探索作为一种通过结合宽带隙顶部电池和c-Si底部电池来提高基于硅的光伏效率的途径[68-71]。然而，对于透明c-Si光伏来说，串联集成的相关性必须与传统的不透明钙钛矿/Si串联不同。在选择性光传输（SLT）架构中，透明度和颜色中性主要由微孔几何形状决定，而不是由半透明吸收体的光谱透射率决定。因此，任何顶部电池的集成都必须保持孔径定义的传输路径，并避免阻塞、缩小或光学着色光传输窗口。从这个角度来看，钙钛矿/SLT c-Si串联概念在科学上很有趣，但在技术上要求很高。原则上，宽带隙钙钛矿顶部电池可以通过在高质量光子到达c-Si吸收体之前捕获它们来增加光活性硅区域的功率输出[68-71]。然而，在穿孔的SLT c-Si基底上实施这样的堆栈会引入重大的加工限制。溶液处理的钙钛矿可能会渗透或部分阻塞微孔，导致薄膜不均匀、孔径缩小和视觉透明度下降。真空沉积可能缓解其中的一些问题，但仍需要仔细控制薄膜厚度、沉积角度、掩蔽、透明电极和横向电流收集，以确保孔径保持光学开放。此外，电流匹配、传输层和透明电极中的寄生吸收以及互连设计比单结SLT c-Si模块更加复杂。另一个关注点是稳定性。SLT c-Si的一个主要动机是它保留了许多已建立的c-Si平台的耐用性优势。引入钙钛矿顶部电池会增加对湿度、热量、氧气和紫外线暴露更敏感的材料，从而增加了封装要求并可能削弱硅的固有稳定性优势[71]。因此，对于透明的BIPV应用，串联集成不应仅仅被视为提高效率的途径，而应被视为一种情境依赖的选项，其额外的功率输出必须证明额外的加工成本、光学复杂性和可靠性负担是合理的。因此，钙钛矿/SLT c-Si串联最好被视为长期扩展，而不是SLT c-Si的核心价值主张。它们的实际相关性可能仅限于选定的高级或功率密度受限的应用——例如紧凑的设备集成表面、天窗、中庭或高价值的外墙元素——在这些应用中，可用面积有限，额外的电输出可以证明额外的制造和封装复杂性是合理的。在大多数近期的透明BIPV场景中，SLT c-SI更强的 argument 是它能够提供中性或接近中性的透明度、低雾度、硅级的耐用性以及与已建立的基于晶圆的制造的兼容性。从这个意义上说，串联概念应该被视为未来的光谱管理机会，而不是直接与广泛的透明钙钛矿光伏领域竞争。

5.2 奇异态分裂和光子倍增概念

除了几何和光学优化之外，SF提供了一种量子力学途径，可以超越单结c-Si的Shockley–Queisser极限（图8C）[72-74]。在合适的π共轭有机半导体中，一个发色团上光产生的单态激子可以分裂成两个三重态激子（S1 → 2T1），当两个三重态都被成功捕获时，这个过程可以将每个吸收光子产生的电子-空穴对的数量增加到超过一个，正如基于奇异态分裂的太阳能电池中外部量子效率超过100%所证明的[75]。当三重态能量与Si带隙匹配或略高于Si带隙（E_g ≈ 1.12 eV）时，SF提供了一种将高能量阳光转化为两种低能量激子的机制，这些激子可以被Si电池利用，而不是将多余的能量作为热量 dissipate[76]。

