柔性光伏太陽能電池具有輕薄、防震、自供電等特征，有集成到建筑物或可穿戴電子設備中的巨大潛力。如果大家留意就會發(fā)現(xiàn)，晶硅太陽能電池是當今社會中應用廣泛的太陽能電池，在日常生活中隨處可見，盡管科學家們已經(jīng)付出了巨大努力，但是晶體硅太陽能電池不可折彎，脆性較高等局限性大大限制了晶體硅太陽能電池的柔性應用場景。對于常規(guī)的絨面晶體硅晶圓，裂紋的源頭往往發(fā)生在晶圓邊緣處的金字塔谷處，“金字塔谷”是造成應力集中和晶圓彎曲失效的根源。針對這種現(xiàn)象，長沙理工大學劉小春教授和劉玉敬教授采用安徽澤攸科技生產(chǎn)的原位透射電鏡樣品桿，在透射電鏡中對硅片進行了原位彎曲測試，在原位壓縮/彎曲實驗中，他們發(fā)現(xiàn)壓縮或者彎曲時傳統(tǒng)晶體硅太陽能電池表面呈金字塔谷的應力集中現(xiàn)象，這與動態(tài)分子動力學模擬結果吻合較好，證實了傳統(tǒng)的晶體硅電池在彎曲時金字塔谷應力容易集中。

針對這種現(xiàn)象，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所劉文柱等人提出了一種鈍化晶圓邊緣處金字塔結構的方法，來提高硅晶圓的柔性，從而用于制備柔性太陽能電池。他們發(fā)現(xiàn)，鈍化后的硅基片在斷裂過程中會消耗更多能量，從而使晶體硅具備了‘柔性’特質(zhì)。劉小春教授團隊人員也借助于先進的球差校正透射電子顯微鏡表征技術和幾何相位分析方法（GPA analysis），驗證了邊緣鈍化硅基片具有柔性特征的深層次機理。

基于這種創(chuàng)新性的邊緣鈍化技術，研究人員使大規(guī)模商業(yè)化的硅太陽能電池能像紙張一樣折疊、彎曲。工藝改進后的太陽能電池在邊對邊彎曲1000次之后仍然能夠100%保持彎曲前的轉(zhuǎn)換效率。相關研究成果以“Flexible solar cells based on foldable silicon wafers with blunted edges.”為題發(fā)表在頂級期刊《Nature》上。劉文柱，劉玉敬，楊自強，徐常清為該論文的共同作者，劉文柱（中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所）、劉小春（長沙理工大學）、張麗平（中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所）、孟凡英（中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所）、狄增峰（中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所）、劉正新（中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所）為論文的共同通訊作者。

圖1：可折疊硅基片：a，通過酸溶液有效去除邊緣區(qū)域的鋒利金字塔得到織構化的晶體硅基片。b，140微米厚的織構化晶體硅基片的垂直加載力-位移曲線，其中邊緣區(qū)域在氫氟酸、硝酸混合酸溶液中鈍化0、15和30秒。c，繪制了表面有金字塔特征織構化晶體硅基片（60微米厚）的撓曲半徑—混合酸溶液鈍化時間曲線。為了進行比較，顯示了60微米織構化晶體硅基片和準平面晶體硅基片的撓曲半徑。我們還計算了60微米厚晶體硅基片的理論撓曲半徑為Rb = ED/2σ，其中E，D和σ分別是彈性模量，晶片厚度和拉伸屈服強度的模量。插圖：尺寸為15.6 cm×15.6 cm的60微米織構化晶體硅基片，其中邊緣區(qū)域在酸溶液中鈍化了90 秒。

