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，將太陽能轉化為電能的光伏產業高速發展。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點。其一，硅元素是地球上含量最多的半導體元素，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半導體領域已非常成熟，可直接借鑒。

然而，事無完美。單晶硅太陽電池有一個嚴重缺陷——它很“脆弱”。在力學上，稍微給它一個彎曲的應力，或者運輸過程中有震動，都可能導致其直接碎裂。這限制了單晶硅太陽電池的應用場景。

近期，中國科學院上海微系統與信息技術研究所(以下簡稱上海微系統所)的科研團隊成功開發出柔性單晶硅太陽電池，實現了里程碑式的跨越。5月24日，相關論文在《自然》在線發表，并被選為當期封面。這也是單晶硅太陽電池發明69年來，首篇發表于《自然》的純單晶硅太陽電池長篇研究論文。

從“V”到“U”，實現力學性能的蛻變

把單晶硅太陽電池變成柔性的，實現“哪里需要貼哪里”，是業內許多人的理想。

在學生時期，該論文第一作者、上海微系統所副研究員劉文柱就考慮過這個問題。后來，在多次學術會議上，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。”這刺激他下定決心開發柔性單晶硅太陽電池。

為把不可能變為可能，劉文柱和合作者開啟了漫漫實驗路。

硅太陽電池原本是一個平面，反光嚴重，要提升其發電效率，就必須減少光反射。常用做法是把硅片放在化學溶劑里處理，其表面會出現很多金字塔狀的微米結構，光在這些結構中來回反射，使得大多數光進入硅片中，進而對發電作貢獻。

“我們發現，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《中國科學報》。

研究團隊將硅片進行了簡單的化學處理，通過各向同性化學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變有效分散，從而抑制應變斷裂行為，提升硅片的柔韌性。”論文通訊作者、上海微系統所研究員狄增峰介紹說。

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

研究團隊選擇從硅片碎裂的全部細節中尋找突破口。這就需要一臺一秒可以連續拍攝100萬張照片的超高速相機。劉文柱把樣品寄給了曾經同在沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學流體力學團隊的師弟楊自強。楊自強用超高速相機將硅片在彎曲應力下斷裂的過程全部呈現了出來。

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

由此，研究團隊創新開發了邊緣圓滑處理技術。他們將幾十個、幾百個甚至更多的硅片摞在一起，結合等離子體腐蝕法，將硅片邊緣表面和側面尖銳的“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紙一樣進行折疊，最小彎曲半徑達5毫米以下，也可以重復彎曲，彎曲角度超過360度。

“由于圓滑處理技術僅在硅片邊緣實施，基本不影響太陽電池的光電轉化效率，同時還能顯著提升太陽電池的柔性，未來在空間應用、綠色建筑、便攜式電源等領域具有廣闊的應用前景。”論文通訊作者、上海微系統所研究員劉正新表示。

證據充分，令審稿人心服口服

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

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

在第一輪審稿中，一位審稿人給出了很高的評價，認為“這是未來光伏領域的突破性發現”，而另一位審稿人雖然沒直接拒稿，卻提出了很多細節問題。

“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，發表在《自然》上是公平的。”

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

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

撬動巨大的柔性光伏市場

一項技術是否可靠，需要多方驗證。研究團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，研究團隊還進行了更“狠”的操作。光伏的國際標準是IEC標準，也就是說，光伏材料必須達到在零下40℃到85℃間運行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準還嚴苛，讓單晶硅太陽電池在零下70℃到85℃間連續循環120個小時，結果發現功率衰減很少。”劉文柱說。

“現在，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的。”劉文柱說。

據悉，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。

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

相關論文信息：

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