图8：在图查看器或PowerPoint中打开

(A) 钙钛矿/透明c-Si串联太阳能电池架构的示意图。(B) 两终端串联配置的理论PCE极限，作为顶部和底部电池带隙的函数。Leijtens等人[71]。版权2018，Springer Nature。(C) 单结太阳能电池（绿色）和相应的基于奇异态分裂增强设备的极限（红色）的计算Shockley–Queisser效率极限，作为吸收体带隙的函数。(D) 在沉积了奇异态分裂层后，c-Si太阳能电池的外部量子效率（ΔEQE/EQE）的相对增强，针对不同的三重态收集效率（ηtc）。Nagaya等人[78]。版权2025，Elsevier。高效的SF–Si耦合需要大致的能量匹配。像四苯并蒽和五苯并蒽这样的材料满足这一条件，并已被证明表现出高的三重态产率和长的三重态-激子扩散长度，证实了长距离三重态传输的可行性[77]。最近的一项研究展示了一种单体裂变敏感的c-Si太阳能电池，在1倍太阳光强度下可以明确地分辨出自三重态光电流，并且在单体裂变吸收体的光谱带周围观察到了显著的外部量子效率提升；这项工作首次直接实验验证了基于晶圆的c-Si器件中的有效SF-Si耦合（图8D）[78]。对于基于SLT的透明c-Si平台，SF层与光学中性性的兼容性应从可见光传输路径与光伏吸收区域之间的空间分离来理解。四苯并蒽和五苯并蒽等SF材料需要强的可见光吸收来产生单重态激子，但如果这种吸收仅发生在器件的光吸收区域，那么它与SLT并不矛盾。在SLT结构中，可见光传输主要通过开放的微孔孔径进行，而周围的c-Si区域则用于光伏吸收。因此，通过孔径的光子决定了传输的颜色和可见光透过率（AVT），而照射到活性Si区域的光子可以被光伏堆栈捕获。在实际的SF集成SLT几何结构中，SF层可以通过热蒸发沉积在光吸收的c-Si区域上。由于SF层的厚度通常在几十纳米的数量级，而晶圆上的微孔孔径则在几十到几百微米的数量级，这种沉积方式预计不会填充或桥接开放的光传输孔径[13]。只要孔径保持开放，由孔径定义的传输路径就可以保持光谱中性。这种区别可以通过区分传输光和活性区域吸收的贡献来表达。SLT结构的有效可见光透射率可以近似表示为

其中fap是孔径分数，Tap(λ)是通过开放孔径区域的透射率，Tactive(λ)是通过活性光伏区域的透射率。对于基于晶圆的SLT c-Si，活性区域并不打算对可见光传输有显著贡献；因此，传输光谱主要由Tap(λ)决定。如果SF沉积保持孔径开放并且不引入孔径边缘的散射或寄生反射，可见光传输仍主要由相同的孔径定义路径控制。同时，SF在活性区域的吸收可以贡献于光电流的产生。SF诱导的光电流贡献可以示意性地表示为

其中Φ(λ)是入射光子通量，ASF(λ)是SF层的吸收率，代表在三重态产生、转移和在Si中产生电荷的效率。这个表达式强调，当SF材料的可见光吸收发生在活性光伏区域时才是有功能的：被吸收的光子通过单体裂变转换并转移到Si中，而不是成为传输光的一部分。因此，SF集成并不需要放弃颜色中性的SLT透明度，前提是微孔孔径保持开放并且SF层不会对孔径传输的光进行光谱过滤。关键的光学要求是保持孔径定义的传输光谱，同时SF层仅在光吸收区域起作用。尽管如此，孔径边缘的沉积、散射、寄生反射或雾度仍然可能改变光学外观，这些应在未来的SF集成SLT器件中进行实验验证。

