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單晶硅太陽(yáng)電池最早由美國(guó)研究者在上世紀(jì)50年代發(fā)明出來(lái)，并用于人造衛(wèi)星，當(dāng)時(shí)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(yáng)能路燈等已經(jīng)成為了傳統(tǒng)的晶硅太陽(yáng)電池的應(yīng)用領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)的晶硅太陽(yáng)電池由于不具備輕質(zhì)、柔性的特征，在彎曲屋頂以及太陽(yáng)能飛機(jī)等特殊場(chǎng)合難以發(fā)揮其作用，限制了晶硅太陽(yáng)電池的應(yīng)用。我國(guó)科學(xué)家采用一種先進(jìn)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(lái)聊一聊太陽(yáng)電池是如何做到像紙一樣進(jìn)行彎曲、折疊的？

晶硅太陽(yáng)電池的工作原理

當(dāng)太陽(yáng)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(duì)，在內(nèi)建電場(chǎng)的左右下，電子和空穴分別向P區(qū)和N區(qū)移動(dòng)。在電池的前表面和背面分別有金屬柵線(xiàn)和背場(chǎng)作為電極用來(lái)收集電荷，當(dāng)在外部加上負(fù)載時(shí)，與太陽(yáng)電池的正負(fù)極相連就構(gòu)成了完整的導(dǎo)電回路。

傳統(tǒng)晶硅太陽(yáng)電池的局限性

我們知道硅片是脆性材料，受到外力時(shí)易碎。這一特點(diǎn)使得傳統(tǒng)的晶硅太陽(yáng)電池遇到彎曲屋頂時(shí)難以和屋面進(jìn)行貼合，并且在新興的太陽(yáng)能飛機(jī)、無(wú)人機(jī)、太陽(yáng)能動(dòng)力汽車(chē)領(lǐng)域等，對(duì)提供動(dòng)力的電池柔性、輕質(zhì)、高效的要求更高?？蒲腥藛T通過(guò)高速相機(jī)觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，單晶硅太陽(yáng)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(kāi)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(yáng)電池像紙一樣彎曲？

中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所的研究人員通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)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(jī)制?；诖?，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地開(kāi)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(jìn)行折疊、彎曲，彎曲的角度甚至可超360度。

同時(shí)，由于圓滑處理只限于硅片的邊緣區(qū)域，因此不會(huì)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)電池的光電轉(zhuǎn)換效率不變。

柔性單晶硅太陽(yáng)電池的應(yīng)用前景

該研究團(tuán)隊(duì)的成員表示：“由于圓滑策略?xún)H在硅片邊緣實(shí)施，基本不影響太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)化效率，同時(shí)能夠顯著提升太陽(yáng)電池的柔性，未來(lái)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(yáng)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(chǎng)景。

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，隨著柔性太陽(yáng)能電池的量產(chǎn)，相信在未來(lái)可以廣泛應(yīng)用于建筑、背包、帳篷、汽車(chē)、帆船甚至飛機(jī)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(yáng)電池是如何“卷”起來(lái)的？