柔性单晶硅太阳电池来了

　　在“双碳”背景下，将太阳能转化为电能的光伏产业高速发展。其中，单晶硅太阳电池是主力军，在光伏市场的占有率已上升至95%以上。

　　之所以热门，是因为单晶硅有太多优点。其一，硅元素是地球上含量最多的半导体元素，材料不缺;其二，成本较低;其三，硅片、单晶硅、太阳电池等很多工艺在传统半导体领域已非常成熟，可直接借鉴。

　　然而，事无完美。单晶硅太阳电池有一个严重缺陷——它很“脆弱”。在力学上，稍微给它一个弯曲的应力，或者运输过程中有震动，都可能导致其直接碎裂。这限制了单晶硅太阳电池的应用场景。

　　近期，中国科学院上海微系统与信息技术研究所(以下简称上海微系统所)的科研团队成功开发出柔性单晶硅太阳电池，实现了里程碑式的跨越。5月24日，相关论文在《自然》在线发表，并被选为当期封面。这也是单晶硅太阳电池发明69年来，首篇发表于《自然》的纯单晶硅太阳电池长篇研究论文。

　　从“V”到“U”，实现力学性能的蜕变

　　把单晶硅太阳电池变成柔性的，实现“哪里需要贴哪里”，是业内许多人的理想。

　　在学生时期，该论文第一作者、上海微系统所副研究员刘文柱就考虑过这个问题。后来，在多次学术会议上，他总能听到一种声音：“薄膜电池可以非常柔，而单晶硅太阳电池却难以实现。”这刺激他下定决心开发柔性单晶硅太阳电池。

　　为把不可能变为可能，刘文柱和合作者开启了漫漫实验路。

　　硅太阳电池原本是一个平面，反光严重，要提升其发电效率，就必须减少光反射。常用做法是把硅片放在化学溶剂里处理，其表面会出现很多金字塔状的微米结构，光在这些结构中来回反射，使得大多数光进入硅片中，进而对发电作贡献。

　　“我们发现，金字塔与金字塔的交界处有非常尖锐的‘V’字形沟槽，在这个地方稍加一个力，就会产生裂痕。从此处着手，或许能改变硅片脆弱的‘灵魂’。”刘文柱告诉《中国科学报》。

　　研究团队将硅片进行了简单的化学处理，通过各向同性化学腐蚀或等离子体处理，把“V”字形沟槽变成了“U”字形。“这种做法能让弯曲应变有效分散，从而抑制应变断裂行为，提升硅片的柔韧性。”论文通讯作者、上海微系统所研究员狄增峰介绍说。

　　这样的处理虽然优化了硅片的力学性能，但反光也有所增加，发电效率大打折扣。如何让力学性能与发电效率两者兼得?大家为此十分苦恼。

　　研究团队选择从硅片碎裂的全部细节中寻找突破口。这就需要一台一秒可以连续拍摄100万张照片的超高速相机。刘文柱把样品寄给了曾经同在沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学流体力学团队的师弟杨自强。杨自强用超高速相机将硅片在弯曲应力下断裂的过程全部呈现了出来。

　　“我们发现，所有硅片在弯曲应力下的断裂都是从边缘开始。这说明，边缘区域是硅片的‘力学短板’。”刘文柱说，“那么，只要处理整个硅片边缘很小的区域，问题就可以迎刃而解。”

　　由此，研究团队创新开发了边缘圆滑处理技术。他们将几十个、几百个甚至更多的硅片摞在一起，结合等离子体腐蚀法，将硅片边缘表面和侧面尖锐的“V”字形沟槽处理成平滑的“U”字形沟槽。

　　该方案显著提升了硅片的柔韧性。60微米厚的单晶硅太阳电池可以像A4纸一样进行折叠，最小弯曲半径达5毫米以下，也可以重复弯曲，弯曲角度超过360度。

　　“由于圆滑处理技术仅在硅片边缘实施，基本不影响太阳电池的光电转化效率，同时还能显著提升太阳电池的柔性，未来在空间应用、绿色建筑、便携式电源等领域具有广阔的应用前景。”论文通讯作者、上海微系统所研究员刘正新表示。

　　证据充分，令审稿人心服口服

　　1954年，美国贝尔实验室的研究者发明了单晶硅太阳电池，利用单晶硅晶圆实现了将太阳光能转化成电能的突破，并成功用于人造卫星。

　　然而，此后的69年里，《自然》没有发表过单晶硅太阳电池的长篇研究论文。但这篇文章投出后，很快就进入了送审环节。

　　在第一轮审稿中，一位审稿人给出了很高的评价，认为“这是未来光伏领域的突破性发现”，而另一位审稿人虽然没直接拒稿，却提出了很多细节问题。

　　“可能是我的英语写作不太好，感觉第二位审稿人没有完全看懂文章。后来，我针对他提出的问题，掰开揉碎了一点点向他解释清楚。”刘文柱说。

　　在第二轮审稿时，这位审稿人写道：“无论从哪个角度来说，这项工作都是一流的，发表在《自然》上是公平的。”

　　论文投出后，相关的宏观力学实验仍在进行。在文章送审还未收到反馈意见时，研究团队又取得了新进展，用三点弯曲法测试单晶硅太阳电池的力学性能，并计算了其理论极限。

　　在审稿人未提出补做实验的情况下，他们把后期获得的研究进展添加到论文中，形成了充分的证据，令审稿人心服口服。

　　撬动巨大的柔性光伏市场

　　一项技术是否可靠，需要多方验证。研究团队不仅做出了单晶硅太阳电池，还将单晶硅太阳电池柔性组件送至第三方进行测试。

　　“江苏有一个公司专门做高铁外壳振动测试，我们把1平方米左右的柔性组件送去了。组件四周固定在底板上、中间悬空，振动测试开始后，组件会像席子一样上下抖动。”刘文柱说。

　　他们测试了1.8万个周期，柔性组件的功率分毫未损。

　　除了这个测试外，研究团队还进行了更“狠”的操作。光伏的国际标准是IEC标准，也就是说，光伏材料必须达到在零下40℃到85℃间运行20年或25年，性能衰减不超过15%的要求。

　　“我们做的实验比国际标准还严苛，让单晶硅太阳电池在零下70℃到85℃间连续循环120个小时，结果发现功率衰减很少。”刘文柱说。

　　“现在，我们做出了柔性单晶硅太阳电池，无论如何弯曲，整个大硅片都能恢复如初，它没有晶界、没有摩擦，哪怕折叠1000次，功率也没有丝毫衰减，使用寿命很长。而这些都是多晶电池很难实现的。”刘文柱说。

　　据悉，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。

　　刘文柱表示，柔性单晶硅太阳电池将应用于更多场景，比如可穿戴电子设备、移动通信、航空航天等领域，可能会撬动巨大的柔性光伏市场。

　　相关论文信息：

　　https://doi.org/10.1038/s41586-023-05921-z