李忠東

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

易碎的單晶硅太陽(yáng)能電池

太陽(yáng)能電池的核心材料是硅，它可以將太陽(yáng)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(yáng)能電池是當(dāng)前開發(fā)最快的一種太陽(yáng)能電池，具有使用壽命長(zhǎng)、制備工藝完善以及轉(zhuǎn)化效率高的優(yōu)點(diǎn)，是光伏市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品，目前在光伏市場(chǎng)的占有率達(dá)95%以上。早在20世紀(jì)50年代，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室就發(fā)明了這種太陽(yáng)能電池，并成功應(yīng)用于人造衛(wèi)星。當(dāng)時(shí)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(yáng)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(yáng)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(gè)彎曲的外力或者在運(yùn)輸過(guò)程中有振動(dòng)，都可能導(dǎo)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(shí)候，更容易破碎。因此，單晶硅太陽(yáng)能電池通常需要加上厚重的玻璃或塑料保護(hù)層，而這大大增加了其質(zhì)量和體積，使其應(yīng)用場(chǎng)景非常有限。

折疊1000次功率不減

中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所劉文柱團(tuán)隊(duì)和長(zhǎng)沙理工大學(xué)劉小春團(tuán)隊(duì)通過(guò)高速相機(jī)觀察發(fā)現(xiàn)，在硅晶片上形成微米級(jí)金字塔結(jié)構(gòu)，可以增加其對(duì)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(shí)會(huì)導(dǎo)致晶片開裂。該區(qū)域被定義為晶片的“力學(xué)短板”。

為了對(duì)脆弱的單晶硅太陽(yáng)能電池進(jìn)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(yáng)能電池，研究團(tuán)隊(duì)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(jìn)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(lái)，當(dāng)單晶硅片彎曲時(shí)，邊緣處受到的外力就會(huì)分散到曲面上，而不會(huì)集中在尖銳的角落里，大大降低了單晶硅片斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，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(duì)光的吸收能力，從而保持了光電轉(zhuǎn)換效率不變。

在制作過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)采用超薄的單晶硅薄片作為主要材料，通過(guò)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(guò)240平方厘米、效率超過(guò)24%的單晶硅太陽(yáng)能電池，并將它們組裝成超過(guò)1萬(wàn)平方厘米的柔性模塊；采用透明導(dǎo)電氧化物作為正極和負(fù)極，通過(guò)激光劃線技術(shù)將單晶硅薄片分割成多個(gè)小單元，并通過(guò)金屬網(wǎng)連接起來(lái)，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(hù)太陽(yáng)能電池免受水分和氧氣的侵蝕。

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

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，光伏材料必須滿足在-40～85℃運(yùn)行20年或25年、性能衰減不超過(guò)15%的要求。研究團(tuán)隊(duì)做的實(shí)驗(yàn)則更加嚴(yán)苛，讓高柔韌性單晶硅太陽(yáng)能電池在-70～85℃連續(xù)循環(huán)120個(gè)小時(shí)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其功率衰減很少。整個(gè)大硅片無(wú)論怎么彎曲，都能恢復(fù)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(méi)有絲毫衰減。

開拓太陽(yáng)能電池新應(yīng)用

高柔韌性單晶硅太陽(yáng)能電池突破了傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池的局限性，它不僅具有單晶硅太陽(yáng)能電池的優(yōu)點(diǎn)，而且因?yàn)槌∏夷芟窦垙埬菢舆M(jìn)行彎曲和折疊，大大提高了使用的適應(yīng)性，能在許多領(lǐng)域和場(chǎng)景中發(fā)揮作用。

在傳統(tǒng)應(yīng)用中，高柔韌性單晶硅太陽(yáng)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(jī)，可大幅減少太陽(yáng)能電池的質(zhì)量和體積，從而節(jié)省材料和運(yùn)輸成本；能夠適應(yīng)各種復(fù)雜和變化的表面形狀，提高太陽(yáng)能電池的集成度和美觀度。當(dāng)前，這一高柔韌性太陽(yáng)能電池已規(guī)?；瘧?yīng)用于南極科考站可再生能源供電系統(tǒng)等領(lǐng)域。

在移動(dòng)通信領(lǐng)域，高柔韌性單晶硅太陽(yáng)能電池可以作為手機(jī)、平板電腦、智能手表等設(shè)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(duì)外部充電設(shè)施的依賴；在車載移動(dòng)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(jī)、無(wú)人機(jī)、衛(wèi)星等飛行器的主要或輔助動(dòng)力來(lái)源，提供長(zhǎng)時(shí)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)囊徊糠郑瑢?shí)現(xiàn)光伏建筑一體化，既美觀又實(shí)用，并節(jié)省土地資源；還可以應(yīng)用于戶外運(yùn)動(dòng)、農(nóng)業(yè)灌溉、災(zāi)難救援等場(chǎng)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(yáng)能電池

在柔性太陽(yáng)能電池研發(fā)方面，我國(guó)科學(xué)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(xué)研制的“基于形狀記憶聚合物智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的可展開柔性太陽(yáng)能電池系統(tǒng)”，應(yīng)用在實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星上，隨長(zhǎng)征五號(hào)火箭成功飛天，完成了關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了這種電池的在軌可控展開。

目前，大多數(shù)太陽(yáng)能電池都是針對(duì)可見(jiàn)光進(jìn)行吸收，占太陽(yáng)光52%的近紅外光并未得到高效利用。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)熊宇杰團(tuán)隊(duì)對(duì)商用硅片進(jìn)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(jìn)行光電轉(zhuǎn)換且具有力學(xué)柔性的太陽(yáng)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。