近日，国际顶级学术杂志《自然》主刊以封面文章形式刊发由中国科学院上海微系统与信息技术研究所、长沙理工大学等机构合作完成的突破性研究成果。论文题目为Flexible solar cells based on foldable silicon wafers with blunted edges。文中，围绕晶硅太阳能电池制备中的关键科学问题，研究团队采用先进的双球差校正透射电子显微镜（以下简称TEM）表征技术，揭示了基片从本征“脆性”向轻质“柔性”转变的微观机理，为研发更轻质、更高效率、更低成本，可突破传统应用场景的柔性晶硅太阳能电池奠定了理论基础。
5月24日《自然》以封面文章形式刊发以刘小春科研团队和国内外多家科研机构团队合作完成的突破性研究成果
中国科学院上海微系统与信息技术研究所（以下简称中科院上海微系统所）的研究团队通过高速相机观察发现，单晶硅太阳电池在弯曲应力作用下的断裂总是从单晶硅片边缘处的“V”字型沟槽开始萌生裂痕，该区域被定义为硅片的“力学短板”。根据这一现象，研究团队创新地开发了边缘圆滑处理技术，将硅片边缘的表面和侧面尖锐的“V”字型沟槽处理成平滑的“U”字型沟槽，改变介观尺度上的结构对称性，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”断裂行为转变成“弹塑性”二次剪切带断裂行为。同时，由于圆滑处理只限于硅片边缘区域，不影响硅片表面和背面对光的吸收能力，从而保持了太阳电池的光电转换效率不变。该结构设计方案可以显著提升硅片的“柔韧性”，60微米厚度的单晶硅太阳电池可以像A4纸一样进行折叠操作，最小弯曲半径达到5毫米以下；也可以进行重复弯曲，弯曲角度超过360度。
晶硅太阳能电池以晶硅为基体材料，是目前最广泛应用于光伏产业的太阳能电池。在科学界与工程界，晶硅太阳能电池被公认为一种脆性电池，虽已广泛存在于地面等人们熟知的生活场景，但因其不可弯折等特性，仍受限于太空等应用场景。不断提升晶硅太阳能电池的效率、拓宽其适用场景成为全世界光伏产业的共同愿景。
第一通讯作者和第一作者、中国科学院上海微系统与信息技术研究所副研究员、长沙理工大学客座教授刘文柱创新性地采用硝酸/氢氟酸化学钝化法和等离子体各向同性刻蚀方法，制备出可大角度弯折的太阳能电池模组。
长沙理工大学刘小春团队从理论上阐述了柔性太阳能电池模组的内在变形与断裂机理。刘玉敬采用泽攸科技提供的原位TEM探针样品杆，对硅基片进行TEM原位弯曲测试，观察到传统晶硅太阳能电池表面呈金字塔谷的应力集中现象，这与百万级原子动态分子动力学模拟实验相吻合，证实了曲率半径小的金字塔谷易造成应力集中效应，从而导致传统硅太阳能电池无法承受弯曲应力，呈现“脆性”的微观机理。
“‘金字塔谷’是造成应力集中和失效的根源，但对晶硅材料进行结构钝化处理可改变硅基片的断裂方式。我们发现，钝化后的硅基片在断裂过程中会消耗更多能量，从而使晶硅具备了‘柔性’特质。当然，这一结论也得到了几何相位分析方法的验证。”刘小春说。
太阳能电池硅基片金字塔尖和塔谷进行钝化处理前后形貌对比：（A）处理前，（B）处理后，以及（C）可弯曲柔性硅基片及太阳能电池实物图
钝化处理前后太阳能电池片弯曲变形断裂形貌，及断裂面下方原子尺度结构和几何相位分析应变分布：钝化处理前（a,c,e,f）与钝化处理后（b,d,g,h）
本文通讯作者狄增峰研究员介绍道:“对于具有表面尖锐‘V’字型沟槽的太阳电池硅片断裂行为的认识，启发了研究团队针对硅片边缘区域进行形貌改变，将尖锐‘V’字型沟槽处理成圆滑‘U’字型沟槽，从而让弯曲应变能够有效分散，有效抑制了应变断裂行为，提升了硅片的柔韧性，最终实现了高效、轻质、柔性的单晶硅太阳电池”。
本文通讯作者刘正新研究员介绍道:“由于圆滑策略仅在硅片边缘实施，基本不影响太阳电池的光电转化效率，同时能够显著提升太阳电池的柔性，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。”
上述研究为钝化处理硅基片这一创新工艺的产业化推广提供了坚实的理论支撑。当前基于该技术，其面积达240平方厘米、光电转化效率超24%、柔性可折叠的硅太阳能电池性能稳定，即使经过双面对折弯曲测试1000次后，功率仍然保持100%。当前，这一柔性太阳能电池板已成功应用于南极科考站可再生能源供电系统等场景。展望未来，这一技术的突破或将带来大规模柔性太阳能电池的爆炸式增长。
本工作研发的柔性硅太阳能电池成功应用于我国南极科考站供电系统：罗斯海新站和泰山站
据悉，本次在《自然》杂志上发表的柔性硅太阳能电池原创性科研成果，由来自长沙理工大学、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中国科学院航空航天信息研究所、通威太阳能（四川）有限公司和上海科技大学等国内外20家科研机构与企业的47名科学家、企业家共同完成。该研究得到了国家自然科学基金委、上海市科学技术委员会、张江国家实验室和长沙理工大学科研启动资金的支持。
来源：长沙理工大学、上海微纳所
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05921-z
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