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我国科学家重大突破!像纸一样可弯曲折叠的太阳能电池,来啦!

柔性太阳能电池,终于来了!而且,是咱们中国科学家研究出来的。它像纸一样薄,可以反复折叠上千次。

在此之前,薄膜太阳能领域,有一个著名的失败者——汉能。另外,中国光伏教父施正荣博士投资的上迈新能源,也一直致力于这方面的研究。

在本届SNEC展会上,赶碳号还注意到日托光伏有柔性轻质组件产品在现场展示,颇有些惊艳。

当下的光伏圈多少有点浮躁,但光伏科学研究领域,却很有些“静气”。从研究成果到产业化,肯定还有很长的路要走,但是仍要为年轻的中国科学家们点赞!

超薄、可弯曲的太阳能电池来了!

我国科研人员开发了一种边缘圆滑处理技术,基于该技术研发的柔性单晶硅太阳能电池,薄如纸,厚度60微米,而且可以像纸一样进行弯曲、折叠。相关研究成果5月24日在线发表于《自然》杂志,并被选为封面文章。

柔性单晶硅太阳能电池组件成功应用于临近空间飞行器、光伏建筑一体化、车载光伏等领域。

厚度只有60微米的太阳能电池

单晶硅太阳能电池是当前开发最快的一种太阳能电池,具有使用寿命长、制备工艺完善以及转化效率高的优点,是光伏市场的主导产品。

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,如果将其做成可以弯曲的柔性太阳能电池,就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。

论文共同通讯作者、中科院上海微系统所研究员刘正新表示,由于单晶硅是一种高纯度的硅材料,具有非常高的结晶度,是一种硬度高的脆性材料,难以制成柔性太阳电池。

硅片是脆性材料,容易碎。像人们撕一张纸或者碎一个东西,一般都是从边上开始碎,太阳电池也是这样。因为做太阳电池都会在表面进行处理,做成凹凸不平的结构,能更好地吸收太阳光,通常叫“金字塔结构”。

这一次,研究团队找到了破解谜题的关键。

他们通过高速相机观察发现,单晶硅太阳电池在弯曲时的断裂,总是从单晶硅片边缘处的“V”字形沟槽开始萌生裂痕,这个区域也被定义为硅片的“力学短板”。

有了这个发现以后,研究人员就开发了相应的边缘圆滑处理技术,就是把边缘很尖锐的“V”形凹槽处理成圆滑的,把它磨成“U”形,从专业上说叫“介观结构的对称性处理”,这样处理以后就不容易断裂。

《自然》杂志称,刘文柱与刘正新的研究“改变了规则”。

论文指出,这种边缘钝化技术可实现大规模(>240 cm)的商业化生产,高效的(>24%)硅太阳能电池,并且可以像一张纸一样卷起。

在1,000次左右弯曲循环后,该电池仍能保持100%的功率转换效率。在组装成大型(>10,000 cm2)柔性模块后,这些电池在-70°C至85°C之间热循环120小时后仍保留99.62%的功率。此外,当连接到软气囊时,它们在暴露于气流中20分钟后仍保留96.03%的功率——软气囊模拟暴风雨中的风。

在此之前,由非晶硅、Cu(In,Ga)Se2、CdTe、有机物和钙钛矿制成的薄膜太阳能电池实现了柔韧性,但由于功率转换效率较低,它们的使用受到限制。而且,以钙钛矿电池为例,会有有毒物质释放到环境中,而且在大面积、以及不稳定的操作条件下,性能表现较差。

在过去,很多从事柔性太阳能电池的企业都倒闭了——最有名的例子当属汉能。

柔性太阳电池在移动通信、车载移动能源、航空航天等诸多领域具有广泛的应用空间,轻薄、便携、可弯曲,同时还不会降低转换效率,此次柔性单晶硅太阳电池的开发,不仅能够降低太阳电池的生产成本,还将为太阳能光伏应用场景打开一片新天地。

刘正新介绍,减薄以后,电池可以柔性弯曲,产生几个用途:

一个是可以携带,因为它轻了;第二就是在曲面的屋顶,甚至墙面上更容易安装;第三,现在很多新能源车,都有很大的储能电池,如果装在车顶上也是可以用的。另外,很多人用无人机来摄影、进行通讯和资源探测,如果装上这种太阳电池,它既轻效率又高,可以长航时飞行,对通信应用、资源勘测、军事应用等都有很大的帮助。

去年9月,中国科学院上海微系统与信息技术研究所微系统技术重点实验室研究员刘正新团队联合电子科大教授刘明侦团队,开发了转换效率接近29%的钙钛矿/硅异质结SHJ叠层太阳电池,成为当时基于产业化全绒面SHJ太阳电池的最高效率。

中科院上海微系统所新能源技术中心自2010年成立以来,聚焦非晶硅/单晶硅异质结太阳电池的研究开发,取得了多个原创性科研成果,且多项重要研究成果在临近空间开发、极地科考站可再生能源供电等领域获得了规模化、产业化应用。

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