早在上世紀五十年代，美國貝爾實驗室的研究者就發(fā)明了單晶硅太陽電池，利用單晶硅晶圓實現(xiàn)了太陽光能轉(zhuǎn)換成電能的突破，并成功用于人造衛(wèi)星，當時的光電轉(zhuǎn)換效率僅有5%左右。近幾年，研究人員通過材料結(jié)構(gòu)工程和高端設(shè)備開發(fā)的協(xié)同創(chuàng)新，將單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高到26.8%，接近理論極限29.4%，制造成本和綜合發(fā)電成本大幅度下降，在我國大部分地區(qū)達到平價上網(wǎng)。同時，單晶硅太陽電池在光伏市場的占有率也上升到95%以上。除了常規(guī)太陽電池在地面光伏電站和分布式光伏的大規(guī)模應用以外，柔性太陽電池在可穿戴電子、移動通訊、車載移動能源、光伏建筑一體化、航空航天等領(lǐng)域也具有巨大的發(fā)展空間，然而國內(nèi)外尚未開發(fā)出商用的高效、輕質(zhì)、大面積、低成本柔性太陽電池滿足該領(lǐng)域的應用需求。

中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所（以下簡稱中科院上海微系統(tǒng)所）的研究團隊通過高速相機觀察發(fā)現(xiàn)，單晶硅太陽電池在彎曲應力作用下的斷裂總是從單晶硅片邊緣處的“V”字型溝槽開始萌生裂痕，該區(qū)域被定義為硅片的“力學短板”。根據(jù)這一現(xiàn)象，研究團隊創(chuàng)新地開發(fā)了邊緣圓滑處理技術(shù)，將硅片邊緣的表面和側(cè)面尖銳的“V”字型溝槽處理成平滑的“U”字型溝槽，改變介觀尺度上的結(jié)構(gòu)對稱性，結(jié)合有限元分析、動態(tài)應力載荷下的分子動力學模擬和球差透射電子顯微鏡的殘余應力分析，發(fā)現(xiàn)單晶硅的“脆性”斷裂行為轉(zhuǎn)變成“彈塑性”二次剪切帶斷裂行為。同時，由于圓滑處理只限于硅片邊緣區(qū)域，不影響硅片表面和背面對光的吸收能力，從而保持了太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率不變。該結(jié)構(gòu)設(shè)計方案可以顯著提升硅片的“柔韌性”，60微米厚度的單晶硅太陽電池可以像A4紙一樣進行折疊操作，最小彎曲半徑達到5毫米以下（圖1a）；也可以進行重復彎曲，彎曲角度超過360度（圖1b）。相關(guān)成果于2023年5月24日在Nature發(fā)表，并被選為當期的封面。

本工作通過簡單工藝處理實現(xiàn)了柔性單晶硅太陽電池制造，并在量產(chǎn)線驗證了批量生產(chǎn)的可行性，為輕質(zhì)、柔性單晶硅太陽電池的發(fā)展提供了一條可行的技術(shù)路線。研究團隊開發(fā)的大面積柔性光伏組件已經(jīng)成功應用于臨近空間飛行器、建筑光伏一體化和車載光伏等領(lǐng)域（圖2）。

本工作的第一完成單位為中科院上海微系統(tǒng)所，第一作者為中科院上海微系統(tǒng)所劉文柱副研究員、長沙理工大學劉玉敬副教授、沙特阿美石油公司楊自強博士和南京師范大學徐常清教授。理論計算與北京航空航天大學丁彬副教授和南京師范大學徐常清教授合作完成。殘余應力分析與長沙理工大學劉小春教授和劉玉敬副教授合作完成。高速相機拍攝硅片瞬間斷裂過程由阿美石油公司楊自強博士完成。

本文通訊作者狄增峰研究員介紹道:“對于具有表面尖銳‘V’字型溝槽的太陽電池硅片斷裂行為的認識，啟發(fā)了研究團隊針對硅片邊緣區(qū)域進行形貌改變，將尖銳‘V’字型溝槽處理成圓滑‘U’字型溝槽，從而讓彎曲應變能夠有效分散，有效抑制了應變斷裂行為，提升了硅片的柔韌性，最終實現(xiàn)了高效、輕質(zhì)、柔性的單晶硅太陽電池”。

本文通訊作者劉正新研究員介紹道:“由于圓滑策略僅在硅片邊緣實施，基本不影響太陽電池的光電轉(zhuǎn)化效率，同時能夠顯著提升太陽電池的柔性，未來在空間應用、綠色建筑、便攜式電源等方面具有廣闊的應用前景。”

中科院上海微系統(tǒng)所新能源技術(shù)中心自2010年成立以來，聚焦非晶硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)（Silicon Heterojunction）太陽電池的研究開發(fā)，取得了多個原創(chuàng)性科研成果，近三年以第一通訊單位在Nature、Nature Energy、Joule等國際頂尖學術(shù)雜志上發(fā)表論文，同時多項重要研究成果在大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化、臨近空間開發(fā)、極地科考站可再生能源供電等領(lǐng)域獲得了規(guī)?；瘧谩?/span>

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05921-z

                                                                                                圖1. a, 柔性太陽電池硅片彎曲半徑小于5毫米；b，柔性太陽電視彎曲角度超過360度。

圖2. 柔性單晶硅太陽電池組件成功應用于臨近空間飛行器、光伏建筑一體化、車載光伏等領(lǐng)域。