从“V”到“U”的小改变带来大收获上海科学家开发柔性单晶硅太阳电池技术

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新民晚报讯（记者郜阳）从单晶硅太阳电池的“力学短板”中，上海科学家找到了突破方向。记者从中国科学院上海微系统与信息技术研究所获悉，该所新能源技术中心刘正新研究员和刘文柱副研究员领衔的团队，创新性地研制成功60微米厚度单晶硅太阳电池。它可以像纸一样折叠，最小弯曲半径达到5毫米，重复弯曲角度超过360度且保持电池性能不变。这项工作通过简单工艺处理实现了柔性单晶硅太阳电池制造，并在量产线验证了批量生产的可行性，为轻质、柔性单晶硅太阳电池的发展提供了一条可行的技术路线。

相关研究成果于北京时间24日深夜发表于国际顶尖学术期刊《自然》（Nature），并被选为当期封面。

早在20世纪50年代，美国贝尔实验室研究人员就发明了单晶硅太阳电池，利用单晶硅晶圆实现了太阳光能转换成电能的突破，并成功用于人造卫星。不过，当时的光电转换效率仅有5%左右。近年来，研究人员通过材料结构工程和高端设备开发的协同创新，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，在我国大部分地区可达到平价上网。同时，单晶硅太阳电池在光伏市场的占有率也提升到95%以上。

科研人员介绍，常规太阳电池在地面光伏电站和分布式光伏得到了大规模应用，而柔性太阳电池在可穿戴电子、移动通信、车载移动能源、光伏建筑一体化、航空航天等领域也有着巨大的发展空间。然而，国内外尚未开发出商用的轻质、高效、大面积、低成本柔性太阳电池满足该领域的应用需求。

中科院上海微系统所的研究团队通过高速相机观察发现，单晶硅太阳电池在弯曲应力作用下的断裂总是从单晶硅片边缘处的“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”。根据这一现象，研究团队创新地开发了边缘圆滑处理技术，将硅片边缘的表面和侧面尖锐的“V”字型沟槽处理成平滑的“U”字型沟槽，从而让弯曲应变能够有效分散，有效抑制了应变断裂行为。同时，由于圆滑处理只限于硅片边缘区域，不影响硅片表面和背面对光的吸收能力，从而保持了太阳电池的光电转换效率不变。这一结构设计方案可以显著提升硅片的柔韧性，由此研发出的60微米厚度的单晶硅太阳电池可以像A4纸一样进行折叠操作，最小弯曲半径达到5毫米以下；也可以进行重复弯曲，弯曲角度超过360度。

“由于圆滑策略仅在硅片边缘实施，基本不影响太阳电池的光电转化效率，同时能够显著提升太阳电池的柔性，未来在航空航天、绿色建筑、便携式电源等方面具有广阔的应用前景。”刘正新表示。据介绍，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。

记者了解到，中科院上海微系统所新能源技术中心自2010年成立以来，聚焦非晶硅/单晶硅异质结太阳电池的研究开发，取得了多个原创性科研成果，且多项重要研究成果在临近空间开发、极地科考站可再生能源供电等领域获得了规模化、产业化应用。