能像纸一样弯曲折叠的太阳能电池

● 文/李忠东

如今，太阳能电池在很多领域广泛应用。有同学或许会问：太阳能电池能否应用在手机等电子设备或衣、鞋、帽等可穿戴用品上?要做到这一点，太阳能电池必须具备高效率、高稳定性和高柔韧性。那么，有没有办法让太阳能电池变得柔软起来呢？有！前不久，中国科学院上海微系统与信息技术研究所的科研团队成功研制出了像纸片一样能弯曲和折叠的高柔韧性太阳能电池。

易碎的单晶硅太阳能电池

太阳能电池的核心材料是硅，它可以将太阳光转化为电能。硅有多晶硅和单晶硅两种形态。单晶硅太阳能电池是当前开发最快的一种太阳能电池，具有使用寿命长、制备工艺完善以及转化效率高的优点，是光伏市场的主导产品，目前在光伏市场的占有率达95%以上。早在20 世纪50 年代，美国贝尔实验室就发明了这种太阳能电池，并成功应用于人造卫星。当时的光电转换效率很低，仅有5%左右。近几年，研究人员已将单晶硅太阳能电池的光电转换效率提高到26.8%，接近理论极限效率29.4%，制造成本和综合发电成本大幅下降。

单晶硅太阳能电池虽然很好，但是非常脆弱，不能弯曲或折叠。单晶硅的结构很规整，所以稍微给它一个弯曲的外力或者在运输过程中有振动，都可能导致其晶体内部产生裂纹。尤其是要把它做得更薄一些的时候，更容易破碎。因此，单晶硅太阳能电池通常需要加上厚重的玻璃或塑料保护层，而这大大增加了其质量和体积，使其应用场景非常有限。

折叠1 000次功率不减

中国科学院上海微系统与信息技术研究所刘文柱团队和长沙理工大学刘小春团队通过高速相机观察发现，在硅晶片上形成微米级金字塔结构，可以增加其对光的吸收和反射，提高其光电转换效率。但是，在金字塔结构之间存在着尖锐的“V”形沟槽，弯曲时会导致晶片开裂。该区域被定义为晶片的“力学短板”。

为了对脆弱的单晶硅太阳能电池进行改造，开发出高效、轻质、大面积、低成本的高柔韧性太阳能电池，研究团队创新地开发了边缘圆滑处理技术：在单晶硅片边缘的表面和侧面进行特殊的切割和抛光，将尖锐的“V”形沟槽处理成平滑的“U”形沟槽。这样一来，当单晶硅片弯曲时，边缘处受到的外力就会分散到曲面上，而不会集中在尖锐的角落里，大大降低了单晶硅片断裂的风险，提高了其柔韧性。由于圆滑处理只限于硅片边缘区域，不影响表面和背面对光的吸收能力，从而保持了光电转换效率不变。

传统太阳能电池表面的金字塔形貌

在制作过程中，研究团队采用超薄的单晶硅薄片作为主要材料，通过特殊的切割和转移技术，将其粘贴在聚合物基底上，制作出了面积超过240 平方厘米、效率超过24%的单晶硅太阳能电池，并将它们组装成超过1万平方厘米的柔性模块；采用透明导电氧化物作为正极和负极，通过激光划线技术将单晶硅薄片分割成多个小单元，并通过金属网连接起来，形成串联或并联结构；采用透明聚合物作为封装层，保护太阳能电池免受水分和氧气的侵蚀。

这种高柔韧性单晶硅太阳能电池的厚度只有60 微米，比市面上大多数单晶硅太阳能电池薄很多，可以像纸一样进行弯曲、折叠，最小弯曲半径达5 毫米以下，并可重复弯曲，而且物理强度更好，能应对温度和湿度等因素的变化。

研究人员在展示高柔韧性单晶硅太阳能电池

根据国际标准，光伏材料必须满足在-40～85℃运行20年或25 年、性能衰减不超过15%的要求。研究团队做的实验则更加严苛，让高柔韧性单晶硅太阳能电池在-70～85℃连续循环120 个小时，结果发现其功率衰减很少。整个大硅片无论怎么弯曲，都能恢复如初，保持高效率（20.5%）和高稳定性。哪怕折叠1 000 次，功率也没有丝毫衰减。

高柔韧性太阳能电池板已规模化应用于我国南极泰山科考站

开拓太阳能电池新应用

高柔韧性单晶硅太阳能电池突破了传统太阳能电池的局限性，它不仅具有单晶硅太阳能电池的优点，而且因为超薄且能像纸张那样进行弯曲和折叠，大大提高了使用的适应性，能在许多领域和场景中发挥作用。

在传统应用中，高柔韧性单晶硅太阳能电池能为分布式光伏电站与地面光伏电站等提供新的发展契机，可大幅减少太阳能电池的质量和体积，从而节省材料和运输成本；能够适应各种复杂和变化的表面形状，提高太阳能电池的集成度和美观度。当前，这一高柔韧性太阳能电池已规模化应用于南极科考站可再生能源供电系统等领域。

在移动通信领域，高柔韧性单晶硅太阳能电池可以作为手机、平板电脑、智能手表等设备的充电器或辅助电源，提供持续稳定的供电，并减少对外部充电设施的依赖；在车载移动能源领域，能够成为汽车等交通工具的附加发电装置，提高其续航里程，降低碳排放；在航空航天领域，可作为飞机、无人机、卫星等飞行器的主要或辅助动力来源，提供长时间稳定、可靠的供电，并减轻其质量；在建筑领域，可作为建筑物外墙或屋顶的一部分，实现光伏建筑一体化，既美观又实用，并节省土地资源；还可以应用于户外运动、农业灌溉、灾难救援等场景中，提供便捷灵活的供电方案，增加安全性和可靠性。

国产太阳能飞机

多方探索柔性太阳能电池

在柔性太阳能电池研发方面，我国科学家一直在努力，且取得了不少创新性成果。例如，哈尔滨工业大学研制的“基于形状记忆聚合物智能复合材料结构的可展开柔性太阳能电池系统”，应用在实践二十号卫星上，随长征五号火箭成功飞天，完成了关键技术试验，在国际上首次实现了这种电池的在轨可控展开。

目前，大多数太阳能电池都是针对可见光进行吸收，占太阳光52%的近红外光并未得到高效利用。中国科学技术大学熊宇杰团队对商用硅片进行纳米化处理，并结合银纳米片的近红外光吸收性能，制造出一种可在近红外区域进行光电转换且具有力学柔性的太阳能电池，光电转换效率提高了59%，能够折叠、卷曲并可以粘贴在汽车玻璃、屋顶、衣服等曲面上。