中國網/中國發展門戶網訊 中國科學院上海微系統與信息技術研究所（以下簡稱中科院上海微系統所）研究團隊創新性研制成功60 微米厚度單晶硅太陽電池，為破解輕薄性和易碎性難以兼得這一“蹺蹺板”瓶頸問題提供了一個行之有效的科學方法。相關成果于2023年5月24日在Nature發表，并被選為當期的封面。

據介紹，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。

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。

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，然而國內外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。本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。

本工作的第一完成單位為中科院上海微系統所，第一作者為中科院上海微系統所劉文柱副研究員、長沙理工大學劉玉敬副教授、沙特阿美石油公司楊自強博士和南京師范大學徐常清教授。理論計算與北京航空航天大學丁彬副教授和南京師范大學徐常清教授合作完成。殘余應力分析與長沙理工大學劉小春教授和劉玉敬副教授合作完成。高速相機拍攝硅片瞬間斷裂過程由阿美石油公司楊自強博士完成。

本文通訊作者狄增峰研究員介紹:“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”。

“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。”本文通訊作者劉正新研究員介紹。

據悉，中科院上海微系統所新能源技術中心自2010年成立以來，聚焦非晶硅/單晶硅異質結（Silicon Heterojunction）太陽電池的研究開發，取得了多個原創性科研成果，近三年以第一通訊單位在Nature、Nature Energy、Joule等國際頂尖學術雜志上發表論文，同時多項重要研究成果在大規模產業化、臨近空間開發、極地科考站可再生能源供電等領域獲得了規模化應用。