早在上世紀(jì)五十年代，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究者就發(fā)明了單晶硅太陽(yáng)電池，利用單晶硅晶圓實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換成電能的突破，并成功用于人造衛(wèi)星，當(dāng)時(shí)的光電轉(zhuǎn)換效率僅有5%左右。近幾年，研究人員通過(guò)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(yáng)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(guó)大部分地區(qū)達(dá)到平價(jià)上網(wǎng)。同時(shí)，單晶硅太陽(yáng)電池在光伏市場(chǎng)的占有率也上升到95%以上。除了常規(guī)太陽(yáng)電池在地面光伏電站和分布式光伏的大規(guī)模應(yīng)用以外，柔性太陽(yáng)電池在可穿戴電子、移動(dòng)通訊、車載移動(dòng)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，然而目前尚未開發(fā)出商用的高效、輕質(zhì)、大面積、低成本柔性太陽(yáng)電池滿足該領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)高速相機(jī)觀察發(fā)現(xiàn)，單晶硅太陽(yáng)電池在彎曲應(yīng)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(xué)短板”。根據(jù)這一現(xiàn)象，研究團(tuán)隊(duì)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(duì)稱性，結(jié)合有限元分析、動(dòng)態(tài)應(yīng)力載荷下的分子動(dòng)力學(xué)模擬和球差透射電子顯微鏡的殘余應(yīng)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(shí)，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(duì)光的吸收能力，從而保持了太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率不變。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yáng)電池可以像A4紙一樣進(jìn)行折疊操作，最小彎曲半徑達(dá)到5毫米以下；也可以進(jìn)行重復(fù)彎曲，彎曲角度超過(guò)360度。

相關(guān)成果于5月24日在《自然》（Nature）雜志發(fā)表，并被選為當(dāng)期的封面文章。

論文通訊作者、上海微系統(tǒng)所研究員狄增峰介紹道:“對(duì)于具有表面尖銳‘V’字型溝槽的太陽(yáng)電池硅片斷裂行為的認(rèn)識(shí)，啟發(fā)了研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)硅片邊緣區(qū)域進(jìn)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(yīng)變能夠有效分散，有效抑制了應(yīng)變斷裂行為，提升了硅片的柔韌性，最終實(shí)現(xiàn)了高效、輕質(zhì)、柔性的單晶硅太陽(yáng)電池�！�

論文通訊作者、上海微系統(tǒng)所研究員劉正新介紹道:“由于圓滑策略僅在硅片邊緣實(shí)施，基本不影響太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)化效率，同時(shí)能夠顯著提升太陽(yáng)電池的柔性，未來(lái)在空間應(yīng)用、綠色建筑、便攜式電源等方面具有廣闊的應(yīng)用前景�！�

該工作通過(guò)簡(jiǎn)單工藝處理實(shí)現(xiàn)了柔性單晶硅太陽(yáng)電池制造，并在量產(chǎn)線驗(yàn)證了批量生產(chǎn)的可行性，為輕質(zhì)、柔性單晶硅太陽(yáng)電池的發(fā)展提供了一條可行的技術(shù)路線。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的大面積柔性光伏組件已經(jīng)成功應(yīng)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。

a.柔性太陽(yáng)電池硅片彎曲半徑小于5毫米；b.柔性太陽(yáng)電視彎曲角度超過(guò)360度

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

該工作的第一完成單位為中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所，第一作者為上海微系統(tǒng)所副研究員劉文柱、長(zhǎng)沙理工大學(xué)副教授劉玉敬、沙特阿美石油公司博士楊自強(qiáng)和南京師范大學(xué)教授徐常清。理論計(jì)算與北京航空航天大學(xué)副教授丁彬和南京師范大學(xué)教授徐常清合作完成。殘余應(yīng)力分析與長(zhǎng)沙理工大學(xué)教授劉小春和副教授劉玉敬合作完成。高速相機(jī)拍攝硅片瞬間斷裂過(guò)程由阿美石油公司博士楊自強(qiáng)完成。

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