可超360度弯曲，中国科学家开发出像纸一样的太阳能电池 ...

蔠夜 · 发表于 2023-6-2 06:45:01

界面新闻实习记者高菁: m8 z9 J) w' }! E- x3 P6 Z* P

中国科学家开发的柔性单晶硅太阳电池技术，登上了《自然》（Nature）期刊封面。
据上海市科学技术委员会5月25日消息，中国科学院上海微系统与信息技术研究所近日成功开发柔性单晶硅太阳电池技术。该技术能够显著提升硅片的“柔韧性”，使60微米厚度的柔性单晶硅太阳能电池可以像纸一样进行弯曲、折叠。
该项研究成果被刊发在5月24日的《自然》期刊上，并被选为当期封面。该期刊是全球最有名望的科学杂志之一。

《自然》杂志封面图片来源：《自然》杂志

单晶硅太阳电池最早由美国研究者在上世纪50年代发明出来，并用于人造卫星，当时的光电转换率仅5%左右。
经过数十年的发展，单晶硅太阳电池已成为光伏行业采用的主流技术。目前，单晶硅太阳电池的光电转换率已提升至26.8%，接近理论极限29.4%，在光伏市场的占有率也上升到95%以上。
光伏转换率是指太阳能电池将太阳能转化为电能的效率，是太阳能电池性能的重要指标之一。转换率越高，太阳能电池的性能就越好。
目前，单晶硅太阳能电池主要应用于分布式光伏电站与地面光伏电站，在可穿戴电子、车载移动能源、建筑等领域仍存在巨大的发展空间。
由于脆性特质，弯曲应力、震动都有可能导致其断裂，单晶硅太阳能电池在一些应用场景中存在限制。
中国科学院上海微系统与信息技术研究所（下称研究团队）通过高速相机，发现单晶硅在弯曲应力作用下发生断裂时，总是从边缘的“V”字型沟槽处开始，说明此区域为单晶硅的“力学短板”。
上述论文指出，通过钝化“V”字型沟槽的锐度，可以控制单晶硅的断裂行为，改变其在弯曲载荷下的应力状态和变形机制。
基于此，研究团队创新开发出了边缘圆滑处理技术，将硅片边缘表面和侧面尖锐的“V”字形沟槽处理成平滑的“U”字形沟槽。
处理后的单晶硅的断裂方式发生了改变，从“脆性”断裂行为转变成“弹塑性”二次剪切带断裂行为，后者更不易断裂，可以像纸张一样进行折叠、弯曲，弯曲角度可超360度。

弯曲角度超过360度图片来源：论文《Flexible solar cells based on foldable silicon wafers with blunted edges》

上述论文内容显示，这种边缘钝化技术能够实现商业化大规模（>240 cm²）生产柔性单晶硅太阳电池，转换效率大于24%。
通过运行稳定性测试发现，这些电池在经过1000次侧向弯曲循环后仍能保持百分百的功率转换效率。组装成大型（>10000 cm²）柔性模块的电池，在经历120小时的热循环（-70°C~85°C）后，平均相对功率损失只有0.32%。
此外，当它们附着在一个软气囊上并暴露于空气流中20分钟后，功率仍能保留96.03%。该实验主要是模拟风暴期间的风吹情况。
上述研究团队称，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，该电池技术未来在空间应用、绿色建筑、便携式电源等方面具有广阔的应用前景。

电池（模块）在极端条件下的运行稳定性图示图片来源：论文《Flexible solar cells based on foldable silicon wafers with blunted edges》

此前，薄膜太阳能电池是使用率较高的柔性太阳能电池。这是一种使用薄膜制备成的电池。但其光电转换效率较低，应用受到限制。国内外不少从事薄膜太阳能电池的企业都以失败告终。
美国Solyndra公司以基于铜铟镓硒（CIGS）的圆柱形薄膜太阳能电池为主要产品，但由于成本过高、效率过低、市场竞争激烈等原因，无法与传统的晶体硅太阳能电池相抗衡，最终于2011年宣布破产。
曾经的太阳能电池制造龙头Q-Cells，也在2012年宣布破产。其子公司Solibro专门生产基于铜铟镓硒的薄膜太阳能电池，也在2019年申请了破产。Q-Cells后被韩国的Hanwha集团收购，并更名为Hanwha Q-Cells。
中国企业汉能集团，曾是全球最大的薄膜太阳能电池制造商之一，也最终走向破产。

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