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yexuqing木蟲之王 (文學(xué)泰斗)
太陽系系主任
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上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所成功開發(fā)柔性單晶硅太陽電池技術(shù)
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上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所成功開發(fā)柔性單晶硅太陽電池技術(shù) 文章來源： | 發(fā)布時間：2023-05-24 | 【打印】 【關(guān)閉】 早在上世紀(jì)五十年代，美國貝爾實(shí)驗(yàn)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(shí)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，當(dāng)時的光電轉(zhuǎn)換效率僅有5%左右。近幾年，研究人員通過材料結(jié)構(gòu)工程和高端設(shè)備開發(fā)的協(xié)同創(chuàng)新，將單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高到26.8%，接近理論極限29.4%，制造成本和綜合發(fā)電成本大幅度下降，在我國大部分地區(qū)達(dá)到平價上網(wǎng)。同時，單晶硅太陽電池在光伏市場的占有率也上升到95%以上。除了常規(guī)太陽電池在地面光伏電站和分布式光伏的大規(guī)模應(yīng)用以外，柔性太陽電池在可穿戴電子、移動通訊、車載移動能源、光伏建筑一體化、航空航天等領(lǐng)域也具有巨大的發(fā)展空間，然而國內(nèi)外尚未開發(fā)出商用的高效、輕質(zhì)、大面積、低成本柔性太陽電池滿足該領(lǐng)域的應(yīng)用需求。 中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所（以下簡稱中科院上海微系統(tǒng)所）的研究團(tuán)隊(duì)通過高速相機(jī)觀察發(fā)現(xiàn)，單晶硅太陽電池在彎曲應(yīng)力作用下的斷裂總是從單晶硅片邊緣處的“V”字型溝槽開始萌生裂痕，該區(qū)域被定義為硅片的“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)，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，改變介觀尺度上的結(jié)構(gòu)對稱性，結(jié)合有限元分析、動態(tài)應(yīng)力載荷下的分子動力學(xué)模擬和球差透射電子顯微鏡的殘余應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)單晶硅的“脆性”斷裂行為轉(zhuǎn)變成“彈塑性”二次剪切帶斷裂行為。同時，由于圓滑處理只限于硅片邊緣區(qū)域，不影響硅片表面和背面對光的吸收能力，從而保持了太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率不變。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(jìn)行折疊操作，最小彎曲半徑達(dá)到5毫米以下（圖1a）；也可以進(jìn)行重復(fù)彎曲，彎曲角度超過360度（圖1b）。相關(guān)成果于2023年5月24日在Nature發(fā)表，并被選為當(dāng)期的封面。 本工作通過簡單工藝處理實(shí)現(xiàn)了柔性單晶硅太陽電池制造，并在量產(chǎn)線驗(yàn)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(tuán)隊(duì)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（圖2）。 本工作的第一完成單位為中科院上海微系統(tǒng)所，第一作者為中科院上海微系統(tǒng)所劉文柱副研究員、長沙理工大學(xué)劉玉敬副教授、沙特阿美石油公司楊自強(qiáng)博士和南京師范大學(xué)徐常清教授。理論計算與北京航空航天大學(xué)丁彬副教授和南京師范大學(xué)徐常清教授合作完成。殘余應(yīng)力分析與長沙理工大學(xué)劉小春教授和劉玉敬副教授合作完成。高速相機(jī)拍攝硅片瞬間斷裂過程由阿美石油公司楊自強(qiáng)博士完成。 本文通訊作者狄增峰研究員介紹道:“對于具有表面尖銳‘V’字型溝槽的太陽電池硅片斷裂行為的認(rèn)識，啟發(fā)了研究團(tuán)隊(duì)針對硅片邊緣區(qū)域進(jìn)行形貌改變，將尖銳‘V’字型溝槽處理成圓滑‘U’字型溝槽，從而讓彎曲應(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，最終實(shí)現(xiàn)了高效、輕質(zhì)、柔性的單晶硅太陽電池”。 本文通訊作者劉正新研究員介紹道:“由于圓滑策略僅在硅片邊緣實(shí)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�！� 中科院上海微系統(tǒng)所新能源技術(shù)中心自2010年成立以來，聚焦非晶硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)（Silicon Heterojunction）太陽電池的研究開發(fā)，取得了多個原創(chuàng)性科研成果，近三年以第一通訊單位在Nature、Nature Energy、Joule等國際頂尖學(xué)術(shù)雜志上發(fā)表論文，同時多項(xiàng)重要研究成果在大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化、臨近空間開發(fā)、極地科考站可再生能源供電等領(lǐng)域獲得了規(guī)�；瘧�(yīng)用。 論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05921-z 圖1. a, 柔性太陽電池硅片彎曲半徑小于5毫米；b，柔性太陽電視彎曲角度超過360度。 圖2. 柔性單晶硅太陽電池組件成功應(yīng)用于臨近空間飛行器、光伏建筑一體化、車載光伏等領(lǐng)域。 |
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