中科院与海外合作者在工业尺寸柔性单晶硅太阳电池研究方面取得进展
2024/04/11
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图1 Nature封面：基于可折叠硅片的柔性太阳电池 (Foldable silicon wafers for flexible solar cells)
图2 可卷曲操作的工业尺寸柔性单晶硅片和柔性单晶硅太阳电池
在国家自然科学基金项目（批准号：51925208、62004208）等资助下，中科院上海微系统与信息技术研究所刘正新研究员团队、狄增峰研究员团队与合作者在工业尺寸柔性单晶硅太阳能电池研究方面取得进展。相关研究成果以“基于钝化边缘可折叠硅片的柔性太阳电池（Flexible solar cells based on foldable silicon wafers with blunted edges）”为题，作为封面论文（图1）于2023年5月24日发表在《自然》（Nature）杂志上。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-023-05921-z。
二十世纪五十年代，贝尔实验室研究人员发明了单晶硅太阳电池，利用硅晶圆实现了太阳光能转换成电能，但当时光电转换效率仅有5%左右。近几年，科研人员通过材料结构工程和高端设备研发协同创新，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，单晶硅太阳电池在整个光伏市场占有率也迅速上升到95%以上，在地面大规模光伏电站和分布式光伏等方面已经实现大规模应用。除了常规单晶硅太阳电池，面向柔性电子、移动通讯、车载移动能源、光伏建筑一体化、航空航天等领域需求，需要发展具有柔性的单晶硅太阳电池然而，单晶硅本身是脆性材料，在外部弯曲应力作用下容易发生碎裂，导致柔性单晶硅发展速度缓慢，目前尚未研发出能够商用的高效、轻质、大面积、低成本柔性硅太阳电池。
在前期研究基础上，该研究团队通过高速相机观察发现，太阳电池的单晶硅片在弯曲应力作用下的断裂总是从硅片边缘处的“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”。根据这一发现，该团队创新地采用湿法化学反应和干法等离子体反应圆滑处理两种不同的技术方案，通过表面的各向异性反应，将硅片边缘表面和侧面尖锐的“V”字型沟槽圆滑处理成平滑的“U”字型沟槽，改变了硅片边缘和侧面在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，揭示了介观对称性变化与实现将单晶硅的“脆性”断裂行为转变成“弹塑性”二次剪切带断裂行为的关联关系。此外，圆滑处理只限于硅片边缘区域，因此基本不影响硅片对光的捕获能力，从而保持了太阳电池的光电转换效率基本不变。该结构设计方案可以显著提升硅片的“柔韧性”，50-80微米厚的硅片可以像A4纸一样进行卷曲操作，卷曲角度超过360度（图2）。
该研究将会极大地拓展太阳能光伏的应用场景，从而更好地服务国家重大工程和国家“碳达峰 碳中和”战略。
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