5.3 可扩展的制造和架构应用

实现大规模的透明和柔性c-Si光伏技术需要能够在保持晶体质量和产量的同时对硅进行微结构处理或减薄的制造方法。无切割硅片的制备和裂纹辅助的层状剥离技术，以及相关的剥离方案，已经展示了厚度为几十微米的c-Si薄片，与传统线切割硅片相比，其切割损失大大减少，为轻质和透明器件提供了一个材料效率高的平台[29, 79]。在器件层面，已经适应了工业相关的蚀刻和图案化工艺（包括DRIE和MaCE），以形成用于选择性光传输的晶圆贯穿微孔和高纵横比的微线阵列，以及用于柔性架构的工艺流程，这些流程可以减少等离子体损伤并保持表面钝化，现在是优化的一个活跃领域[6, 13, 57, 58]。对于透明模块，微孔c-Si电池已经通过嵌入硅胶封装材料中的透明微电网电极互连成模块级器件，实现了中性外观、低光学遮挡效果，以及与实际功率输出（面积约为10^1–10^2平方厘米）兼容的串联电阻[62]。全背面接触架构通过消除正面金属化并将所有互连都设置在背面，进一步简化了模块集成[24]；同时，基于混合微电网/边缘总线互连方案的中性色透明c-Si模块已经在户外条件下得到展示[62]，这表明了从实验室原型到建筑集成安装（如发电窗户和立面）的现实路径。对于柔性应用，已经出现了几种可扩展的策略。通过对传统硅片进行减薄处理并随后进行边缘处理以抑制裂纹的产生，可以实现“可折叠”的c-Si电池[18]。由加强的边框支撑的超薄独立硅片提供了另一种实现机械柔顺性器件的途径[19]。同时，使用弹性印刷或层压技术将微米级和毫米级的Si电池转移到塑料箔上，并使用滚压兼容的封装方法，可以为大面积柔性模块提供模块化路径[21]。总的来说，这些方法表明，透明和柔性c-Si光伏技术可以在未来制造成适合曲线形、轻质和建筑集成能源系统的形式因子。从实际和技术经济的角度来看，透明和柔性c-Si光伏技术的最吸引人的应用场景有所不同。透明c-Si特别适用于建筑和设备集成应用——例如发电窗户、立面、玻璃系统以及紧凑型电子设备——在这些应用中，光学功能、美观性以及利用现有表面积的价值可以证明额外的结构复杂性是合理的[24, 62]。特别是，选择性光传输（SLT）c-SI在建筑敏感型BIPV应用中最为吸引人，例如幕墙立面、天窗、中庭和高端玻璃应用，这些应用要求不可接受的可见光着色，并且保持日光质量和低雾度是系统级别的关键要求[13, 24, 62]。相比之下，柔性c-SI在重量轻、适应性强和功率重量比高的应用中最为有前景，包括曲面、可穿戴电子设备、车辆集成平台以及航空航天或其他重量受限的系统[11, 12, 25]。在这种情况下，成本效益不应仅基于传统的$/W标准来评判，因为其价值主张通常在于增加的功能性，而不是与标准平板模块或其他透明光伏技术的直接竞争。然而，由于形成传输窗口或柔性微结构所需的额外微结构步骤通常会导致成本增加，因此湿化学方法（如深度金属辅助化学蚀刻（MaCE）特别有吸引力，因为它们可以提供一种比DRIE更低的成本替代方案，用于形成高纵横比的微孔和相关Si微结构，同时减少等离子体引起的损伤[6, 58]。结合这些概念与现有的基于晶圆的硅制造工艺的更好兼容性，这表明了透明和柔性c-Si光伏技术向特定应用商业化的现实路径，而不是全面取代其他透明光伏平台。这种特定应用的技经框架在评估效率提升的扩展（如串联集成）时也非常重要，因为必须权衡额外的电输出与额外的处理成本、封装要求和潜在的稳定性损失。

