能像紙一樣彎曲折疊的太陽能電池

● 文/李忠東

如今，太陽能電池在很多領域廣泛應用。有同學或許會問：太陽能電池能否應用在手機等電子設備或衣、鞋、帽等可穿戴用品上?要做到這一點，太陽能電池必須具備高效率、高穩定性和高柔韌性。那么，有沒有辦法讓太陽能電池變得柔軟起來呢？有！前不久，中國科學院上海微系統與信息技術研究所的科研團隊成功研制出了像紙片一樣能彎曲和折疊的高柔韌性太陽能電池。

易碎的單晶硅太陽能電池

太陽能電池的核心材料是硅，它可以將太陽光轉化為電能。硅有多晶硅和單晶硅兩種形態。單晶硅太陽能電池是當前開發最快的一種太陽能電池，具有使用壽命長、制備工藝完善以及轉化效率高的優點，是光伏市場的主導產品，目前在光伏市場的占有率達95%以上。早在20 世紀50 年代，美國貝爾實驗室就發明了這種太陽能電池，并成功應用于人造衛星。當時的光電轉換效率很低，僅有5%左右。近幾年，研究人員已將單晶硅太陽能電池的光電轉換效率提高到26.8%，接近理論極限效率29.4%，制造成本和綜合發電成本大幅下降。

單晶硅太陽能電池雖然很好，但是非常脆弱，不能彎曲或折疊。單晶硅的結構很規整，所以稍微給它一個彎曲的外力或者在運輸過程中有振動，都可能導致其晶體內部產生裂紋。尤其是要把它做得更薄一些的時候，更容易破碎。因此，單晶硅太陽能電池通常需要加上厚重的玻璃或塑料保護層，而這大大增加了其質量和體積，使其應用場景非常有限。

折疊1 000次功率不減

中國科學院上海微系統與信息技術研究所劉文柱團隊和長沙理工大學劉小春團隊通過高速相機觀察發現，在硅晶片上形成微米級金字塔結構，可以增加其對光的吸收和反射，提高其光電轉換效率。但是，在金字塔結構之間存在著尖銳的“V”形溝槽，彎曲時會導致晶片開裂。該區域被定義為晶片的“力學短板”。

為了對脆弱的單晶硅太陽能電池進行改造，開發出高效、輕質、大面積、低成本的高柔韌性太陽能電池，研究團隊創新地開發了邊緣圓滑處理技術：在單晶硅片邊緣的表面和側面進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，當單晶硅片彎曲時，邊緣處受到的外力就會分散到曲面上，而不會集中在尖銳的角落里，大大降低了單晶硅片斷裂的風險，提高了其柔韌性。由于圓滑處理只限于硅片邊緣區域，不影響表面和背面對光的吸收能力，從而保持了光電轉換效率不變。

傳統太陽能電池表面的金字塔形貌

在制作過程中，研究團隊采用超薄的單晶硅薄片作為主要材料，通過特殊的切割和轉移技術，將其粘貼在聚合物基底上，制作出了面積超過240 平方厘米、效率超過24%的單晶硅太陽能電池，并將它們組裝成超過1萬平方厘米的柔性模塊；采用透明導電氧化物作為正極和負極，通過激光劃線技術將單晶硅薄片分割成多個小單元，并通過金屬網連接起來，形成串聯或并聯結構；采用透明聚合物作為封裝層，保護太陽能電池免受水分和氧氣的侵蝕。

這種高柔韌性單晶硅太陽能電池的厚度只有60 微米，比市面上大多數單晶硅太陽能電池薄很多，可以像紙一樣進行彎曲、折疊，最小彎曲半徑達5 毫米以下，并可重復彎曲，而且物理強度更好，能應對溫度和濕度等因素的變化。

研究人員在展示高柔韌性單晶硅太陽能電池

根據國際標準，光伏材料必須滿足在-40～85℃運行20年或25 年、性能衰減不超過15%的要求。研究團隊做的實驗則更加嚴苛，讓高柔韌性單晶硅太陽能電池在-70～85℃連續循環120 個小時，結果發現其功率衰減很少。整個大硅片無論怎么彎曲，都能恢復如初，保持高效率（20.5%）和高穩定性。哪怕折疊1 000 次，功率也沒有絲毫衰減。

高柔韌性太陽能電池板已規模化應用于我國南極泰山科考站

開拓太陽能電池新應用

高柔韌性單晶硅太陽能電池突破了傳統太陽能電池的局限性，它不僅具有單晶硅太陽能電池的優點，而且因為超薄且能像紙張那樣進行彎曲和折疊，大大提高了使用的適應性，能在許多領域和場景中發揮作用。

在傳統應用中，高柔韌性單晶硅太陽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展契機，可大幅減少太陽能電池的質量和體積，從而節省材料和運輸成本；能夠適應各種復雜和變化的表面形狀，提高太陽能電池的集成度和美觀度。當前，這一高柔韌性太陽能電池已規模化應用于南極科考站可再生能源供電系統等領域。

在移動通信領域，高柔韌性單晶硅太陽能電池可以作為手機、平板電腦、智能手表等設備的充電器或輔助電源，提供持續穩定的供電，并減少對外部充電設施的依賴；在車載移動能源領域，能夠成為汽車等交通工具的附加發電裝置，提高其續航里程，降低碳排放；在航空航天領域，可作為飛機、無人機、衛星等飛行器的主要或輔助動力來源，提供長時間穩定、可靠的供電，并減輕其質量；在建筑領域，可作為建筑物外墻或屋頂的一部分，實現光伏建筑一體化，既美觀又實用，并節省土地資源；還可以應用于戶外運動、農業灌溉、災難救援等場景中，提供便捷靈活的供電方案，增加安全性和可靠性。

國產太陽能飛機

多方探索柔性太陽能電池

在柔性太陽能電池研發方面，我國科學家一直在努力，且取得了不少創新性成果。例如，哈爾濱工業大學研制的“基于形狀記憶聚合物智能復合材料結構的可展開柔性太陽能電池系統”，應用在實踐二十號衛星上，隨長征五號火箭成功飛天，完成了關鍵技術試驗，在國際上首次實現了這種電池的在軌可控展開。

目前，大多數太陽能電池都是針對可見光進行吸收，占太陽光52%的近紅外光并未得到高效利用。中國科學技術大學熊宇杰團隊對商用硅片進行納米化處理，并結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域進行光電轉換且具有力學柔性的太陽能電池，光電轉換效率提高了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。