柔性單晶硅太陽電池彎曲角度超過360度。受訪者供圖

在“雙碳”背景下，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的光伏產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展。其中，單晶硅太陽電池是主力軍，在光伏市場的占有率已上升至95%以上。

之所以熱門，是因為單晶硅有太多優(yōu)點。其一，硅元素是地球上含量最多的半導(dǎo)體元素，材料不缺;其二，成本較低;其三，硅片、單晶硅、太陽電池等很多工藝在傳統(tǒng)半導(dǎo)體領(lǐng)域已非常成熟，可直接借鑒。

然而，事無完美。單晶硅太陽電池有一個嚴(yán)重缺陷——它很“脆弱”。在力學(xué)上，稍微給它一個彎曲的應(yīng)力，或者運(yùn)輸過程中有震動，都可能導(dǎo)致其直接碎裂。這限制了單晶硅太陽電池的應(yīng)用場景。

近期，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所(以下簡稱上海微系統(tǒng)所)的科研團(tuán)隊成功開發(fā)出柔性單晶硅太陽電池，實現(xiàn)了里程碑式的跨越。5月24日，相關(guān)論文在《自然》在線發(fā)表，并被選為當(dāng)期封面。這也是單晶硅太陽電池發(fā)明69年來，首篇發(fā)表于《自然》的純單晶硅太陽電池長篇研究論文。

從“V”到“U”，實現(xiàn)力學(xué)性能的蛻變

把單晶硅太陽電池變成柔性的，實現(xiàn)“哪里需要貼哪里”，是業(yè)內(nèi)許多人的理想。

在學(xué)生時期，該論文第一作者、上海微系統(tǒng)所副研究員劉文柱就考慮過這個問題。后來，在多次學(xué)術(shù)會議上，他總能聽到一種聲音：“薄膜電池可以非常柔，而單晶硅太陽電池卻難以實現(xiàn)。”這刺激他下定決心開發(fā)柔性單晶硅太陽電池。

為把不可能變?yōu)榭赡埽瑒⑽闹秃献髡唛_啟了漫漫實驗路。

硅太陽電池原本是一個平面，反光嚴(yán)重，要提升其發(fā)電效率，就必須減少光反射。常用做法是把硅片放在化學(xué)溶劑里處理，其表面會出現(xiàn)很多金字塔狀的微米結(jié)構(gòu)，光在這些結(jié)構(gòu)中來回反射，使得大多數(shù)光進(jìn)入硅片中，進(jìn)而對發(fā)電作貢獻(xiàn)。

“我們發(fā)現(xiàn)，金字塔與金字塔的交界處有非常尖銳的‘V’字形溝槽，在這個地方稍加一個力，就會產(chǎn)生裂痕。從此處著手，或許能改變硅片脆弱的‘靈魂’。”劉文柱告訴《中國科學(xué)報》。

研究團(tuán)隊將硅片進(jìn)行了簡單的化學(xué)處理，通過各向同性化學(xué)腐蝕或等離子體處理，把“V”字形溝槽變成了“U”字形。“這種做法能讓彎曲應(yīng)變有效分散，從而抑制應(yīng)變斷裂行為，提升硅片的柔韌性。”論文通訊作者、上海微系統(tǒng)所研究員狄增峰介紹說。

這樣的處理雖然優(yōu)化了硅片的力學(xué)性能，但反光也有所增加，發(fā)電效率大打折扣。如何讓力學(xué)性能與發(fā)電效率兩者兼得?大家為此十分苦惱。

研究團(tuán)隊選擇從硅片碎裂的全部細(xì)節(jié)中尋找突破口。這就需要一臺一秒可以連續(xù)拍攝100萬張照片的超高速相機(jī)。劉文柱把樣品寄給了曾經(jīng)同在沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學(xué)流體力學(xué)團(tuán)隊的師弟楊自強(qiáng)。楊自強(qiáng)用超高速相機(jī)將硅片在彎曲應(yīng)力下斷裂的過程全部呈現(xiàn)了出來。

“我們發(fā)現(xiàn)，所有硅片在彎曲應(yīng)力下的斷裂都是從邊緣開始。這說明，邊緣區(qū)域是硅片的‘力學(xué)短板’。”劉文柱說，“那么，只要處理整個硅片邊緣很小的區(qū)域，問題就可以迎刃而解。”

