二、破解硅片“力學(xué)短板”，柔性晶硅太陽電池取得革命性突破

　　上海微系統(tǒng)所研究團隊通過高速相機觀察發(fā)現(xiàn)，太陽電池的單晶硅片在彎曲應(yīng)力作用下的斷裂總是從硅片邊緣處的“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”。根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，該團隊創(chuàng)新地采用濕法化學(xué)反應(yīng)和干法等離子體反應(yīng)圓滑處理兩種不同的技術(shù)方案，通過表面的各向異性反應(yīng)，將硅片邊緣表面和側(cè)面尖銳的“V”字型溝槽圓滑處理成平滑的“U”字型溝槽，改變了硅片邊緣和側(cè)面在介觀尺度上的結(jié)構(gòu)對稱性。結(jié)合有限元分析、動態(tài)應(yīng)力載荷下的分子動力學(xué)模擬和球差透射電子顯微鏡的殘余應(yīng)力分析，揭示了介觀對稱性變化與實現(xiàn)將單晶硅的“脆性”斷裂行為轉(zhuǎn)變成“彈塑性”二次剪切帶斷裂行為的關(guān)聯(lián)關(guān)系。此外，圓滑處理只限于硅片邊緣區(qū)域，因此基本不影響硅片對光的捕獲能力，從而保持了太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率基本不變。該結(jié)構(gòu)設(shè)計方案可以顯著提升硅片的“柔韌性”，60微米厚的硅片能完成類似于A4紙折疊的動作，最小彎曲半徑可實現(xiàn)5毫米以下，彎曲角度逾360度電池在經(jīng)歷1000次左右彎曲循環(huán)后仍然能夠保持100%的初始效率，并在量產(chǎn)線成功驗證了工藝放大生產(chǎn)的可行性。

　　上海微系統(tǒng)所研發(fā)的器件是柔性太陽電池研究領(lǐng)域的革命性突破。之前大多數(shù)報道的柔性太陽電池轉(zhuǎn)換效率低于20%，該研究實現(xiàn)了器件尺寸和轉(zhuǎn)換效率的顯著增加，分別從4平方厘米和23.27%增加到244.3平方厘米和24.5%。工業(yè)規(guī)模的柔性晶硅太陽電池的實現(xiàn)表明，其技術(shù)路線與標(biāo)準(zhǔn)化的商業(yè)生產(chǎn)兼容。在組件層面，柔性硅異質(zhì)結(jié)組件沒有厚重的玻璃和背板，這使得質(zhì)量功率比非常小，為2.31克每瓦，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)單面和雙面晶硅太陽能組件的45.57克/瓦和82.93克/瓦。本研究中展示的柔性硅異質(zhì)結(jié)組件可以解決快速發(fā)展的建筑集成光伏研究領(lǐng)域遇到的承重問題，并使晶硅太陽能組件能夠附著在具有平坦或彎曲表面的建筑墻壁上。

　　該項研究在國際上產(chǎn)生了巨大反響。領(lǐng)域?qū)＜野拇罄麃喰履贤�爾士大學(xué)Bram Hoex評價說：“硅太陽電池目前在光伏市場上占主導(dǎo)地位，但它們的柔韌性因其金字塔結(jié)構(gòu)而受到阻礙。使用具有‘鈍化’周邊的薄硅片，制備得到了柔性太陽電池，對于這樣的薄設(shè)備來說，其效率令人印象深刻。因此，該研究解決了薄硅太陽電池的主要障礙——脆性。這一結(jié)果可能會改變?nèi)嵝蕴�陽電池�?yīng)用的游戲規(guī)則”[7]。Nature雜志副主編評價說：“當(dāng)我第一次讀到這項研究時，對簡單地鈍化硅片的邊緣就能帶來柔性和高效率之間的適當(dāng)平衡印象深刻。這項工作還因其對有紋理的晶體硅片的機械性能的見解而脫穎而出，作者利用這些性能開發(fā)高性能的柔性太陽電池，并為大規(guī)模應(yīng)用提供了令人信服的理由，這些結(jié)果非常引人注目�！痹撐牡囊晃粚徃迦酥赋觯瑢τ谇�率半徑很小的太陽電池應(yīng)用場景，該工作將成為“游戲規(guī)則”的改變者。另一位審稿人則表示：“無論從哪個角度該科研工作都是一流水平的”。


