央廣網(wǎng)北京5月28日消息 柔性太陽電池在移動(dòng)通信、車載移動(dòng)能源、航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用空間。我國科研人員開發(fā)了一種邊緣圓滑處理技術(shù)，基于這種技術(shù)研發(fā)的柔性單晶硅太陽電池，薄如紙、厚度只有60微米，而且也可以像紙一樣進(jìn)行彎曲、折疊，不僅能夠降低太陽電池的生產(chǎn)成本，還將極大地拓展太陽能光伏應(yīng)用場景。這項(xiàng)成果近日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表。那么，究竟是什么技術(shù)能夠讓太陽電池實(shí)現(xiàn)360度卷起來而且不易折斷？
【資料圖】
磨“V”成“U”
發(fā)現(xiàn)太陽電池“柔而不脆”秘訣
a.柔性太陽電池硅片彎曲半徑小于5毫米；b.柔性太陽電池彎曲角度超過360度（央廣網(wǎng)發(fā) 受訪者供圖）
單晶硅太陽電池是當(dāng)前開發(fā)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(zhuǎn)化效率高的優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)完全替代多晶硅太陽電池，成為光伏市場的主導(dǎo)產(chǎn)品，單晶硅太陽電池在光伏市場的占有率已經(jīng)達(dá)到95%以上。
中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員劉正新：單晶硅的結(jié)構(gòu)很單一，簡單說就是原子排列非常整齊、規(guī)則。在太陽電池方面，它的轉(zhuǎn)換效率非常高。非晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率可能只有10%左右，甚至10%以下。多晶硅太陽電池前幾年是主流產(chǎn)品，它的轉(zhuǎn)換效率從13%、14%、15%一直到最后的20%。目前是以單晶硅太陽電池為主，它的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到20%以上，有的達(dá)到23%、24%，完全取代了多晶硅太陽電池，主要是因?yàn)樗墓に嚦墒臁⑥D(zhuǎn)化效率高，同時(shí)成本還很低。
如今，單晶硅太陽電池主要應(yīng)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電池，就可以為更多的應(yīng)用場景提供清潔能源。然而，由于單晶硅是一種高純度的硅材料，具有非常高的結(jié)晶度，是一種硬度高的脆性材料，難以制成柔性太陽電池。這一次，研究團(tuán)隊(duì)找到了破解謎題的關(guān)鍵。他們通過高速相機(jī)觀察發(fā)現(xiàn)，單晶硅太陽電池在彎曲時(shí)的斷裂總是從單晶硅片邊緣處的“V”字形溝槽開始萌生裂痕，這個(gè)區(qū)域也被定義為硅片的“力學(xué)短板”。根據(jù)這一現(xiàn)象，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地開發(fā)了邊緣圓滑處理技術(shù)。
劉正新：硅片是脆性材料，容易碎。像我們撕一張紙或者碎一個(gè)東西，一般都是從邊上開始碎，太陽電池也是這樣。因?yàn)樽鎏栯姵囟紩?huì)在表面進(jìn)行處理，做成凹凸不平的結(jié)構(gòu)，能更好地吸收太陽光，我們叫“金字塔結(jié)構(gòu)”。有了這個(gè)發(fā)現(xiàn)以后，我們就開發(fā)了相應(yīng)的邊緣圓滑處理技術(shù)，就是把邊緣很尖銳的“V”形凹槽處理成圓滑的，把它磨成“U”形，從專業(yè)上說叫“介觀結(jié)構(gòu)的對稱性處理”，這樣處理以后就不容易斷裂。
基于這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了將單晶硅太陽電池的厚度減薄為50到60微米，而且可以像A4紙一樣進(jìn)行折疊操作，最小彎曲半徑達(dá)到5毫米以下。不僅如此，電池還可以進(jìn)行重復(fù)彎曲，彎曲角度超過360度。特別的是，處理后的太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率基本維持不變。
劉正新：我們重要的發(fā)現(xiàn)是只處理邊緣部分，而不是整個(gè)硅片，這個(gè)是比較特殊的技術(shù)。通過處理以后，我們做的太陽電池的轉(zhuǎn)換效率也可以達(dá)到24%以上，既解決了它的柔軟性的問題，轉(zhuǎn)換效率也很高，同等條件下比較，不影響轉(zhuǎn)換效率的提升。
臨空飛行器、建筑光伏、車載光伏……
柔性太陽電池前景廣闊
柔性單晶硅太陽電池組件實(shí)體應(yīng)用（央廣網(wǎng)發(fā) 受訪者供圖）
柔性太陽電池在移動(dòng)通信、車載移動(dòng)能源、航空航天等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用空間，輕薄、便攜、可彎曲，同時(shí)還不會(huì)降低轉(zhuǎn)換效率，此次柔性單晶硅太陽電池的開發(fā)，不僅能夠降低太陽電池的生產(chǎn)成本，還將為太陽能光伏應(yīng)用場景打開一片新天地。
劉正新：減薄以后，電池可以柔性彎曲，產(chǎn)生幾個(gè)用途：一個(gè)是可以攜帶，因?yàn)樗p了；第二就是在曲面的屋頂，甚至墻面上更容易安裝；第三，現(xiàn)在很多新能源車，都有很大的儲(chǔ)能電池，如果裝在車頂上也是可以用的。另外，很多人用無人機(jī)來攝影、進(jìn)行通訊和資源探測，如果裝上這種太陽電池，它既輕效率又高，可以長航時(shí)飛行，對通信應(yīng)用、資源勘測、軍事應(yīng)用等都有很大的幫助。
這項(xiàng)研究正是在太陽電池的應(yīng)用過程中催生出的問題和成果，目前已在量產(chǎn)線驗(yàn)證了批量生產(chǎn)的可行性。
劉正新：原來傳統(tǒng)的認(rèn)知都認(rèn)為單晶硅太陽電池是不適合做這種柔性太陽電池的，通過這個(gè)發(fā)現(xiàn)，我們就可以更堅(jiān)定地來推進(jìn)這方面的應(yīng)用，擴(kuò)寬單晶硅太陽電池的應(yīng)用范圍。從原理上和中試上，我們都試驗(yàn)過，也想做更多的推廣應(yīng)用研究。所以我們會(huì)在工程技術(shù)上做更多的研究，今后“怎么用”是一個(gè)主要研究方向，把技術(shù)進(jìn)一步在工程化的應(yīng)用上進(jìn)行開發(fā)和完善。
監(jiān)制丨陳秉科
記者丨劉夢雅
編輯丨廉金亮
