在“雙碳”背景下，把太陽能轉(zhuǎn)化為電能的光伏產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，單晶硅太陽電池則是其中的主力軍，在光伏市場的占有率已上升到95%以上。
之所以如此炙手可熱，是因為單晶硅有太多優(yōu)點。其一，硅元素是地球上含量最高的半導(dǎo)體元素，材料根本不缺；其二，成本較低；其三，硅片、單晶硅、太陽電池等很多工藝已在傳統(tǒng)半導(dǎo)體領(lǐng)域非常成熟，可直接借鑒。
然而事無完美，單晶硅太陽電池有一個嚴(yán)重的缺陷。它很“脆弱”，在力學(xué)上，稍微給它一個彎曲的應(yīng)力，或者在運輸過程中有振動，都可能導(dǎo)致其直接碎掉。這也使得單晶硅太陽電池的應(yīng)用場景非常有限。
來自中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所（以下簡稱上海微系統(tǒng)所）的科研團隊成功開發(fā)出柔性單晶硅太陽電池，實現(xiàn)了里程碑式的跨越。5月24日23：00，這篇研究論文在《自然》上在線發(fā)表，并被選為了當(dāng)期的封面。這也是距單晶硅太陽電池發(fā)明69年以來，第一篇發(fā)表在《自然》的純單晶硅太陽電池長篇研究論文。
從“V”到“U”，實現(xiàn)力學(xué)性能的蛻變
把單晶硅太陽電池做成柔性的，哪里需要貼哪里，是業(yè)界許多人的理想。
在學(xué)生時期，該論文第一作者、上海微系統(tǒng)所副研究員劉文柱就考慮過這個問題。但真正刺激他堅定信心去做這件事情，是因為在多次學(xué)術(shù)會議上，總能聽到一種聲音“我們的薄膜電池可以非常柔，而單晶硅太陽電池難以實現(xiàn)這點。”
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硅太陽電池原本是一個平面，反光嚴(yán)重，為了提升其發(fā)電效率，就必須要減少光反射。常用的做法是把硅片放在化學(xué)溶劑里處理，表面就會出現(xiàn)很多金字塔形狀的微米結(jié)構(gòu)。當(dāng)光照過來時，會在這些結(jié)構(gòu)上來回反射，使得大多數(shù)光能進入到硅片里，對發(fā)電做出貢獻。
“我們發(fā)現(xiàn)，在金字塔與金字塔的交界處是非常尖銳的‘V’字型溝槽，在這個地方稍微加一個力，就會萌生裂痕。從此處著手，或許能改變硅片脆弱的靈魂。”劉文柱在接受《中國科學(xué)報》采訪時說。
研究團隊把硅片做了一個簡單的化學(xué)處理，通過各向同性化學(xué)腐蝕或者等離子體處理，把“V”字形溝槽變成了“U”字型。“這種做法讓彎曲應(yīng)變能夠有效分散，有效抑制了應(yīng)變斷裂行為，提升了硅片的柔韌性。”該論文通訊作者、上海微系統(tǒng)所研究員狄增峰介紹。
但剛按下了這頭，又翹起了那頭。力學(xué)性能雖得到了優(yōu)化，但反光也有所增加，發(fā)電效率大打折扣。如何讓力學(xué)性能與發(fā)電效率兩者兼得，這讓大家十分苦惱。
研究團隊打算從硅片碎裂的全部細(xì)節(jié)中尋找突破口。這就需要一臺一秒可以連續(xù)拍100萬張照片的超高速相機。劉文柱把樣品寄給了曾經(jīng)同在阿卜杜拉國王科技大學(xué)流體力學(xué)團隊的師弟楊自強。楊自強用超高速相機把硅片在彎曲應(yīng)力下斷裂的過程全部呈現(xiàn)了出來。
“我們看到，所有硅片在彎曲應(yīng)力下的斷裂，都是從邊緣開始。這說明，最邊緣區(qū)域是硅片的‘力學(xué)短板’。”劉文柱表示，“那么，我們只需要處理整個大硅片邊緣很小的區(qū)域，問題就可以迎刃而解。”
對此，研究團隊創(chuàng)新地開發(fā)了邊緣圓滑處理技術(shù)。他們將幾十個、幾百個或者更多的硅片摞在一起，結(jié)合等離子體腐蝕法，能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。
該結(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紙一樣進行折疊操作，最小彎曲半徑達到5毫米以下；也可以進行重復(fù)彎曲，彎曲角度超過360度。