　　1、柔性銅銦鎵硒薄膜太陽電池（CIGS）

　　經(jīng)過多年的發(fā)展，柔性CIGS已經(jīng)具備大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)條件。高效率上限和良好的穩(wěn)定性是CIGS太陽電池的優(yōu)點。柔性CIGS太陽電池最關(guān)鍵的吸收層的制備，仍需要克服許多技術(shù)難關(guān)，目前研究最廣泛的是共蒸發(fā)法和濺射后硒化法，另外通過本征缺陷、摻雜、錯配等方法對吸收層進行調(diào)控，也是提升CIGS性能的有效途徑。近年來通過制備工藝的不斷創(chuàng)新，取得了很多進展，電池效率和規(guī)�；�效率逐步提升。

　　2019年，漢能MiaSolé采用柔性濺射法研發(fā)的銅銦鎵硒薄膜太陽小面積芯片（單位面積0.86平方厘米）轉(zhuǎn)換效率達(dá)到20.56%。同期，經(jīng)德國弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所（Fraunhofer ISE）驗證，漢能MiaSolé制備的商用大尺寸柔性銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽能組件（采光面積1.08平方米），采光面積光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了17.44%，創(chuàng)下大面積柔性CIGS組件效率最新世界紀(jì)錄[8]。2021年，瑞士聯(lián)邦材料測試與開發(fā)研究所的Ayodhya N. Tiwari團隊開發(fā)了低溫沉積工藝，在聚合物薄膜襯底上生產(chǎn)的柔性銅銦鎵硒太陽能電池效率達(dá)到了21.4%[9]，2022年采用低溫沉積工藝開發(fā)出CIGS（銅銦鎵二硒）雙面薄膜太陽能電池，其將光轉(zhuǎn)化為電能的效率實現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的30%以上，其前照式的效率達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的19.77%，后照式的效率達(dá)到10.89%[10]。2023年6月，尚越光電采用獨特的卷對卷銅網(wǎng)壓印工藝，規(guī)模化量產(chǎn)CIGS組件最高效率，認(rèn)證最高效率超過17.75%（超越了此前由MiaSole保持的17.44%的世界記錄）[11]。

　　2、柔性碲化鎘太陽電池（CdTe）

　　CdTe是一種II-VI族化合物半導(dǎo)體，吸收率較高，適合于制作成薄膜太陽電池的吸收層，理論效率高達(dá)28%~-29%，是實現(xiàn)建筑單體玻璃幕墻低成本和低能耗的選擇。其生產(chǎn)主要采用近空間升華（CSS）和氣相傳輸沉淀（VTD）兩種方法，兩種方法理論都是可以滿足技術(shù)和商業(yè)化要求，不過實際應(yīng)用中需要積累生產(chǎn)經(jīng)驗不斷優(yōu)化生產(chǎn)工藝。

　　目前實驗室CdTe太陽電池的最高轉(zhuǎn)換效率為First Solar公司2016年取得的22.1%，擁有獨家VTD技術(shù)專利。2022年龍焱能源采用CSS技術(shù)，實現(xiàn)了碲化鎘薄膜標(biāo)準(zhǔn)光伏組件（0.72 m2，1200 mm*600 mm）的批量化生產(chǎn)，組件最高輸出功率達(dá)到123.73 W，即全面積光電轉(zhuǎn)換效率17.19%，另外公司的碲化鎘實驗室小面積電池轉(zhuǎn)換效率也已取得了突破，達(dá)到20.61%[12]。

　　3、柔性有機太陽電池

　　柔性有機太陽能電池由于具有柔性、輕質(zhì)、超薄、無毒、顏色可調(diào)以及可高通量大面積印刷制備等優(yōu)點一直備受關(guān)注。目前大面積柔性器件的效率與小面積剛性有機太陽電池之間還存在著很大差距。基于塑料基底制備的柔性透明電極在面電阻、透光率、可加工性以及穩(wěn)定性等方面受到極大限制。同時目前的涂布技術(shù)難以精確掌控有機薄膜的厚度，不利于有機太陽能電池向大面積生產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。近年來，通過柔性透明電極開發(fā)，給受體分子的設(shè)計與合成、活性層形貌調(diào)控和涂布工藝優(yōu)化，在提升效率方面取得了一系列研究成果。

