鄒鑫宇

你好，我是Zem，世界上第一輛“ 碳中和汽車”。我全身采用環(huán)保、可循環(huán)利用的材料打造，在行駛過程中還會(huì)利用“直接空氣捕捉技術(shù)”一直吸收二氧化碳。

你看到了嗎？在我的頂部和引擎蓋上覆蓋有太陽(yáng)能電池板，它能為我增加續(xù)航。

在我們的生活中，很多物品里都“藏著”太陽(yáng)能電池，集熱器、路燈、電池板、電腦、計(jì)算器、充電寶……它們大多看起來(lái)、摸起來(lái)“硬硬的”。但你知道嗎？有一種太陽(yáng)能電池，能像紙一樣卷起來(lái)，它可以彎曲、折疊、拉伸，能讓很多“軟軟的”物品可以借助太陽(yáng)能 “續(xù)航”。

取自太陽(yáng)的能量

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的加速發(fā)展以及人們消費(fèi)的不斷增長(zhǎng)，全球化的進(jìn)程使得世界面臨環(huán)境污染與一定程度的能源危機(jī)。太陽(yáng)能作為一種清潔、實(shí)用的新型綠色能源，引起了人們的極大關(guān)注。

太陽(yáng)能電池起源于19 世紀(jì)，它是一種利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置。近百年來(lái)，太陽(yáng)能電池發(fā)展出多條技術(shù)路線，主要可分為晶體硅太陽(yáng)能電池、薄膜太陽(yáng)能電池和新型太陽(yáng)能電池。目前，晶體硅太陽(yáng)能電池是光伏產(chǎn)業(yè)中最常見的太陽(yáng)能電池，廣泛應(yīng)用于人們熟知的生活場(chǎng)景。

晶體硅太陽(yáng)能電池中的單晶硅太陽(yáng)能電池是目前開發(fā)最快的一種，具有使用壽命長(zhǎng)、制備工藝完善和轉(zhuǎn)化效率較高的優(yōu)點(diǎn)，但通常情況下不可彎折、脆性高，即使通過降低厚度使其具備一定程度的柔性，可彎折程度也不大，這就極大地限制了其應(yīng)用場(chǎng)景。

柔性太陽(yáng)能電池“成長(zhǎng)史”

相比剛性太陽(yáng)能電池，柔性太陽(yáng)能電池具有更高的功率質(zhì)量比以及可彎曲、可拉伸等力學(xué)性能。

20世紀(jì)60年代初，T.F.Goodrich公司第一次開發(fā)出非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池。

20世紀(jì)70年代初，蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)明了銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽(yáng)能電池。它具有薄膜電池中最高的實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率，但是由于設(shè)備研發(fā)問題和原料儲(chǔ)存量少的限制，很難進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。

在碲化鎘（CdTe）薄膜太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，美國(guó)的First Solar于2009年成為當(dāng)時(shí)世界最大的太陽(yáng)能電池制造商，2010年產(chǎn)量達(dá)到1.1GW（1GW =10億W），成為行業(yè)領(lǐng)跑者。但它的原材料備受質(zhì)疑，Te儲(chǔ)量有限，而Cd是劇毒材料，只不過其化合物CdTe無(wú)毒。

目前，市面上常見的柔性太陽(yáng)能電池主要指柔性薄膜太陽(yáng)能電池，它的電池效率和可靠性都得到了大幅度提升，具有成本低、弱光效應(yīng)好、能量返回期短等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在轉(zhuǎn)換效率低、光致衰減導(dǎo)致壽命短等問題。

現(xiàn)階段，單晶硅太陽(yáng)能電池主要應(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(yáng)能電池，就可以應(yīng)用于更多場(chǎng)景，滿足人們更多的日常生活需求。為了解決上述問題，對(duì)晶體硅柔性太陽(yáng)能電池新技術(shù)的研發(fā)迫在眉睫。

晶體硅材料是最主要的光伏材料，結(jié)構(gòu)為金剛石結(jié)構(gòu)，性質(zhì)為帶有金屬光澤的灰黑色固體，熔點(diǎn)高（1410 ℃），硬度大，有脆性，常溫下化學(xué)性質(zhì)不活潑，在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)會(huì)是太陽(yáng)能電池的主流材料。

