太陽電池可以隨意折疊、任意彎曲嗎？來自中國科學(xué)院的最新消息說，中國科學(xué)家最新完成的一項研究給出了肯定的答案，他們通過合作成功破解了硅片的“力學(xué)短板”，顯著提升硅片“柔韌性”，研發(fā)出柔性單晶硅太陽電池技術(shù)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)柔性單晶硅太陽電池制造，并已驗(yàn)證批量生產(chǎn)的可行性。
這項柔性太陽電池領(lǐng)域重要技術(shù)突破及應(yīng)用的成果論文，由中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所(中科院上海微系統(tǒng)所)領(lǐng)銜并聯(lián)合長沙理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、南京師范大學(xué)、沙特阿美石油公司等合作完成，北京時間5月24日夜間在國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》(Nature)上以封面文章形式在線發(fā)表。同時，該研究團(tuán)隊開發(fā)的大面積柔性光伏組件，已經(jīng)成功應(yīng)用于臨近空間飛行器、建筑光伏一體化和車載光伏等領(lǐng)域。
中科院上海微系統(tǒng)所介紹說，近年來，單晶硅太陽電池在光伏市場的占有率上升到95%以上，除常規(guī)太陽電池在地面光伏電站和分布式光伏的大規(guī)模應(yīng)用以外，柔性太陽電池在可穿戴電子、移動通訊、車載移動能源、光伏建筑一體化、航空航天等領(lǐng)域也具有巨大的發(fā)展空間，但此前，中外尚未開發(fā)出商用的高效、輕質(zhì)、大面積、低成本柔性太陽電池滿足該領(lǐng)域的應(yīng)用需求。
基于此，中科院上海微系統(tǒng)所2010年成立新能源技術(shù)中心，10多年來持續(xù)聚焦非晶硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的研究開發(fā)，已取得眾多原創(chuàng)性科研成果，其中多項重要研究成果在大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化、臨近空間開發(fā)、極地科考站可再生能源供電等領(lǐng)域都獲得規(guī)模化應(yīng)用。
在本項研究中，中科院上海微系統(tǒng)所領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊通過高速相機(jī)觀察發(fā)現(xiàn)，單晶硅太陽電池在彎曲應(yīng)力作用下的斷裂總是從單晶硅片邊緣處的“V”字型溝槽開始萌生裂痕，該區(qū)域被定義為硅片的“力學(xué)短板”。
根據(jù)這一現(xiàn)象，研究團(tuán)隊創(chuàng)新開發(fā)出邊緣圓滑處理技術(shù)，將硅片邊緣的表面和側(cè)面尖銳的“V”字型溝槽處理成平滑的“U”字型溝槽，改變介觀尺度上的結(jié)構(gòu)對稱性，結(jié)合有限元分析、動態(tài)應(yīng)力載荷下的分子動力學(xué)模擬和球差透射電子顯微鏡的殘余應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)單晶硅的“脆性”斷裂行為轉(zhuǎn)變成“彈塑性”二次剪切帶斷裂行為。同時，由于圓滑處理只限于硅片邊緣區(qū)域，不影響硅片表面和背面對光的吸收能力，從而保持了太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率不變。
研究團(tuán)隊表示，破解硅片“力學(xué)短板”的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，可以顯著提升硅片的“柔韌性”：60微米厚度的單晶硅太陽電池可以像A4紙一樣進(jìn)行折疊操作，最小彎曲半徑達(dá)到5毫米以下；該單晶硅太陽電池也可以進(jìn)行重復(fù)彎曲，彎曲角度超過360度。以此次技術(shù)突破和形成結(jié)構(gòu)設(shè)計方案為基礎(chǔ)，研究團(tuán)隊通過簡單工藝處理又進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了柔性單晶硅太陽電池制造，并在量產(chǎn)線驗(yàn)證了批量生產(chǎn)的可行性，從而為輕質(zhì)、柔性單晶硅太陽電池的發(fā)展提供了一條可行的技術(shù)路線。
論文通訊作者、中科院上海微系統(tǒng)所狄增峰研究員解釋指出，對于具有表面尖銳“V”字型溝槽的太陽電池硅片斷裂行為的認(rèn)識，啟發(fā)了研究團(tuán)隊針對硅片邊緣區(qū)域進(jìn)行形貌改變，將尖銳“V”字型溝槽處理成圓滑“U”字型溝槽，從而讓彎曲應(yīng)變能夠有效分散，并通過有效抑制應(yīng)變斷裂行為，提升硅片的柔韌性，最終實(shí)現(xiàn)高效、輕質(zhì)、柔性的單晶硅太陽電池。
論文通訊作者、中科院上海微系統(tǒng)所劉正新研究員表示，由于“圓滑策略”僅在硅片邊緣實(shí)施，基本不影響太陽電池的光電轉(zhuǎn)化效率，又能夠顯著提升太陽電池的柔性，未來在空間應(yīng)用、綠色建筑、便攜式電源等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
據(jù)了解，二十世紀(jì)五十年代，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明單晶硅太陽電池，利用單晶硅晶圓實(shí)現(xiàn)太陽光能轉(zhuǎn)換成電能的突破，并成功用于人造衛(wèi)星，但當(dāng)時的光電轉(zhuǎn)換效率僅有5%左右。近幾年，研究人員通過材料結(jié)構(gòu)工程和高端設(shè)備開發(fā)的協(xié)同創(chuàng)新，將單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高到26.8%，接近理論極限29.4%，且制造成本和綜合發(fā)電成本大幅度下降，在中國大部分地區(qū)達(dá)到平價上網(wǎng)。
來源：中國新聞網(wǎng)
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