5.4 预测性可靠性和系统级设计

可靠性最终将决定透明和柔性c-Si光伏技术能否从原型概念发展为长期使用的基础设施。标准的IEC 61215/61730认证协议（包括湿热（85°C/85% RH）、热循环（-40 ? 85°C）和紫外线暴露[80]）仍然是c-Si模块的基准，但它们并没有完全考虑到透明或可弯曲架构特有的机械和光学老化模式。对于包含超薄硅片、微孔图案或微线-聚合物复合材料的器件，人们越来越关注多应力测试协议，这些协议结合了毫米级半径的循环弯曲、湿度和温度循环以及紫外线暴露，以及使用颜色差异指标（例如，在数百小时的紫外线暴露后ΔE ? 2–3）来量化窗户类应用所需的视觉耐久性。实验研究已经初步表明了这类设备的承受能力。垂直对齐的Si微线阵列与柔性聚合物结合使用后，在几千次弯曲循环后仍保持基本恒定的光电转换效率（PCE），显示出机械应力可以重新分配到聚合物基质中，远离脆性的Si[14]。同样，配备外部光子管理层的非纹理薄膜c-Si电池在大约10毫米的弯曲半径下重复弯曲时表现出约18%的效率，并且性能稳定[16]。对于柔性c-Si光伏技术，这些结果展示了在1000次循环水平上的良好机械耐久性。特别是，带有光子管理层的薄c-Si设备在大约10毫米的弯曲半径下经过1000次弯曲循环后，性能基本保持不变，这表明通过优化硅片减薄、中性轴设计、封装和互连工程可以进一步提高长周期弯曲稳定性[16]。然而，超过10,000次循环的系统化高周期弯曲测试对于实际认证非常有价值，尤其是在涉及湿度、紫外线暴露、热循环、封装材料变形和互连疲劳的耦合应力条件下。未来的研究应该将弯曲测试扩展到超过10,000次循环，并量化半径依赖的应力积累、裂纹产生、金属化疲劳、封装材料剥离和在综合机械-环境载荷下的性能漂移。透明的全背面接触c-Si模块在户外测试中显示出稳定的输出和最小的颜色及光学透射率变化[24]。基于混合微电网电极的选择性光传输架构的中性色透明c-Si模块已经根据IEC 61215测试协议进行了模块级稳定性测试[62]。在这项研究中，一个100平方厘米的透明c-Si模块在前后两面都使用了玻璃和EVA薄膜封装，类似于传统c-Si模块中使用的封装材料[62]。该模块在户外暴露下进行了测试，累计辐照度约为60 kWh m?2，机械载荷为2400/5400 Pa，以及在85°C/85% RH下的湿热老化1000小时[62]。经过户外暴露后，PCE从11.34%下降到11.13%，经过机械载荷后从11.25%下降到11.02%，经过湿热测试后下降了不到0.14%[62]。这些结果表明在恶劣测试条件下的模块级稳定性是有希望的，尽管短期户外结果不应线性外推到25年的服务寿命。还应该注意的是，这项研究展示的是研究规模的透明c-Si模块，而不是完全优化的商业模块封装。因此，与成熟的商业c-Si模块相比，短期效率略有下降可能是由于封装、边缘密封、互连和模块封装未优化造成的。与依赖于额外非硅光活性层（如有机半导体或金属卤化物钙钛矿吸收剂）的透明光伏技术不同，SLT c-SI保留了c-SI作为光伏吸收体，并主要通过微孔光传输区域实现透明度。因此，通过优化的侧壁钝化、电极保护和商业级封装，透明c-SI模块预计将保持与传统c-SI模块接近的长期稳定性特性，尽管还需要进行扩展的户外现场测试和加速的多应力条件认证。环境稳定性是评估透明c-SI模块时的另一个需要考虑的方面。在实际的透明c-SI设备中，微孔侧壁并非裸露表面：它们被ALD生长的Al2O3等介电层钝化，完成的模块还通过玻璃/EVA/玻璃封装进一步保护[57, 62]。因此，完全未封装的微孔侧壁的氧化并不代表透明c-SI模块的正常操作条件。同样，透明c-SI模块中使用的电极和互连基于成熟的c-SI光伏金属化和标签概念，所以不需要额外的腐蚀路径，前提是使用了适当的封装和边缘密封[62]。然而，在受控湿度、热量、紫外线照度和偏压条件下对钝化的微孔阵列和孔径边缘/电极区域进行加速老化测试，将有助于评估工艺存储稳定性、部分封装故障和长期可靠性边际。总的来说，这些研究表明透明和柔性c-SI设备在报告的测试条件下的机械和环境鲁棒性是有希望的。同时，长期部署将需要商业级别的封装、扩展的户外现场测试、高循环弯曲验证以及在这种条件下加速的老化研究。同时，建模和系统级工具对于基于可靠性的设计变得越来越重要。有限元模拟被用于研究晶圆和层压堆的应力分布、应力强度因子以及断裂风险，这些因素都是晶圆厚度、孔径几何形状和封装材料模量的函数。同时，人们正在开发光学-化学耦合模型来描述由于封装材料老化或表面污染导致的透射率损失和折射率漂移[81, 82]。当这些基于物理原理的模型经过加速多应力测试校准后，它们可以为模块和建筑立面的设计提供寿命预测和指导，而不仅仅是单个电池层面的考虑。未来，将辐射冷却层或热致变色层集成到玻璃结构中，并最终在透明硅模块中嵌入简单的温度、应力或颜色传感器，可能会将其从被动元件转变为能够同时管理光线、热量和能量的主动建筑组件。结合串联集成、基于单线态裂变的光谱转换以及可扩展的微结构技术，这样的预测可靠性及系统设计策略使c-Si成为建筑环境中一种有前景的透明且灵活的能源介质。