由此，研究團(tuán)隊創(chuàng)新開發(fā)了邊緣圓滑處理技術(shù)。他們將幾十個、幾百個甚至更多的硅片摞在一起，結(jié)合等離子體腐蝕法，將硅片邊緣表面和側(cè)面尖銳的“V”字形溝槽處理成平滑的“U”字形溝槽。

該方案顯著提升了硅片的柔韌性。60微米厚的單晶硅太陽電池可以像A4紙一樣進(jìn)行折疊，最小彎曲半徑達(dá)5毫米以下，也可以重復(fù)彎曲，彎曲角度超過360度。

“由于圓滑處理技術(shù)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，同時還能顯著提升太陽電池的柔性，未來在空間應(yīng)用、綠色建筑、便攜式電源等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。”論文通訊作者、上海微系統(tǒng)所研究員劉正新表示。

證據(jù)充分，令審稿人心服口服

1954年，美國貝爾實驗室的研究者發(fā)明了單晶硅太陽電池，利用單晶硅晶圓實現(xiàn)了將太陽光能轉(zhuǎn)化成電能的突破，并成功用于人造衛(wèi)星。

然而，此后的69年里，《自然》沒有發(fā)表過單晶硅太陽電池的長篇研究論文。但這篇文章投出后，很快就進(jìn)入了送審環(huán)節(jié)。

在第一輪審稿中，一位審稿人給出了很高的評價，認(rèn)為“這是未來光伏領(lǐng)域的突破性發(fā)現(xiàn)”，而另一位審稿人雖然沒直接拒稿，卻提出了很多細(xì)節(jié)問題。

“可能是我的英語寫作不太好，感覺第二位審稿人沒有完全看懂文章。后來，我針對他提出的問題，掰開揉碎了一點點向他解釋清楚。”劉文柱說。

在第二輪審稿時，這位審稿人寫道：“無論從哪個角度來說，這項工作都是一流的，發(fā)表在《自然》上是公平的。”

論文投出后，相關(guān)的宏觀力學(xué)實驗仍在進(jìn)行。在文章送審還未收到反饋意見時，研究團(tuán)隊又取得了新進(jìn)展，用三點彎曲法測試單晶硅太陽電池的力學(xué)性能，并計算了其理論極限。

在審稿人未提出補(bǔ)做實驗的情況下，他們把后期獲得的研究進(jìn)展添加到論文中，形成了充分的證據(jù)，令審稿人心服口服。

撬動巨大的柔性光伏市場

一項技術(shù)是否可靠，需要多方驗證。研究團(tuán)隊不僅做出了單晶硅太陽電池，還將單晶硅太陽電池柔性組件送至第三方進(jìn)行測試。

“江蘇有一個公司專門做高鐵外殼振動測試，我們把1平方米左右的柔性組件送去了。組件四周固定在底板上、中間懸空，振動測試開始后，組件會像席子一樣上下抖動。”劉文柱說。

他們測試了1.8萬個周期，柔性組件的功率分毫未損。

除了這個測試外，研究團(tuán)隊還進(jìn)行了更“狠”的操作。光伏的國際標(biāo)準(zhǔn)是IEC標(biāo)準(zhǔn)，也就是說，光伏材料必須達(dá)到在零下40℃到85℃間運(yùn)行20年或25年，性能衰減不超過15%的要求。

“我們做的實驗比國際標(biāo)準(zhǔn)還嚴(yán)苛，讓單晶硅太陽電池在零下70℃到85℃間連續(xù)循環(huán)120個小時，結(jié)果發(fā)現(xiàn)功率衰減很少。”劉文柱說。

“現(xiàn)在，我們做出了柔性單晶硅太陽電池，無論如何彎曲，整個大硅片都能恢復(fù)如初，它沒有晶界、沒有摩擦，哪怕折疊1000次，功率也沒有絲毫衰減，使用壽命很長。而這些都是多晶電池很難實現(xiàn)的。”劉文柱說。

據(jù)悉，研究團(tuán)隊開發(fā)的大面積柔性光伏組件已經(jīng)成功應(yīng)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。

劉文柱表示，柔性單晶硅太陽電池將應(yīng)用于更多場景，比如可穿戴電子設(shè)備、移動通信、航空航天等領(lǐng)域，可能會撬動巨大的柔性光伏市場。

相關(guān)論文信息：

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