导读
随着“双碳”目标的提出和驱动，世界光伏产业正加速向前发展，其中单晶硅太阳能电池在光伏行业内占据主导地位，其市场份额超过了95%。尽管有着极高的市场份额和优秀的综合性能，单晶硅太阳能电池有着致命的缺陷——它很“脆弱”。如果给其一个稍微弯曲的应力或者在运输过程中有较大的震动，就非常容易导致单晶硅太阳能电池的破碎，这极大限制了单晶硅太阳能电池的应用场景。
随着光伏产业的不断发展与扩大，这种限制的影响越来越突出。为了克服这一限制，中国科学院上海微系统与信息技术研究所的研究团队制定了一种可制造大规模、可折叠硅片和柔性太阳能电池的新策略。他们通过钝化边缘区域的金字塔结构来提高硅片的柔性，实现了大规模(>240cm2)、高效率(>24%)、可像纸张一样卷曲的硅太阳能电池的商业化生产。相关研究成果以“Flexible solar cells based on foldable silicon wafers with blunted edges”为题于2023年5月在《自然》在线发表，并被选为当期封面。这也是单晶硅太阳电池发明69年来，首篇发表于《自然》的纯单晶硅太阳电池长篇研究论文。
01
技术细节
（1）可折叠晶硅晶圆的制造
如前所述，研究团队的主要目标是实现晶硅晶圆的可折叠性，同时又要保持晶硅的强大光捕获能力以实现优异的光伏性能。为了实现这个目标，增强晶硅晶圆的柔韧性，研究团队将晶圆的厚度由160μm不断减薄降至60μm。在实现这个目标的过程中，他们使用了锯损去除技术。使用这种关键技术，使得晶硅晶圆的厚度虽然减小，但通过特殊处理，能够同时保证其抗反射和光捕获效率不降反升。在研究过程中，团队使用超高速摄像机用于探究晶圆的破裂过程，原位揭示出裂纹的萌发机制。他们发现裂纹始于晶圆边缘，为后续的进一步优化提供了微观事实和理论依据。
图1 折叠晶圆
（图片来源：Nature）
（2）弹性机制
研究团队为了解析和实现c-Si晶圆的柔韧性，通过施加弯曲力来弄断两个晶圆以找出断裂表面的形态。经过不断的实验，他们发现钝化晶圆具有多个解理位点和高密度微裂纹断口，表明了晶圆在开裂过程中复杂应力状态的发展情况。进一步的，他们使用球差校正透射电镜分析了断裂表面下方的晶格应变情况。观察结果表明钝化晶片在开裂过程中经历了更大的弹性和塑性应变。根据这些实验结果，研究团队认为可以通过调整表面金字塔之间通道的锐度来控制c-Si晶片的断裂行为，从而改变弯曲载荷下的应力状态和变形机制。这些发现进一步证明了钝化处理的重要性，为钝化处理的有效性提供的理论依据。钝化处理可显著提升c-Si晶片的弹性和塑性应变，从而大幅增强其抗断裂能力。
（3）太阳能电池（模块）表征
在上述微观机理研究的基础上，研究团队经过多次实验成功制备了将可折叠的c-Si晶圆制成太阳能电池。
图2 太阳能电池（组件）性能
（图源：Nature）
他们展示制造的SHJ太阳能电池的结构并表征了65-μm和55-μm器件的光伏性能。对于65-μm设备，短路电流密度(Jsc)、开路电压(Voc)、填充因子(FF)和PCE分别达到了37.65±0.09mAcm−2、0.752±0.002V、82.40±0.99%和23.31±0.33%。55μm器件的相应Jsc、Voc、FF和PCE值分别为37.59±0.11mAcm−2、0.753±0.001V、82.51± 0.39%和23.35±0.13%，获得了244.3cm2晶圆的认证PCE为24.50%。此外，研究团队组装了两个微型模块并比较了它们的性能。结果表面，研究团队开发出的灵活钝化处理技术能够在太阳能电池（模块）层面将能源平准化成本降低约39%(23%)。
图3 太阳能电池（模块）稳定性
（图源：Nature）
（4）运行稳定
研究人员研究了电池（模块）在极端条件下的运行稳定性。柔性电池的Jsc、Voc、FF和PCE在1000次左右弯曲循环后保持其初始值的100%。在每个循环中，一个边缘被折叠以接触相对的边缘；这种弯曲保持了10秒以上。进一步地，他们将这些电池封装成面积超过10000平方厘米的大型太阳能组件，这些组件重量轻、灵活、高效且成本低。将它们安装在无人飞行器上，可以为资源勘探和森林火灾检查等长途飞行任务创造可持续的能源供应。
02
展 望
单晶硅太阳能电池的脆性一直是制约其在更多场景、更大规模应用的瓶颈之一。开发并使用这种钝化边缘区域的金字塔结构来提高硅片柔性的策略和技术，不仅解决了单晶硅太阳电池的一个重大问题，也为该领域的未来发展打开了新的大门。相信在不远的未来，这种优化后的柔性单晶硅太阳电池能够广泛应用于多个领域，如可穿戴电子、移动通讯、航空航天等，为实现更广泛的可再生能源应用提供强大的支持，进一步促进“双碳”目标的实现。
参考文献
[1] Liu, W., Liu, Y., Yang, Z. et al. Flexible solar cells based on foldable silicon wafers with blunted edges. Nature 617, 717–723 (2023).
排版 | 徐婧
审核 | 魏一凡 王智慧 车明遇 刘梦
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