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單晶硅太陽電池最早由美國研究者在上世紀(jì)50年代發(fā)明出來，并用于人造衛(wèi)星，當(dāng)時的光電轉(zhuǎn)換率僅5%左右。隨著近幾十年的發(fā)展，大型的光伏電站、分布式屋頂光伏、太陽能路燈等已經(jīng)成為了傳統(tǒng)的晶硅太陽電池的應(yīng)用領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)的晶硅太陽電池由于不具備輕質(zhì)、柔性的特征，在彎曲屋頂以及太陽能飛機等特殊場合難以發(fā)揮其作用，限制了晶硅太陽電池的應(yīng)用。我國科學(xué)家采用一種先進的材料結(jié)構(gòu)，使得電池薄如紙張卻不損害其性能。今天，我們就來聊一聊太陽電池是如何做到像紙一樣進行彎曲、折疊的？

晶硅太陽電池的工作原理

當(dāng)太陽光照射到電池表面，光子在電池內(nèi)部激發(fā)出大量的電子空穴對，在內(nèi)建電場的左右下，電子和空穴分別向P區(qū)和N區(qū)移動。在電池的前表面和背面分別有金屬柵線和背場作為電極用來收集電荷，當(dāng)在外部加上負載時，與太陽電池的正負極相連就構(gòu)成了完整的導(dǎo)電回路。

傳統(tǒng)晶硅太陽電池的局限性

我們知道硅片是脆性材料，受到外力時易碎。這一特點使得傳統(tǒng)的晶硅太陽電池遇到彎曲屋頂時難以和屋面進行貼合，并且在新興的太陽能飛機、無人機、太陽能動力汽車領(lǐng)域等，對提供動力的電池柔性、輕質(zhì)、高效的要求更高?？蒲腥藛T通過高速相機觀察發(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”。


如何做到讓太陽電池像紙一樣彎曲？

中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所的研究人員通過研究發(fā)現(xiàn)，通過鈍化“V”字型溝槽的銳度，可以控制單晶硅的斷裂行為，改變其在彎曲載荷下的應(yīng)力狀態(tài)和變形機制?；诖耍芯繄F隊創(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。這使得處理后的單晶硅的斷裂方式發(fā)生了改變，從“脆性”斷裂行為轉(zhuǎn)變成“彈塑性”二次剪切帶斷裂行為，后者更不易斷裂，可以像紙張一樣進行折疊、彎曲，彎曲的角度甚至可超360度。

同時，由于圓滑處理只限于硅片的邊緣區(qū)域，因此不會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。

柔性單晶硅太陽電池的應(yīng)用前景

該研究團隊的成員表示：“由于圓滑策略僅在硅片邊緣實施，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。”目前，這一柔性太陽能電池板已成功應(yīng)用于南極科考站可再生能源供電系統(tǒng)等場景。

現(xiàn)階段，單晶硅太陽能電池主要應(yīng)用于分布式光伏電站與地面光伏電站，隨著柔性太陽能電池的量產(chǎn)，相信在未來可以廣泛應(yīng)用于建筑、背包、帳篷、汽車、帆船甚至飛機上，為房屋、各種便攜式電子及通信設(shè)備、交通工具等提供輕便的清潔能源。 

原標(biāo)題：太陽電池是如何“卷”起來的？