　　2020年5月，韓國蔚山國立科學(xué)技術(shù)研究所（UNIST）的Changduk Yang教授和Hyesung Park教授團隊制備了一種聚酰亞胺-石墨烯（PI@GR）新型透明電極應(yīng)用于柔性有機太陽能電池，實現(xiàn)了15.2%的光電轉(zhuǎn)換效率，是當(dāng)時報道的柔性有機太陽能電池的最高數(shù)值[13]。2021年5月，蘇州大學(xué)李耀文教授等人與瑞典林雪平大學(xué)高峰教授團隊合作，提出有機太陽能電池活性層的主客體材料設(shè)計策略，制備了高效大面積有機太陽能電池組件，解決了可溶液印刷有機太陽能電池在大面積模組制備過程中的多個瓶頸性問題[14]。2022年6月，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所葛子義團隊運用三元策略引入能級匹配和光譜互補的聚合物客體，有效構(gòu)筑了纏繞結(jié)構(gòu)形態(tài)的活性層，效率達(dá)16.52%，具有較好的機械穩(wěn)定性，在1000次連續(xù)循環(huán)彎曲（彎曲半徑r=2 mm）后仍可保持初始能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）的97.5%[15]。2022年6月13日，通過調(diào)整原子取向構(gòu)建非富勒烯第三組分受體，設(shè)計并合成了兩種具有異構(gòu)中心缺電子核單元的Y6衍生物QX-α和QX-γ，基于D18:N3:QX-α的剛性和柔性器件的PCE分別高達(dá)19.33%和18.01%（最佳柔性器件效率）[16]。2022年12月，國家納米科學(xué)中心魏志祥研究員、呂琨研究員、張建齊副研究員團隊發(fā)現(xiàn)兩種受體Qx-1和Qx-2應(yīng)用于槽模涂覆過程，PM6:Qx-1的30 cm2的大面積模塊，功率轉(zhuǎn)換效率超過12%[17]。

　　4、柔性鈣鈦礦太陽電池

　　柔性鈣鈦礦太陽電池（FPSCs）由于制備工藝簡單，原材料成本低廉，極具商業(yè)化潛力，成為近年來太陽電池領(lǐng)域的研究熱點。在FPSCs的制造中主要采用聚合物基板和金屬箔兩種類型的柔性基板，高質(zhì)量的柔性襯底需要兼顧優(yōu)異的光學(xué)特性和穩(wěn)定的物理化學(xué)耐性并保持柔性特質(zhì)。雖然FPSCs設(shè)備在最近幾年取得了重大進展，但冠軍PCE仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于剛性設(shè)備。除了柔性導(dǎo)電基底之外，包括吸收層、電子傳輸層（ETL）、空穴傳輸層（HTL）和柔性界面在內(nèi)的功能層對于改善器件性能也起著不可或缺的作用[18]。近期，國內(nèi)外一些團隊在提升各功能層性能、界面彎曲穩(wěn)定性，以及開發(fā)薄且兼容柔性的復(fù)合層方面取得了一定進展。

　　2023年2月15日，蘇州大學(xué)李耀文等人報道原位交聯(lián)輔助鈣鈦礦薄膜生長的方法，以削弱鈣鈦礦生長過程對基底的依賴性以及鈣鈦礦薄膜本征脆性，實現(xiàn)了鈣鈦礦能夠在塑性基底上生長[19]，在面積為0.062 cm2的柔性鈣鈦礦電池器件實現(xiàn)了23.4%紀(jì)錄效率（認(rèn)證效率22.9%）。4月4日，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員葛子義團隊采用預(yù)埋式ETL與自下而上的策略，實現(xiàn)效率超過23%的柔性鈣鈦礦太陽電池[20]，這是目前國際上報道的柔性鈣鈦礦電池最高效率之一。此外，在彎曲半徑為5 mm、循環(huán)彎曲4000次后仍可以保持初始轉(zhuǎn)換效率的84%以上。4月27日，復(fù)旦大學(xué)楊迎國團隊利用碳量子點摻雜SnO2，明顯改善了鈣鈦礦的結(jié)晶度和相純度[21]。該柔性n-i-p鈣鈦礦太陽電池的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)23.57%（認(rèn)證效率22.75%），是單結(jié)n-i-p柔性鈣鈦礦太陽電池的最高值之一。并且在彎曲半徑為6毫米的情況下，經(jīng)過2500次彎曲循環(huán)后，保持了>90%的初始效率。4月30日，大連化物所楊棟研究員和劉生忠研究員團隊采用電子傳輸層中氧空位缺陷填充的策略[22]，制備出面積為36.50 cm2的柔性鈣鈦礦電池組件，效率達(dá)到18.71%，這是目前有文獻報道的大面積柔性鈣鈦礦組件最高效率。同時，柔性鈣鈦礦組件表現(xiàn)出良好得機械性能，器件在彎曲1000次后，仍可保持83%的初始效率。（朱丹晨）