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中科院团队开发柔性单晶硅太阳电池，已成功验证批量生产可行性

时间：2024-10-28 08:35:51 来源：Virginia Sara(h)网作者：知识阅读：366次

原标题：中科院团队开发柔性单晶硅太阳电池，中科证批已成功验证批量生产可行性 “这是院团已成几十来首篇在 Nature 发表的单晶硅太阳电池方向的长篇研究论文。我们将单晶硅这种脆性材料做得可以像 A4 纸那样折起来，队开电池同时工业尺寸单晶硅太阳电池效率达到 24.5% ，发柔是性单行性目前文献报道的最高水平。”在中国科学院上海微系统与信息技术研究所刘文柱副研究员表示。晶硅这是太阳他从事科研工作的第十年，第九篇论文第一次以封面文章的功验形式刊登。论文上线后的量生一天内，他的中科证批微信中塞满了 800 多条信息，让他直呼：“实在没想到这个研究引起这么高的院团已成关注度。” 图丨刘文柱（来源：刘文柱）晶体硅（c-Si）太阳能电池被认为是队开电池最成熟的光伏技术，其产业应用也最为广泛。发柔但实际上，性单行性高端学术期刊往往更喜欢新颖的晶硅材料，比如钙钛矿太阳电池。因此，几十年来鲜有单晶硅太阳电池成果在 Nature 杂志发表。据悉，这个让审稿人“眼前一亮”的论文，从投稿到“原则性”接收出奇地顺利，仅用了五个月时间。审稿人指出，在曲率半径很小的太阳电池应用场景，该工作将成为“游戏规则”的改变者。另一位审稿人则表示：“无论从哪个角度该科研工作都是一流水平的，我认为发表在 Nature 杂志是公正的。” 图丨Nature 当期封面（来源：Nature）柔性太阳电池的市场发展空间广阔，其应用场景包括常规太阳电池在地面大规模光伏电站、分布式光伏、柔性电子、移动通讯、车载移动能源、光伏建筑一体化、航空航天等领域。然而，虽然硅电池在近 70 年前就被开发出来，但它们的使用仍然有限。该领域在产业化方面却迟迟“没有动静”，尚未研发出高效、轻质、大面积、低成本的柔性单晶硅太阳电池。近期，中国科学院上海微系统与信息技术研究所（以下简称“上海微系统所”）的研究团队针对单晶硅片很容易碎裂的力学问题，提出了一种新的结构设计方案，能使硅片的柔韧性明显提升。最终，实现了高效、轻质、柔性硅太阳电池，并导入实际量产线成功验证。该研究利用简单工艺处理就可制作柔性单晶硅太阳电池，为柔性半导体电子技术应用提供了一种新的技术路径，其优势体现在小曲率半径可折叠操作及可实现“卷起来” 。具体来说，60 微米厚的硅片能完成类似于 A4 纸折叠的动作，最小弯曲半径可实现 5 毫米以下；也能不断弯曲甚至“卷起来”，其弯曲角度逾 360 度。图丨柔性单晶硅太阳电池成功应用于临近空间飞行器、光伏建筑一体化、车载光伏等领域（来源：刘文柱）不仅是“从 0 到 1”的科研成果突破，该团队还在量产线成功验证了工艺放大生产的可行性。并且，相较于传统的双玻组件，相关柔性光伏组件的质量功率比值下降了 95% 以上。技术应用方面，目前，这种大面积柔性光伏组件已在高空飞行器、建筑光伏一体化和车载光伏等领域成功应用。并且，还在众多领域表现出应用潜力，例如空间应用、绿色建筑、便携式电源等。此外，柔性硅电池还可代替感光材料用来做机器人的眼睛，甚至在仿生领域也有应用的可能。图丨相关论文（来源：Nature）日前，相关论文以《基于带钝边的可折叠硅片的柔性太阳能电池》（Flexible solar cells based on foldable silicon wafers with blunted edges）为题，以封面文章形式发表于Nature[1] 。上海微系统所刘文柱副研究员为论文的第一作者兼通讯作者，长沙理工大学刘玉敬副教授、沙特阿美石油公司杨自强博士和南京师范大学徐常清教授为该论文共同第一作者，由上海微系统所狄增峰研究员、刘正新研究员担任论文的共同通讯作者。解决硅片“力学短板”问题该研究的灵感来源于日常生活场景。刘文柱注意到，人们每次在撕开食品袋之前，都会去寻找袋口处预留的 “V” 型缺口，因为那里撕开食品袋最容易。于是，他马上联想到“硅片的碎裂是不是也是这样” 。虽然断裂现象在硅片中很常见，但是人的眼睛无法捕捉到全部信息，在微秒级别中会发生什么呢？该研究充分体现了学科交叉的重要性。团队成员从流体力学角度出发，利用高速相机发现，单晶硅片在弯曲应力作用下的断裂是有规律的。他们观察到，在硅片边缘处的 “V” 字型沟槽往往容易产生裂痕，这个区域便是硅片的“力学短板”。根据这一发现，研究人员创新地采用湿法化学反应和干法等离子体反应圆滑处理两种技术方案，通过表面的各向同性反应。图丨 a, 柔性太阳电池硅片弯曲半径小于 5 毫米；b，柔性太阳电池弯曲角度超过 360 度（来源：Nature）既然硅片边缘表面和侧面尖锐的 “V” 字型沟槽带来诸多不变，该团队就想办法在关键问题上突破。他们将 “V” 字型沟槽转变为平滑的 “U” 字型沟槽，从而修饰硅片边缘尖锐的沟槽结构、改变了硅片边缘和侧面在介观尺度上的结构对称性，最终电池的抗弯曲能力也提升了很多。