圖2：斷面幾何相位分析：a，b，具有尖銳(a)和圓潤(b)金字塔的硅晶片斷面的形貌。粉紅色的線標記了用聚焦離子束加工沉積的位置，為了保護樣品斷面在透射電子顯微鏡下觀察。c，d，高分辨高角環(huán)形暗場掃描透射原子圖像顯示了從硅晶片斷裂面沿著[001]方向觀察的幾十個原子排列的深度，具有尖銳(c)和圓潤(d)金字塔，其中在斷裂面上沉積了保護碳層。幾何相位分析區(qū)域通過虛線方格突出顯示。e，f，尖銳金字塔晶片x方向(e)和y方向(f)的彈性點陣應變分布。g，h，圓形金字塔晶片x方向(g)和y方向(h)的彈性點陣應變分布。白色箭頭標志著巨大的擴張應變。正值和負值分別代表晶格膨脹和收縮。x方向平行，y方向垂直于a和b中標記的斷面。標尺，5?微米 (a,b)；5?納米 (c-h)。

支撐數(shù)據(jù)圖2：原位彎曲實驗。a，ZEPTOOLS(澤攸科技)透射電鏡原位力學樣品桿。b，用壓電機械臂控制的鎢針尖處理晶體硅箔的左側。c，在加載彎曲力之前，彎曲輪廓線隨機分布在晶體硅箔上。d，加載彎曲應力之后，這些彎曲輪廓線收集在金字塔之間的尖銳通道中(白色箭頭)，表明大部分應力集中在這些尖銳通道中。黃色方框表明加載彎曲力后，大部分應力轉(zhuǎn)移到附近的尖銳通道。在這里，暗條紋是由應力誘導的晶格變形引起的。

圖4：光伏模組穩(wěn)定性。a，柔性硅異質(zhì)結太陽能電池在彎曲循環(huán)過程中的性能演變。在每個循環(huán)中，一個邊緣折疊以接觸相反的邊緣。這種折疊保持超過10秒。b，將大型（>10000 cm2）柔性硅異質(zhì)結太陽能模組附加到氣囊上。氣囊內(nèi)部的壓力比大氣壓大94.7-830 帕斯卡。通過風扇將空氣吹在模塊上模擬30?米每秒的劇烈風暴20?分鐘。c，d，模塊的功率(c)和電致發(fā)光圖像(d)，連續(xù)空氣沖擊20?分鐘模擬劇烈風暴。e，5個柔性硅異質(zhì)結太陽能模組在零下70?℃和85?℃之間凍融循環(huán)120?小時前后的相對功率。在每個循環(huán)中，模塊在零下70?℃下保持1?小時，然后在85?℃下保持1?小時。

Nature副主編Yohan Dall’Agnese評論到：當我第一次閱讀這項研究時，我印象深刻的是，簡單地鈍化硅片的邊緣可以帶來靈活性和效率之間的較好平衡。這項工作還突出了它對織構化晶硅片的機械性能的洞察，以及作者利用這些特性來開發(fā)高性能柔性太陽能電池的創(chuàng)造力，并為大規(guī)模應用提供了一個令人信服的案例

劉文柱&劉正新研究團隊希望這項工作和由此產(chǎn)生的柔性太陽能模塊的演示將刺激大規(guī)模柔性太陽能電池市場的增長。此外，該研究團隊已經(jīng)證明材料的機械性能并不完全由其原子水平上的晶格結構決定；中尺度對稱性也有顯著的作用。這一發(fā)現(xiàn)可能與包括但不限于太陽能電池制造在內(nèi)的領域有關。它也可能引起其他領域研究人員(例如遇到材料脆性挑戰(zhàn)的柔性電子器件)的廣泛興趣。60微米晶體硅基片的理論彎曲半徑應該在0.72毫米左右，研究團隊目前不知道為何能夠達到的彎曲半徑只有4毫米左右。進一步的研究應集中在探求晶片側面(相對于它的邊緣)上硅晶格的取向是否影響機械性能。未來該研究團隊將嘗試通過優(yōu)化晶片邊緣切割的角度來進一步減小晶片的彎曲半徑，希望這將進一步推動自供能飛機等應用的發(fā)展。

作為澤攸科技戰(zhàn)略合作伙伴，長沙理工大學有多套澤攸科技的電子顯微鏡原位表征儀器，特別鳴謝長沙理工大學劉小春教授、劉玉敬教授、吳翔老師在澤攸科技電子顯微鏡原位表征產(chǎn)品宣傳推廣方面做出的貢獻！

文中實驗方法截圖

ZEM18臺式掃描電鏡

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