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2023-06-15世界观速讯丨成功破解硅片“力学短板” 中国科学家实现柔性太阳电池制造
a.柔性太阳电池硅片弯曲半径小于5毫米;b.柔性太阳电池弯曲角度超过360度。 中科院上海微系统所 供图
中新网北京5月24日电 (记者 孙自法)太阳电池可以随意折叠、任意弯曲吗?来自中国科学院的最新消息说，中国科学家最新完成的一项研究给出了肯定的答案，他们通过合作成功破解了硅片的“力学短板”，显著提升硅片“柔韧性”，研发出柔性单晶硅太阳电池技术，在此基础上实现柔性单晶硅太阳电池制造，并已验证批量生产的可行性。
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这项柔性太阳电池领域重要技术突破及应用的成果论文，由中国科学院上海微系统与信息技术研究所(中科院上海微系统所)领衔并联合长沙理工大学、北京航空航天大学、南京师范大学、沙特阿美石油公司等合作完成，北京时间5月24日夜间在国际著名学术期刊《自然》(Nature)上以封面文章形式在线发表。同时，该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。
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。 中科院上海微系统所 供图
中科院上海微系统所介绍说，近年来，单晶硅太阳电池在光伏市场的占有率上升到95%以上，除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，但此前，中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。
基于此，中科院上海微系统所2010年成立新能源技术中心，10多年来持续聚焦非晶硅/单晶硅异质结太阳电池的研究开发，已取得众多原创性科研成果，其中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都获得规模化应用。
在本项研究中，中科院上海微系统所领导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，研究团队创新开发出边缘圆滑处理技术，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。
研究团队表示，破解硅片“力学短板”的结构设计方案，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;该单晶硅太阳电池也可以进行重复弯曲，弯曲角度超过360度。以此次技术突破和形成结构设计方案为基础，研究团队通过简单工艺处理又进一步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，从而为轻质、柔性单晶硅太阳电池的发展提供了一条可行的技术路线。
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。 中科院上海微系统所 供图
论文通讯作者、中科院上海微系统所狄增峰研究员解释指出，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，并通过有效抑制应变断裂行为，提升硅片的柔韧性，最终实现高效、轻质、柔性的单晶硅太阳电池。
论文通讯作者、中科院上海微系统所刘正新研究员表示，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，又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。
据了解，二十世纪五十年代，美国贝尔实验室发明单晶硅太阳电池，利用单晶硅晶圆实现太阳光能转换成电能的突破，并成功用于人造卫星，但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%，且制造成本和综合发电成本大幅度下降，在中国大部分地区达到平价上网。
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