5月24日，國際頂級學(xué)術(shù)雜志《自然》主刊以封面文章形式刊發(fā)由我校“湖湘學(xué)者”特聘教授劉小春科研團(tuán)隊(duì)和國內(nèi)外多家科研機(jī)構(gòu)團(tuán)隊(duì)合作完成的突破性研究成果。論文題目為 Flexible solar cells based on foldable silicon wafers with blunted edges。學(xué)校為第三順位署名單位，材料科學(xué)與工程學(xué)院劉小春博士和劉玉敬博士分別是論文的共同通訊作者和共同第一作者。文中，圍繞晶硅太陽能電池制備中的關(guān)鍵科學(xué)問題，劉小春團(tuán)隊(duì)采用先進(jìn)的雙球差校正透射電子顯微鏡（以下簡稱TEM）表征技術(shù)，揭示了基片從本征“脆性”向輕質(zhì)“柔性”轉(zhuǎn)變的微觀機(jī)理，為研發(fā)更輕質(zhì)、更高效率、更低成本，可突破傳統(tǒng)應(yīng)用場景的柔性晶硅太陽能電池奠定了理論基礎(chǔ)。
5月24日《自然》以封面文章形式刊發(fā)以劉小春科研團(tuán)隊(duì)和國內(nèi)外多家科研機(jī)構(gòu)團(tuán)隊(duì)合作完成的突破性研究成果
晶硅太陽能電池以晶硅為基體材料，是目前最廣泛應(yīng)用于光伏產(chǎn)業(yè)的太陽能電池。在科學(xué)界與工程界，晶硅太陽能電池被公認(rèn)為一種脆性電池，雖已廣泛存在于地面等人們熟知的生活場景，但因其不可彎折等特性，仍受限于太空等應(yīng)用場景。不斷提升晶硅太陽能電池的效率、拓寬其適用場景成為全世界光伏產(chǎn)業(yè)的共同愿景。
第一通訊作者和第一作者、中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所副研究員、我校客座教授劉文柱創(chuàng)新性地采用硝酸/氫氟酸化學(xué)鈍化法和等離子體各向同性刻蝕方法，制備出可大角度彎折的太陽能電池模組。
劉小春團(tuán)隊(duì)從理論上闡述了柔性太陽能電池模組的內(nèi)在變形與斷裂機(jī)理。劉玉敬采用澤攸科技提供的原位TEM探針樣品桿，對硅基片進(jìn)行TEM原位彎曲測試，觀察到傳統(tǒng)晶硅太陽能電池表面呈金字塔谷的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這與百萬級原子動態(tài)分子動力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)相吻合，證實(shí)了曲率半徑小的金字塔谷易造成應(yīng)力集中效應(yīng)，從而導(dǎo)致傳統(tǒng)硅太陽能電池?zé)o法承受彎曲應(yīng)力，呈現(xiàn)“脆性”的微觀機(jī)理。
“‘金字塔谷’是造成應(yīng)力集中和失效的根源，但對晶硅材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)鈍化處理可改變硅基片的斷裂方式。我們發(fā)現(xiàn)，鈍化后的硅基片在斷裂過程中會消耗更多能量，從而使晶硅具備了‘柔性’特質(zhì)。當(dāng)然，這一結(jié)論也得到了幾何相位分析方法的驗(yàn)證。”劉小春說。
太陽能電池硅基片金字塔尖和塔谷進(jìn)行鈍化處理前后形貌對比：（A）處理前，（B）處理后，以及（C）可彎曲柔性硅基片及太陽能電池實(shí)物圖
鈍化處理前后太陽能電池片彎曲變形斷裂形貌，及斷裂面下方原子尺度結(jié)構(gòu)和幾何相位分析應(yīng)變分布：鈍化處理前（a,c,e,f）與鈍化處理后（b,d,g,h）
上述研究為鈍化處理硅基片這一創(chuàng)新工藝的產(chǎn)業(yè)化推廣提供了堅(jiān)實(shí)的理論支撐。當(dāng)前基于該技術(shù)，其面積達(dá)240平方厘米、光電轉(zhuǎn)化效率超24%、柔性可折疊的硅太陽能電池性能穩(wěn)定，即使經(jīng)過雙面對折彎曲測試1000次后，功率仍然保持100%。當(dāng)前，這一柔性太陽能電池板已成功應(yīng)用于南極科考站可再生能源供電系統(tǒng)等場景。展望未來，這一技術(shù)的突破或?qū)泶笠?guī)模柔性太陽能電池的爆炸式增長。
本工作研發(fā)的柔性硅太陽能電池成功應(yīng)用于我國南極科考站供電系統(tǒng)：羅斯海新站和泰山站
據(jù)悉，本次在《自然》雜志上發(fā)表的柔性硅太陽能電池原創(chuàng)性科研成果，由來自長沙理工大學(xué)、中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、中國科學(xué)院航空航天信息研究所、通威太陽能（四川）有限公司和上海科技大學(xué)等國內(nèi)外20家科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)的47名科學(xué)家、企業(yè)家共同完成。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委、上海市科學(xué)技術(shù)委員會、張江國家實(shí)驗(yàn)室和長沙理工大學(xué)科研啟動資金的支持。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05921-z
（文/葉正芳 圖/劉小春 審/王進(jìn)）
