太阳电池是如何做到像纸一样进行弯曲、折叠的？

单晶硅太阳电池最早由美国研究者在上世纪50年代发明出来，并用于人造卫星，当时的光电转换率仅5%左右。随着近几十年的发展，大型的光伏电站、分布式屋顶光伏、太阳能路灯等已经成为了传统的晶硅太阳电池的应用领域。然而，传统的晶硅太阳电池由于不具备轻质、柔性的特征，在弯曲屋顶以及太阳能飞机等特殊场合难以发挥其作用，限制了晶硅太阳电池的应用。我国科学家采用一种先进的材料结构，使得电池薄如纸张却不损害其性能。今天，我们就来聊一聊太阳电池是如何做到像纸一样进行弯曲、折叠的？

晶硅太阳电池的工作原理

硅基太阳电池的主体结构是一个PN结，太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。所谓光生伏特效应就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。

当太阳光照射到电池表面，光子在电池内部激发出大量的电子空穴对，在内建电场的左右下，电子和空穴分别向P区和N区移动。在电池的前表面和背面分别有金属栅线和背场作为电极用来收集电荷，当在外部加上负载时，与太阳电池的正负极相连就构成了完整的导电回路。

太阳电池结构示意图

传统晶硅太阳电池的局限性

我们知道硅片是脆性材料，受到外力时易碎。这一特点使得传统的晶硅太阳电池遇到弯曲屋顶时难以和屋面进行贴合，并且在新兴的太阳能飞机、无人机、太阳能动力汽车领域等，对提供动力的电池柔性、轻质、高效的要求更高。科研人员通过高速相机观察发现，单晶硅太阳电池在弯曲应力作用下的断裂总是从单晶硅片边缘处的“V”字型沟槽开始萌生裂痕，该区域被定义为硅片的“力学短板”。

 

太阳能飞机

如何做到让太阳电池像纸一样弯曲？

中国科学院上海微系统所的研究人员通过研究发现，通过钝化“V”字型沟槽的锐度，可以控制单晶硅的断裂行为，改变其在弯曲载荷下的应力状态和变形机制。基于此，研究团队创新地开发了边缘圆滑处理技术，将硅片边缘的表面和侧面尖锐的“V”字型沟槽处理成平滑的“U”字型沟槽。这使得处理后的单晶硅的断裂方式发生了改变，从“脆性”断裂行为转变成“弹塑性”二次剪切带断裂行为，后者更不易断裂，可以像纸张一样进行折叠、弯曲，弯曲的角度甚至可超360度。

同时，由于圆滑处理只限于硅片的边缘区域，因此不会影响硅片表面和背面对光的吸收能力，从而保持了太阳电池的光电转换效率不变。

柔性单晶硅太阳电池的应用前景

该研究团队的成员表示：“由于圆滑策略仅在硅片边缘实施，基本不影响太阳电池的光电转化效率，同时能够显著提升太阳电池的柔性，未来在空间应用、绿色建筑、便携式电源等方面具有广阔的应用前景。”目前，这一柔性太阳能电池板已成功应用于南极科考站可再生能源供电系统等场景。

 

该团队研发的柔性硅太阳能电池成功应用于我国南极科考站供电系统：罗斯海新站和泰山站

现阶段，单晶硅太阳能电池主要应用于分布式光伏电站与地面光伏电站，随着柔性太阳能电池的量产，相信在未来可以广泛应用于建筑、背包、帐篷、汽车、帆船甚至飞机上，为房屋、各种便携式电子及通信设备、交通工具等提供轻便的清洁能源。

 

审核编辑：刘清