6 结论

近期在透明和柔性c-Si光伏领域取得的突破不仅仅是渐进式的进展——它们标志着对c-Si应用范围的根本性重新定义。通过打破长期以来关于c-Si不透明和易碎性的假设，光学微结构、透明电极设计、超薄晶圆工程以及基于微线的力学研究共同证明了c-Si具备以前仅被认为属于新兴薄膜材料的功能。这些进步不仅提升了性能，还重新定义了c-Si在光伏领域中的地位。现在，透明c-Si太阳能电池能够在不牺牲发电效率的情况下实现中性颜色透明度。柔性微结构或微线架构不仅实现了亚厘米级别的弯曲性能，还保持了电子质量。结合微电网金属网络和ABC架构的透明c-Si模块证明了在硅基平台上光学透明性和电气稳定性可以共存。这些成果表明，传统上与硅材料相关的限制并非固有性质，而是可以通过工程设计进行改变的变量。展望未来，透明和柔性c-Si领域的最直接进展可能来自于成本效益高的微结构技术、改进的钝化处理、稳健的互联技术以及可靠性工程。更先进的概念，如串联集成、基于单线态裂变的光子学以及辐射冷却技术，应根据具体应用场景来评估其可行性；它们的复杂性只有在确实能够提升性能时才有意义。这些混合方法有望实现超过Shockley–Queisser极限的性能表现，并推动诸如太阳能窗户、智能立面、可穿戴或形状自适应光伏系统等传统光伏技术无法实现的应用。c-Si的决定性优势在于其电子质量卓越、材料资源丰富、无毒性强以及对CMOS级制造工艺的高度兼容性。这些特性使硅不仅仅是一种需要被取代的传统技术，而是下一代能源采集表面的一个独特且可持续的基础。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的支持，该基金由韩国政府（MSIT）资助（项目编号：RS-2026-25471820）。此外，本研究还得到了信息与通信技术规划评估研究所（IITP）- ICAN（ICT挑战与高级人力资源开发网络）（项目编号：IITP-2026-RS-2024-00438207）的支持，该基金由韩国政府（科学技术信息通信部）提供资助。

利益冲突

作者声明无利益冲突。

作者简介

Kangmin Lee是韩国天主教大学的助理教授，同时也是LEE（前沿能源材料与电子）研究团队的负责人。他通过关于透明晶体硅太阳能电池的研究获得了博士学位，随后在麻省理工学院（MIT）担任博士后研究员，从事下一代光伏材料和器件的研究。他的团队致力于开发类玻璃的透明、超轻柔性晶体硅太阳能电池，并同时探索超越理论极限的效率提升方法，同时扩展到太阳能到化学能的转换、光电技术以及先进半导体和显示材料与工艺的研究领域。

数据可用性声明

由于本研究中未生成或分析任何数据集，因此不适用数据共享的规定。