成功破解硅片“力學短板” 中國科學家實現(xiàn)柔性太陽電池制造

a.柔性太陽電池硅片彎曲半徑小于5毫米;b.柔性太陽電池彎曲角度超過360度?！≈锌圃荷虾Ｎ⑾到y(tǒng)所 供圖

中新網(wǎng)北京5月24日電 (記者 孫自法)太陽電池可以隨意折疊、任意彎曲嗎?來自中國科學院的最新消息說，中國科學家最新完成的一項研究給出了肯定的答案，他們通過合作成功破解了硅片的“力學短板”，顯著提升硅片“柔韌性”，研發(fā)出柔性單晶硅太陽電池技術(shù)，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)柔性單晶硅太陽電池制造，并已驗證批量生產(chǎn)的可行性。

這項柔性太陽電池領(lǐng)域重要技術(shù)突破及應用的成果論文，由中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所(中科院上海微系統(tǒng)所)領(lǐng)銜并聯(lián)合長沙理工大學、北京航空航天大學、南京師范大學、沙特阿美石油公司等合作完成，北京時間5月24日夜間在國際著名學術(shù)期刊《自然》(Nature)上以封面文章形式在線發(fā)表。同時，該研究團隊開發(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。

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?！≈锌圃荷虾Ｎ⑾到y(tǒng)所 供圖

中科院上海微系統(tǒng)所介紹說，近年來，單晶硅太陽電池在光伏市場的占有率上升到95%以上，除常規(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，但此前，中外尚未開發(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。

基于此，中科院上海微系統(tǒng)所2010年成立新能源技術(shù)中心，10多年來持續(xù)聚焦非晶硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的研究開發(fā)，已取得眾多原創(chuàng)性科研成果，其中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)域都獲得規(guī)模化應用。

在本項研究中，中科院上海微系統(tǒng)所領(lǐng)導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)新開發(fā)出邊緣圓滑處理技術(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。

研究團隊表示，破解硅片“力學短板”的結(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;該單晶硅太陽電池也可以進行重復彎曲，彎曲角度超過360度。以此次技術(shù)突破和形成結(jié)構(gòu)設(shè)計方案為基礎(chǔ)，研究團隊通過簡單工藝處理又進一步實現(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，從而為輕質(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。

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?！≈锌圃荷虾Ｎ⑾到y(tǒng)所 供圖

論文通訊作者、中科院上海微系統(tǒng)所狄增峰研究員解釋指出，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，并通過有效抑制應變斷裂行為，提升硅片的柔韌性，最終實現(xiàn)高效、輕質(zhì)、柔性的單晶硅太陽電池。

論文通訊作者、中科院上海微系統(tǒng)所劉正新研究員表示，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，又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。

據(jù)了解，二十世紀五十年代，美國貝爾實驗室發(fā)明單晶硅太陽電池，利用單晶硅晶圓實現(xiàn)太陽光能轉(zhuǎn)換成電能的突破，并成功用于人造衛(wèi)星，但當時的光電轉(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%，且制造成本和綜合發(fā)電成本大幅度下降，在中國大部分地區(qū)達到平價上網(wǎng)。