單晶硅屬于晶體硅的一種，即硅的單晶體，通常指的是硅原子以一種排列形式形成的物質(zhì)。作為一種比較活潑的非金屬元素晶體，單晶硅是晶體材料的重要組成部分。

可以像紙一樣彎曲

2023 年，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的研究團(tuán)隊(duì)研制出可以折疊的高柔韌性單晶硅太陽(yáng)能電池，相關(guān)成果發(fā)表在頂級(jí)期刊《自然》（Nature）上。它采用一種鈍化晶圓邊緣的方法來(lái)提高硅晶圓的柔性。

單晶硅太陽(yáng)能電池在受到彎曲力時(shí)，通常從邊緣開始發(fā)生斷裂，這個(gè)區(qū)域被稱為硅片的“力學(xué)短板”。為了解決這個(gè)問題，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一項(xiàng)名為“邊緣圓滑”的處理技術(shù)，將硅片邊緣的表面和側(cè)面上尖銳的“V”字型槽處理成平滑的“U”字型槽，并通過一系列分析方法對(duì)其進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，經(jīng)過“邊緣圓滑”技術(shù)處理后，單晶硅增強(qiáng)了柔韌性，不再那么容易斷裂。同時(shí)，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(duì)光的吸收能力，從而保持了太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

如此設(shè)計(jì)的單晶硅太陽(yáng)能電池，具有極好的柔軟性，可以像紙一樣任意彎曲、折疊，還可以重復(fù)折疊或卷起來(lái)。即使邊緣部分經(jīng)過1000 次彎曲，轉(zhuǎn)換效率仍能保持100% 不變，這為研發(fā)輕質(zhì)、柔性的單晶硅太陽(yáng)能電池奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

把電池“穿”在身上

柔性太陽(yáng)能電池最大的特點(diǎn)就是質(zhì)量輕、可折疊彎曲、不易破碎 ，它的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域是光伏建筑一體化，高柔韌性和輕質(zhì)化可使它很好地集成在流線型汽車的頂部、房屋等建筑物的樓頂與外墻面以及對(duì)地觀測(cè)的平流層飛艇表面。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的大面積柔性單晶硅太陽(yáng)能電池組件已經(jīng)成功應(yīng)用于臨近空間飛行器、光伏建筑一體化和車載光伏等領(lǐng)域，在南極科考站可再生能源供電系統(tǒng)中也得到了應(yīng)用。

未來(lái)，隨著柔性太陽(yáng)能電池變得更“柔”，它將應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域，比如移動(dòng)通信、空間應(yīng)用、綠色建筑、交通工具、戶外廣告牌等各種曲面和復(fù)雜形狀的場(chǎng)景。

除此之外，隨著可穿戴技術(shù)的快速發(fā)展，柔性太陽(yáng)能電池有望成為未來(lái)可穿戴設(shè)備的重要能源來(lái)源，通過將柔性太陽(yáng)能電池集成到衣物、背包、手表、眼鏡等可穿戴設(shè)備中，可以為智能設(shè)備提供更持久的供電。

未來(lái)，值得期待

柔性太陽(yáng)能電池作為太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的前沿代表，通過全球各研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的不斷努力，正以更多、更好的方式進(jìn)入更廣闊的太陽(yáng)能電池市場(chǎng)。積極開展柔性太陽(yáng)能電池研究，不僅能促進(jìn)太陽(yáng)能電池技術(shù)的升級(jí)換代，推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化，而且將幫助我們更廉價(jià)、更方便地獲得取之不盡、用之不竭的清潔能源，對(duì)于整個(gè)人類社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展、提高綠色國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值、治污防霾都具有重要意義。

目前，柔性太陽(yáng)能電池的效率還有待提高，未來(lái)的研究將繼續(xù)致力于改善光電轉(zhuǎn)換效率。通過技術(shù)創(chuàng)新和市場(chǎng)需求的驅(qū)動(dòng)，柔性太陽(yáng)能電池有望成為清潔能源領(lǐng)域的重要組成部分，為可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。