電池，可以像紙一樣彎曲嗎？

鄒鑫宇

你好，我是Zem，世界上第一輛“ 碳中和汽車”。我全身采用環保、可循環利用的材料打造，在行駛過程中還會利用“直接空氣捕捉技術”一直吸收二氧化碳。

你看到了嗎？在我的頂部和引擎蓋上覆蓋有太陽能電池板，它能為我增加續航。

在我們的生活中，很多物品里都“藏著”太陽能電池，集熱器、路燈、電池板、電腦、計算器、充電寶……它們大多看起來、摸起來“硬硬的”。但你知道嗎？有一種太陽能電池，能像紙一樣卷起來，它可以彎曲、折疊、拉伸，能讓很多“軟軟的”物品可以借助太陽能 “續航”。

取自太陽的能量

隨著社會和經濟的加速發展以及人們消費的不斷增長，全球化的進程使得世界面臨環境污染與一定程度的能源危機。太陽能作為一種清潔、實用的新型綠色能源，引起了人們的極大關注。

太陽能電池起源于19 世紀，它是一種利用半導體材料的光電效應將太陽能轉換成電能的裝置。近百年來，太陽能電池發展出多條技術路線，主要可分為晶體硅太陽能電池、薄膜太陽能電池和新型太陽能電池。目前，晶體硅太陽能電池是光伏產業中最常見的太陽能電池，廣泛應用于人們熟知的生活場景。

晶體硅太陽能電池中的單晶硅太陽能電池是目前開發最快的一種，具有使用壽命長、制備工藝完善和轉化效率較高的優點，但通常情況下不可彎折、脆性高，即使通過降低厚度使其具備一定程度的柔性，可彎折程度也不大，這就極大地限制了其應用場景。

柔性太陽能電池“成長史”

相比剛性太陽能電池，柔性太陽能電池具有更高的功率質量比以及可彎曲、可拉伸等力學性能。

20世紀60年代初，T.F.Goodrich公司第一次開發出非晶硅薄膜太陽能電池。

20世紀70年代初，蘇聯科學家發明了銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽能電池。它具有薄膜電池中最高的實驗室光電轉換效率，但是由于設備研發問題和原料儲存量少的限制，很難進行大規模生產。

在碲化鎘（CdTe）薄膜太陽能電池領域，美國的First Solar于2009年成為當時世界最大的太陽能電池制造商，2010年產量達到1.1GW（1GW =10億W），成為行業領跑者。但它的原材料備受質疑，Te儲量有限，而Cd是劇毒材料，只不過其化合物CdTe無毒。

目前，市面上常見的柔性太陽能電池主要指柔性薄膜太陽能電池，它的電池效率和可靠性都得到了大幅度提升，具有成本低、弱光效應好、能量返回期短等優點，但同時存在轉換效率低、光致衰減導致壽命短等問題。

現階段，單晶硅太陽能電池主要應用于分布式光伏電站與地面光伏電站。如果將其做成可以彎曲的柔性太陽能電池，就可以應用于更多場景，滿足人們更多的日常生活需求。為了解決上述問題，對晶體硅柔性太陽能電池新技術的研發迫在眉睫。

晶體硅材料是最主要的光伏材料，結構為金剛石結構，性質為帶有金屬光澤的灰黑色固體，熔點高（1410 ℃），硬度大，有脆性，常溫下化學性質不活潑，在今后相當長的一段時期內會是太陽能電池的主流材料。

單晶硅屬于晶體硅的一種，即硅的單晶體，通常指的是硅原子以一種排列形式形成的物質。作為一種比較活潑的非金屬元素晶體，單晶硅是晶體材料的重要組成部分。

可以像紙一樣彎曲

2023 年，中國科學院上海微系統與信息技術研究所的研究團隊研制出可以折疊的高柔韌性單晶硅太陽能電池，相關成果發表在頂級期刊《自然》（Nature）上。它采用一種鈍化晶圓邊緣的方法來提高硅晶圓的柔性。

單晶硅太陽能電池在受到彎曲力時，通常從邊緣開始發生斷裂，這個區域被稱為硅片的“力學短板”。為了解決這個問題，研究團隊開發了一項名為“邊緣圓滑”的處理技術，將硅片邊緣的表面和側面上尖銳的“V”字型槽處理成平滑的“U”字型槽，并通過一系列分析方法對其進行了研究。結果顯示，經過“邊緣圓滑”技術處理后，單晶硅增強了柔韌性，不再那么容易斷裂。同時，由于圓滑處理只限于硅片邊緣區域，不影響硅片表面和背面對光的吸收能力，從而保持了太陽能電池的光電轉換效率。

如此設計的單晶硅太陽能電池，具有極好的柔軟性，可以像紙一樣任意彎曲、折疊，還可以重復折疊或卷起來。即使邊緣部分經過1000 次彎曲，轉換效率仍能保持100% 不變，這為研發輕質、柔性的單晶硅太陽能電池奠定了堅實的基礎。

把電池“穿”在身上

柔性太陽能電池最大的特點就是質量輕、可折疊彎曲、不易破碎 ，它的一個重要應用領域是光伏建筑一體化，高柔韌性和輕質化可使它很好地集成在流線型汽車的頂部、房屋等建筑物的樓頂與外墻面以及對地觀測的平流層飛艇表面。研究團隊開發的大面積柔性單晶硅太陽能電池組件已經成功應用于臨近空間飛行器、光伏建筑一體化和車載光伏等領域，在南極科考站可再生能源供電系統中也得到了應用。

未來，隨著柔性太陽能電池變得更“柔”，它將應用于更廣泛的領域，比如移動通信、空間應用、綠色建筑、交通工具、戶外廣告牌等各種曲面和復雜形狀的場景。

除此之外，隨著可穿戴技術的快速發展，柔性太陽能電池有望成為未來可穿戴設備的重要能源來源，通過將柔性太陽能電池集成到衣物、背包、手表、眼鏡等可穿戴設備中，可以為智能設備提供更持久的供電。

未來，值得期待

柔性太陽能電池作為太陽能產業的前沿代表，通過全球各研究機構和企業的不斷努力，正以更多、更好的方式進入更廣闊的太陽能電池市場。積極開展柔性太陽能電池研究，不僅能促進太陽能電池技術的升級換代，推動其產業化，而且將幫助我們更廉價、更方便地獲得取之不盡、用之不竭的清潔能源，對于整個人類社會和經濟的可持續發展、提高綠色國內生產總值、治污防霾都具有重要意義。

目前，柔性太陽能電池的效率還有待提高，未來的研究將繼續致力于改善光電轉換效率。通過技術創新和市場需求的驅動，柔性太陽能電池有望成為清潔能源領域的重要組成部分，為可持續發展做出貢獻。