上海微系統所成功開發柔性單晶硅太陽電池技術

早在上世紀五十年代，美國貝爾實驗室的研究者就發明了單晶硅太陽電池，利用單晶硅晶圓實現了太陽光能轉換成電能的突破，并成功用于人造衛星，當時的光電轉換效率僅有5%左右。近幾年，研究人員通過材料結構工程和高端設備開發的協同創新，將單晶硅太陽電池的光電轉換效率提高到26.8%，接近理論極限29.4%，制造成本和綜合發電成本大幅度下降，在我國大部分地區達到平價上網。同時，單晶硅太陽電池在光伏市場的占有率也上升到95%以上。除了常規太陽電池在地面光伏電站和分布式光伏的大規模應用以外，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、航空航天等領域也具有巨大的發展空間，然而目前尚未開發出商用的高效、輕質、大面積、低成本柔性太陽電池滿足該領域的應用需求。

中國科學院上海微系統與信息技術研究所的研究團隊通過高速相機觀察發現，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，該區域被定義為硅片的“力學短板”。根據這一現象，研究團隊創新地開發了邊緣圓滑處理技術，將硅片邊緣的表面和側面尖銳的“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構對稱性，結合有限元分析、動態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，發現單晶硅的“脆性”斷裂行為轉變成“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換效率不變。該結構設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；也可以進行重復彎曲，彎曲角度超過360度。

相關成果于5月24日在《自然》（Nature）雜志發表，并被選為當期的封面文章。

論文通訊作者、上海微系統所研究員狄增峰介紹道:“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，啟發了研究團隊針對硅片邊緣區域進行形貌改變，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，有效抑制了應變斷裂行為，提升了硅片的柔韌性，最終實現了高效、輕質、柔性的單晶硅太陽電池。”

論文通訊作者、上海微系統所研究員劉正新介紹道:“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化效率，同時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。”

該工作通過簡單工藝處理實現了柔性單晶硅太陽電池制造，并在量產線驗證了批量生產的可行性，為輕質、柔性單晶硅太陽電池的發展提供了一條可行的技術路線。研究團隊開發的大面積柔性光伏組件已經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域。

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