全球快报:上海微系统所成功开发柔性单晶硅太阳电池技术

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早在上世纪五十年代，美国贝尔实验室的研究者就发明了单晶硅太阳电池，利用单晶硅晶圆实现了太阳光能转换成电能的突破，并成功用于人造卫星，当时的光电转换效率仅有5%左右。近几年，研究人员通过材料结构工程和高端设备开发的协同创新，将单晶硅太阳电池的光电转换效率提高到26.8%，接近理论极限29.4%，制造成本和综合发电成本大幅度下降，在我国大部分地区达到平价上网。同时，单晶硅太阳电池在光伏市场的占有率也上升到95%以上。除了常规太阳电池在地面光伏电站和分布式光伏的大规模应用以外，柔性太阳电池在可穿戴电子、移动通讯、车载移动能源、光伏建筑一体化、航空航天等领域也具有巨大的发展空间，然而国内外尚未开发出商用的高效、轻质、大面积、低成本柔性太阳电池满足该领域的应用需求。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所（以下简称中科院上海微系统所）的研究团队通过高速相机观察发现，单晶硅太阳电池在弯曲应力作用下的断裂总是从单晶硅片边缘处的“V”字型沟槽开始萌生裂痕，该区域被定义为硅片的“力学短板”。根据这一现象，研究团队创新地开发了边缘圆滑处理技术，将硅片边缘的表面和侧面尖锐的“V”字型沟槽处理成平滑的“U”字型沟槽，改变介观尺度上的结构对称性，结合有限元分析、动态应力载荷下的分子动力学模拟和球差透射电子显微镜的残余应力分析，发现单晶硅的“脆性”断裂行为转变成“弹塑性”二次剪切带断裂行为。同时，由于圆滑处理只限于硅片边缘区域，不影响硅片表面和背面对光的吸收能力，从而保持了太阳电池的光电转换效率不变。该结构设计方案可以显著提升硅片的“柔韧性”，60微米厚度的单晶硅太阳电池可以像A4纸一样进行折叠操作，最小弯曲半径达到5毫米以下（图1a）；也可以进行重复弯曲，弯曲角度超过360度（图1b）。相关成果于2023年5月24日在Nature发表，并被选为当期的封面。

本工作通过简单工艺处理实现了柔性单晶硅太阳电池制造，并在量产线验证了批量生产的可行性，为轻质、柔性单晶硅太阳电池的发展提供了一条可行的技术路线。研究团队开发的大面积柔性光伏组件已经成功应用于临近空间飞行器、建筑光伏一体化和车载光伏等领域（图2）。

本工作的第一完成单位为中科院上海微系统所，第一作者为中科院上海微系统所刘文柱副研究员、长沙理工大学刘玉敬副教授、沙特阿美石油公司杨自强博士和南京师范大学徐常清教授。理论计算与北京航空航天大学丁彬副教授和南京师范大学徐常清教授合作完成。残余应力分析与长沙理工大学刘小春教授和刘玉敬副教授合作完成。高速相机拍摄硅片瞬间断裂过程由阿美石油公司杨自强博士完成。

本文通讯作者狄增峰研究员介绍道:“对于具有表面尖锐‘V’字型沟槽的太阳电池硅片断裂行为的认识，启发了研究团队针对硅片边缘区域进行形貌改变，将尖锐‘V’字型沟槽处理成圆滑‘U’字型沟槽，从而让弯曲应变能够有效分散，有效抑制了应变断裂行为，提升了硅片的柔韧性，最终实现了高效、轻质、柔性的单晶硅太阳电池”。

本文通讯作者刘正新研究员介绍道:“由于圆滑策略仅在硅片边缘实施，基本不影响太阳电池的光电转化效率，同时能够显著提升太阳电池的柔性，未来在空间应用、绿色建筑、便携式电源等方面具有广阔的应用前景。”

中科院上海微系统所新能源技术中心自2010年成立以来，聚焦非晶硅/单晶硅异质结（Silicon Heterojunction）太阳电池的研究开发，取得了多个原创性科研成果，近三年以第一通讯单位在Nature、Nature Energy、Joule等国际顶尖学术杂志上发表论文，同时多项重要研究成果在大规模产业化、临近空间开发、极地科考站可再生能源供电等领域获得了规模化应用。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05921-z

图1. a, 柔性太阳电池硅片弯曲半径小于5毫米；b，柔性太阳电视弯曲角度超过360度。

图2. 柔性单晶硅太阳电池组件成功应用于临近空间飞行器、光伏建筑一体化、车载光伏等领域。

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