能像紙一樣彎曲折疊的太陽能電池

李忠東

如今，太陽能電池在很多領(lǐng)域廣泛應用。有同學或許會問：太陽能電池能否應用在手機等電子設備或衣、鞋、帽等可穿戴用品上？要做到這一點，太陽能電池必須具備高效率、高穩(wěn)定性和高柔韌性。那么，有沒有辦法讓太陽能電池變得柔軟起來呢？有！前不久，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的科研團隊成功研制出了像紙片一樣能彎曲和折疊的高柔韌性太陽能電池。

易碎的單晶硅太陽能電池

太陽能電池的核心材料是硅，它可以將太陽光轉(zhuǎn)化為電能。硅有多晶硅和單晶硅兩種形態(tài)。單晶硅太陽能電池是當前開發(fā)最快的一種太陽能電池，具有使用壽命長、制備工藝完善以及轉(zhuǎn)化效率高的優(yōu)點，是光伏市場的主導產(chǎn)品，目前在光伏市場的占有率達95%以上。早在20世紀50年代，美國貝爾實驗室就發(fā)明了這種太陽能電池，并成功應用于人造衛(wèi)星。當時的光電轉(zhuǎn)換效率很低，僅有5%左右。近幾年，研究人員已將單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高到26.8%，接近理論極限效率29.4%，制造成本和綜合發(fā)電成本大幅下降。

單晶硅太陽能電池雖然很好，但是非常脆弱，不能彎曲或折疊。單晶硅的結(jié)構(gòu)很規(guī)整，所以稍微給它一個彎曲的外力或者在運輸過程中有振動，都可能導致其晶體內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。尤其是要把它做得更薄一些的時候，更容易破碎。因此，單晶硅太陽能電池通常需要加上厚重的玻璃或塑料保護層，而這大大增加了其質(zhì)量和體積，使其應用場景非常有限。

折疊1000次功率不減

中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所劉文柱團隊和長沙理工大學劉小春團隊通過高速相機觀察發(fā)現(xiàn)，在硅晶片上形成微米級金字塔結(jié)構(gòu)，可以增加其對光的吸收和反射，提高其光電轉(zhuǎn)換效率。但是，在金字塔結(jié)構(gòu)之間存在著尖銳的“V”形溝槽，彎曲時會導致晶片開裂。該區(qū)域被定義為晶片的“力學短板”。

為了對脆弱的單晶硅太陽能電池進行改造，開發(fā)出高效、輕質(zhì)、大面積、低成本的高柔韌性太陽能電池，研究團隊創(chuàng)新地開發(fā)了邊緣圓滑處理技術(shù)：在單晶硅片邊緣的表面和側(cè)面進行特殊的切割和拋光，將尖銳的“V”形溝槽處理成平滑的“U”形溝槽。這樣一來，當單晶硅片彎曲時，邊緣處受到的外力就會分散到曲面上，而不會集中在尖銳的角落里，大大降低了單晶硅片斷裂的風險，提高了其柔韌性。由于圓滑處理只限于硅片邊緣區(qū)域，不影響表面和背面對光的吸收能力，從而保持了光電轉(zhuǎn)換效率不變。

在制作過程中，研究團隊采用超薄的單晶硅薄片作為主要材料，通過特殊的切割和轉(zhuǎn)移技術(shù)，將其粘貼在聚合物基底上，制作出了面積超過240平方厘米、效率超過24%的單晶硅太陽能電池，并將它們組裝成超過1萬平方厘米的柔性模塊；采用透明導電氧化物作為正極和負極，通過激光劃線技術(shù)將單晶硅薄片分割成多個小單元，并通過金屬網(wǎng)連接起來，形成串聯(lián)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)；采用透明聚合物作為封裝層，保護太陽能電池免受水分和氧氣的侵蝕。

這種高柔韌性單晶硅太陽能電池的厚度只有60微米，比市面上大多數(shù)單晶硅太陽能電池薄很多，可以像紙一樣進行彎曲、折疊，最小彎曲半徑達5毫米以下，并可重復彎曲，而且物理強度更好，能應對溫度和濕度等因素的變化。

根據(jù)國際標準，光伏材料必須滿足在-40～85℃運行20年或25年、性能衰減不超過15%的要求。研究團隊做的實驗則更加嚴苛，讓高柔韌性單晶硅太陽能電池在-70～85℃連續(xù)循環(huán)120個小時，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其功率衰減很少。整個大硅片無論怎么彎曲，都能恢復如初，保持高效率（20.5%）和高穩(wěn)定性。哪怕折疊1000次，功率也沒有絲毫衰減。

開拓太陽能電池新應用

高柔韌性單晶硅太陽能電池突破了傳統(tǒng)太陽能電池的局限性，它不僅具有單晶硅太陽能電池的優(yōu)點，而且因為超薄且能像紙張那樣進行彎曲和折疊，大大提高了使用的適應性，能在許多領(lǐng)域和場景中發(fā)揮作用。

在傳統(tǒng)應用中，高柔韌性單晶硅太陽能電池能為分布式光伏電站與地面光伏電站等提供新的發(fā)展契機，可大幅減少太陽能電池的質(zhì)量和體積，從而節(jié)省材料和運輸成本；能夠適應各種復雜和變化的表面形狀，提高太陽能電池的集成度和美觀度。當前，這一高柔韌性太陽能電池已規(guī)?；瘧糜谀蠘O科考站可再生能源供電系統(tǒng)等領(lǐng)域。

在移動通信領(lǐng)域，高柔韌性單晶硅太陽能電池可以作為手機、平板電腦、智能手表等設備的充電器或輔助電源，提供持續(xù)穩(wěn)定的供電，并減少對外部充電設施的依賴；在車載移動能源領(lǐng)域，能夠成為汽車等交通工具的附加發(fā)電裝置，提高其續(xù)航里程，降低碳排放；在航空航天領(lǐng)域，可作為飛機、無人機、衛(wèi)星等飛行器的主要或輔助動力來源，提供長時間穩(wěn)定、可靠的供電，并減輕其質(zhì)量；在建筑領(lǐng)域，可作為建筑物外墻或屋頂?shù)囊徊糠?，實現(xiàn)光伏建筑一體化，既美觀又實用，并節(jié)省土地資源；還可以應用于戶外運動、農(nóng)業(yè)灌溉、災難救援等場景中，提供便捷靈活的供電方案，增加安全性和可靠性。

多方探索柔性太陽能電池

在柔性太陽能電池研發(fā)方面，我國科學家一直在努力，且取得了不少創(chuàng)新性成果。例如，哈爾濱工業(yè)大學研制的“基于形狀記憶聚合物智能復合材料結(jié)構(gòu)的可展開柔性太陽能電池系統(tǒng)”，應用在實踐二十號衛(wèi)星上，隨長征五號火箭成功飛天，完成了關(guān)鍵技術(shù)試驗，在國際上首次實現(xiàn)了這種電池的在軌可控展開。

目前，大多數(shù)太陽能電池都是針對可見光進行吸收，占太陽光52%的近紅外光并未得到高效利用。中國科學技術(shù)大學熊宇杰團隊對商用硅片進行納米化處理，并結(jié)合銀納米片的近紅外光吸收性能，制造出一種可在近紅外區(qū)域進行光電轉(zhuǎn)換且具有力學柔性的太陽能電池，光電轉(zhuǎn)換效率提高了59%，能夠折疊、卷曲并可以粘貼在汽車玻璃、屋頂、衣服等曲面上。