其中，还用到了金属领域常用的分析残余应力的方法，进而了解到它的断裂机制。为弄清结果背后的机理，刘文柱与北京航空航天大学丁彬副教授合作在分子动力学模型表面建立 “V” 字型、“U” 字型不同的结构，在强行施加外力后，观察其如何断裂。“我们发现它确实从笔直的断裂变为 S 型的弯曲断裂，这与我们用电子显微镜观测到的现象完全一致。”他说。谈及研究中最大的挑战，刘文柱表示：“前期可参考的相关文献很少，我们做了很多不同的尝试，最终才找到了湿法化学处理技术和一种干法等离子体处理技术，都实现了电池力学性能提升的目的。” 为柔性半导体电子技术应用提供新技术路径实际上，刘文柱在博士期间就已经开始构想这个课题，但当时是以解决产业的实际问题为出发点，并没有着急发论文。 “直到在学术会议讨论时，当我说出‘柔性硅电池’这个概念，大家对这个技术都很感兴趣，并提出很多问题。我才意识到，这可能是一个重要的课题，因此我们也尝试去探索是不是可以用它替代昂贵的砷化镓太阳电池。”刘文柱回忆道。当技术进入实际操作阶段，他们才开始进行论文撰写工作。 “我认为该研究有可能会引领一次柔性光伏技术的发展趋势，或加速柔性光伏领域市场的发展速度。”刘文柱说。图丨柔性单晶硅太阳电池（来源：刘文柱）那么，柔性硅电池是不是意味着在玻璃分装后意义不大呢？刘文柱指出，实际上柔性硅电池并不需要玻璃分装，这种硅电池两边都是用透明的有机物分装，进而做成质量非常轻的组件，也因此它的应用场景广泛。虽然该研究取得了显著的成果，但同时也有一些问题仍需要解决。在柔性硅电池作为车载能源方面，它可以为空调、车灯等提供能量并且具有抗震的功能。“但是，如果它面对高速冰雹，除非有玻璃替它‘扛着’，以其高度柔性很容易被冰雹震碎。”他说。另一方面，在飞行器应用场景下，高能粒子辐射可能会对柔性硅电池带来较大损伤。因此在这两个方向上，该团队也正在探索相关的解决方案。在“古老”的方向上坚守十年早在十几年前，上海微系统所前任所长王曦院士就意识到能源问题是未来发展趋势，并为此提前做好了相关规划。2010 年，上海微系统所新能源技术中心成立，主要从事非晶硅/单晶硅异质结太阳电池方面的研究。十几年后的今天，该团队的硅异质结太阳电池等多项重要研究成果已经实现了产业化，并在临近空间应用开发、南极极地科考等领域规模化应用。刘文柱表示：“柔性硅异质结技术的相关专利已经 PCT 到美国、欧盟、日本，我们在寻找合适的资本合作方继续推进产业化进程。” 刘文柱本科毕业于山东大学，在完成中国科学院大学博士阶段学习后，到沙特阿卜杜拉国王科技大学进行博士后研究工作。机遇和选择有时候是件有意思的事，其实，走上科研之路并非他的“第一选择”。在结束博士后研究后，他打算去企业工作。然而，就在一切准备就绪时，另一份科研工作邀请“截胡”了原计划。2020 年，他加入中国科学院上海微系统与信息技术研究所，目前是副研究员、硕士生导师。虽然择业上有“小插曲” ，但是在研究方向上，刘文柱却十年始终坚持在研究硅电池这个“古老的方向”上。“实际上硅电池发好的论文特别难，这期间也有不少人劝我去做钙钛矿的研究，但我觉得还是要有自己的坚持。”他说。幸运的是，刘文柱所在课题组的研究经费充足，每年大概有几百万元。因此，在课题研究方面并不会给他太多压力，所以这反而使他有了充分的空间，去按自己的想法解决问题。他始终认为，应该多去尝试那些“从 0 到 1” 的研究。“并且，我也鼓励我的学生去做从 1 到 100 的工作。” 此前，刘文柱在国际上首次发现了非晶硅的反常 Staebler-Wronski 效应，并揭示光照对硅太阳电池性能影响背后的物理根源[2]。针对非晶硅/晶体硅异质结太阳电池太阳电池中的掺杂硅薄膜，他仔细重复施泰布勒和朗斯基的实验。值得关注的是，他们不仅没有观察到 Staebler-Wronski 效应，反而“意外”地发现，光照能显著地提升薄膜的暗电导率，这是明显的反常 Staebler-Wronski 效应（DeepTech 此前报道：Nature Energy ：硅太阳电池“晒一晒”效率更高，上海微系统所团队揭示光照对硅太阳电池性能影响背后的物理根源）。 “未来几年，我们会继续努力推动柔性光伏技术，同时会着力解决一些硅异质结领域遇到的基础科学问题，支撑产业过程中技术攻关克难。”刘文柱最后说道。参考资料： 1.Liu, W., Liu, Y., Yang, Z. et al. Flexible solar cells based on foldable silicon wafers with blunted edges. Nature 617, 717–723 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05921-z 2.Liu, W., Shi, J., Zhang, L. et al. Nature Energy (2022). https://doi.org/10.1038/s41560-022-01018-5返回搜狐，查看更多责任编辑：

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