“由于圓滑策略僅在硅片邊緣實施，基本不影響太陽電池的光電轉(zhuǎn)化效率，同時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。”該論文通訊作者、上海微系統(tǒng)所研究員劉正新表示。
證據(jù)充分，令審稿人心服口服
1954年，美國貝爾實驗室的研究者就發(fā)明了單晶硅太陽電池，利用單晶硅晶圓實現(xiàn)了太陽光能轉(zhuǎn)換成電能的突破，并成功用于人造衛(wèi)星。
之后的69年里，《自然》上都沒有發(fā)表過單晶硅太陽電池的長篇研究論文。所以當(dāng)這篇文章投給期刊編輯時，令他們眼前一亮，文章很快進入送審環(huán)節(jié)。
在第一輪審稿環(huán)節(jié)，一位審稿人給出了很高的評價，認(rèn)為“這是未來光伏領(lǐng)域的突破性發(fā)現(xiàn)”，另一位審稿人雖然沒直接拒稿，但提出了很多細(xì)節(jié)問題。
“可能我的英語寫作不太好，感覺第二位審稿人沒有完全看懂文章，后來我針對他提出的問題，掰開揉碎了一點點給他解釋。”劉文柱說。
在第二輪審稿時，這位審稿人寫道“無論從哪個角度來說，這項工作本身是一流的，發(fā)表在《自然》上是公平的。”
文章投出去后，相關(guān)的宏觀力學(xué)實驗仍在進行著，在文章送審還未收到反饋意見的時候，研究團隊又得到了新的進展，用三點彎曲法去測試單晶硅太陽電池的力學(xué)性能，并計算其理論極限能到多少。
在審稿人都未提出補實驗的情況下，他們把后期獲得的研究進展加到文章里，形成了充分的證據(jù)，令審稿人心服口服。文章從2022年8月24日投出，歷時5個月就被原則性接收。可為什么直到現(xiàn)在文章才上線呢？
“都是圖惹的禍！”劉文柱說，“以前我也沒投過這么好的期刊，就一年多以前投過《自然》，但被拒了。我對于做圖沒什么經(jīng)驗，做出的圖都很難看，在文章通知被接收后，又經(jīng)歷了5輪細(xì)節(jié)修改。”
對于最終能被選為當(dāng)期的封面，劉文柱實感意外，在他看來，《自然》的封面設(shè)計競爭非常激烈。“當(dāng)時也不懂繪畫，沒有審美意識，我就一直思考柔性的概念將來能用在哪里，恰好看到街邊的路燈，就直接拍了下來。然后把單晶硅太陽電池卷曲貼在路燈桿上，再做一點朦朧的效果突出路燈，就兩三個簡單的元素，但整個畫面簡單明了。”
撬動巨大的柔性光伏市場
一項技術(shù)是否可靠需要多方驗證。研究團隊不僅做出了單晶硅太陽電池，還考慮了很多后端的事情，把單晶硅太陽電池柔性組件送到第三方進行測試。
“江蘇有一個公司專門做高鐵外殼振動測試，我們把做出的一平方米左右的柔性組件送去測試，將組件四周固定在底板上，讓中間懸空，振動測試開始后，組件會像席子一樣上下抖動。”劉文柱說。
在如此嚴(yán)酷的測試環(huán)境下，他們測了18000個周期，柔性組件的功率分毫未損。
除了這個測試外，研究團隊還做了更“狠”的操作。光伏的國際標(biāo)準(zhǔn)是IEC標(biāo)準(zhǔn)，也就是說光伏材料必須滿足在零下40℃到85℃間運行20年或25年，性能衰減不超過15%。
“我們做的實驗比國際標(biāo)準(zhǔn)還嚴(yán)苛，讓單晶硅太陽電池在零下70℃到85℃間連續(xù)循環(huán)120個小時，結(jié)果發(fā)現(xiàn)功率衰減很小。”劉文柱介紹。
這就是硅好的一面，性能十分穩(wěn)定。劉文柱表示，多模電池雖然很薄，柔韌性很好，但它是多晶結(jié)構(gòu)。在微觀顯微鏡下看，它是由一個個晶粒拼起來的東西，這意味著每一個晶粒與相鄰的晶粒間都存在一個晶界，如果你把它來回彎曲折疊，晶界就會形成力學(xué)上的摩擦，導(dǎo)致性能衰減。
“現(xiàn)在，我們做出了柔性單晶硅太陽電池，整個大硅片無論如何彎曲都能恢復(fù)如初，它沒有晶界、沒有摩擦，哪怕折疊1000次，功率也沒有絲毫衰減，使用壽命會很長。而這些都是多晶電池很難實現(xiàn)的。”劉文柱說。
該研究在量產(chǎn)線驗證了批量生產(chǎn)的可行性，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。研究團隊開發(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。
劉文柱表示，柔性單晶硅太陽電池將來會應(yīng)用于更多場景，比如在路燈、可穿戴電子、移動通訊、航空航天等領(lǐng)域具有很好的發(fā)展空間，或能撬動巨大的柔性光伏市場。
