成功破解硅片“力学短板” 中国科学家实现柔性太阳电池制造

北京，5月24日电北京，中新网 (记者 孙自法)太阳能电池可以随意折叠或弯曲吗？根据中国科学院的最新消息，中国科学家最新完成的一项研究给出了肯定的答案。通过合作，他们成功地解决了硅片的“机械缺陷”，显著提高了硅片的“灵活性”，开发了柔性单晶硅太阳能电池技术，在此基础上实现了柔性单晶硅太阳能电池的制造，并验证了批量生产的可行性。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所(中国科学院上海微系统研究所)牵头，与长沙理工大学、北京航空航天大学、南京师范大学、沙特阿美石油公司合作完成这篇关于柔性太阳能电池领域重要技术突破和应用的成果论文。5月24日晚，北京时间在国际著名学术期刊《自然》上(Nature)以封面文章的形式在线发表。同时，该研究小组开发的大面积柔性光伏组件已成功应用于空间飞机、建筑光伏一体化、车载光伏等领域。

据中国科学院上海微系统介绍，近年来，单晶硅太阳能电池在光伏市场的份额上升到95%以上。除了传统太阳能电池在地面光伏电站和分布式光伏中的大规模应用外，柔性太阳能电池在可穿戴电子、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巨大的发展空间，但以前，高效、轻质、大面积、低成本的柔性太阳能电池尚未在中外开发，以满足该领域的应用需求。

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基于此，中国科学院上海微系统研究所于2010年成立了新能源技术中心。10多年来，它一直专注于非晶硅/单晶硅异质结太阳能电池的研发，并取得了许多原创科研成果。许多重要研究成果已大规模应用于大规模工业化、临近空间开发、极地科研站可再生能源供电等领域。

在本研究中，中国科学院上海微系统领导的研究团队发现，单晶硅太阳能电池在弯曲应力下的断裂总是从单晶硅片的边缘开始。”V该区域被定义为硅片的“机械短板”，字形沟开始萌生裂缝。

根据这一现象，研究团队创新开发了边缘光滑处理技术，将硅片边缘的表面和侧面尖锐“V“字形沟槽处理成平滑”U结合有限元分析、动态应力载荷下的分子动力学模拟和球差透射电子显微镜的残余应力分析，发现单晶硅的“脆性”断裂行为已转化为“弹性塑性”二次剪切带断裂行为。同时，由于光滑处理仅限于硅片边缘区域，不影响硅片表面和背面对光的吸收能力，因此太阳能电池的光电转换效率保持不变。

研究小组表示，解决硅片“机械短板”的结构设计方案可以显著提高硅片的“灵活性”：60微米厚的单晶硅太阳能电池可以像A4纸一样折叠，最小弯曲半径小于5mm；单晶硅太阳能电池也可以反复弯曲，弯曲角度超过360度。基于技术突破和结构设计方案的形成，研究团队进一步实现了柔性单晶硅太阳能电池的制造，验证了批量生产的可行性，为轻柔性单晶硅太阳能电池的发展提供了可行的技术路线。

论文通讯作者、中国科学院上海微系统研究所狄增峰研究员解释说，对于表面尖锐的“V“对太阳能电池硅片断裂行为的理解激发了研究团队改变硅片边缘区域的形状，并将“尖锐”V“字形沟槽处理成光滑”U通过有效抑制应变断裂行为，可以有效分散弯曲应变，提高硅片的柔韧性，最终实现高效、轻质、柔性的单晶硅太阳能电池。

中国科学院上海微系统研究所研究员刘正新表示，由于“平滑策略”仅在硅片边缘实施，基本不影响太阳能电池的光电转换效率，可显著提高太阳能电池的灵活性，未来在空间应用、绿色建筑、便携式电源等方面具有广阔的应用前景。

据了解，20世纪50年代，美国贝尔实验室发明了单晶硅太阳能电池，利用单晶硅晶圆实现太阳能转化为电能的突破，并成功用于人造卫星，但当时的光电转化效率只有5%左右。近年来，通过材料结构工程和高端设备开发的协同创新，研究人员将单晶硅太阳能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下降，在我国大部分地区实现了平价互联网接入。(完)

(原标题:硅片“力学短板”成功破解 实现柔性太阳能电池制造的中国科学家)