1 工作简介

         ——用于空间飞行器的柔性单晶硅太阳电池

二十世纪五十年代，贝尔实验室研究人员发明了单晶硅太阳电池，实现了太阳光能转换成电能。单晶硅本身是脆性材料，在外部弯曲应力作用下容易发生碎裂，单晶硅太阳电池柔性化是世界难题，相关研究近半世纪进展缓慢。然而，低轨卫星、临空无人机、平流层飞艇等蓬勃发展，需要发展大面积轻质柔性单晶硅太阳电池，满足其在苛刻服役条件下能源需求。在国家杰出青年基金等项目的支持下，围绕高效、轻质、大面积、低成本柔性单晶硅太阳电池及其在临近空间示范性应用，开展联合攻关，取得系列重要进展。中国科学院上海微系统与信息技术研究所刘正新、狄增峰研究员团队（以下简称“团队”），针对传统单晶硅太阳电池易于破碎的严重缺陷，团队通过高速相机观察发现，太阳电池用单晶硅片在弯曲应力作用下的断裂总是从边缘处的微型尖锐“V”型沟槽开始萌生裂痕，该区域定义为“力学短板”。据此，针对性地开发了边缘圆滑处理技术，将硅片边缘的表面、侧面和侧棱的尖锐“V”字型沟槽圆滑处理成平滑的“U”字型沟槽，改变介观尺度上的结构对称性。利用有限元分析、动态应力载荷下的分子动力学模拟和球差透射电子显微镜的残余应力分析，揭示了介观对称性的变化，使单晶硅的“脆性”断裂行为转变成“弹塑性”二次剪切带断裂行为的物理机制，显著提升了硅片的“柔韧性”，60微米厚的单晶硅片可以像A4纸一样进行折叠操作，最小弯曲半径达到5毫米以下。团队在国际上率先开发出工业尺寸柔性单晶硅太阳电池，光电转换效率达到24.5%，远高于其他低成本柔性太阳电池。在360度卷曲弯折力学循环测试下，电池性能保持不衰减，实现了力学韧性和抗震性的跨越式提升（图1）。

_{图1. 通过介观对称性设计成功开发柔性单晶硅太阳电池及组件。}

中国可再生能源学会组织专家对团队的科技成果进行鉴定评价：“发明了柔性单晶硅硅片薄、柔、轻制备技术，开发了超薄柔性硅异质结（HJT）太阳电池和组件，成功应用于临近空间飞行器能源系统和南极科考站可再生能源供电系统，拓展了单晶硅太阳电池应用的新方向，总体技术水平达到国际领先”。该成果以封面形式发表于《自然》（Nature）杂志（图2）；并在国际三大顶级光伏盛会之一的国际光伏科学与工程会议斩获滨川奖Hamakawa Award和青年科学家奖Young Scientist Award。

_{图2. 该工作以封面形式发布于《自然》杂志，被中央电视台报道。}

基于上述技术，针对临空无人机和平流层飞艇等临近空间飞行器对光伏组件的结构和可靠性需求，进一步解决了结构强度、隔热、环境可靠性等难题，实现柔性单晶硅太阳电池与临空无人机和平流层飞艇机囊一体化集成。柔性单晶硅太阳电池组件质量比功率达到345瓦/千克，领先于美国同类技术，用于我国首架太阳能无人机，实现进口替代，并开始规模化应用（图3）；同时，参与中国科学院先导专项，用于平流层飞艇，有力服务于国家重大战略需求。

_{图3. 开发的大面积高效柔性单晶硅太阳电池组件应用于我国空间飞行器。}

2 作者简介

第一作者、通讯作者

刘文柱，博士，中国科学院上海微系统与信息技术研究所副研究员，上海市启明星人才计划。

研究方向为非晶硅/单晶硅异质结太阳电池、硅/钙钛矿叠层太阳电池和光伏产品在极端环境中的运行可靠性。在Nature、Nature Energy、Joule等杂志以第一作者兼通讯作者发表学术论文多篇。获上海市科技发明一等奖（4/14）、中国科学院上海分院科技创新“十大进展”（1/3）、中国可再生能源学会科学技术人物奖、PVSEC Young Scientist Award等。

共一作者

刘玉敬，长沙理工大学特聘教授。

长期从事钛合金的成分设计和工艺研发，2022和2023年连续入选斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家榜单”，荣获长沙理工大学“湖湘学者”拔尖一类人才称号。博士毕业于澳大利亚伊迪斯科文大学，2017年到2020年在西澳大学（世界百强大学）任职博士后，在钛合金、增材制造和柔性单晶硅太阳能电池大量的科研成果，部分成果被央视新闻、新华网、湖南电视台、科技日报、科学网、科学工作者之家和材料人等知名媒体大量报道和广泛传播。截至到目前，主持国家自然科学青年基金一项，湖南省自然科学青年基金一项，参与澳大利亚ARC科研项目一项。在Nature、Materials Science and Engineering: R. Reports、Advanced Materials、Applied Materials Today、 Acta Materialia、Composites Part B: Engineering和Scripta Materialia等杂志发表SCI收录论文70多篇，谷歌学术引用5500次，9篇SCI高被引文章，单篇最高SCI引用505次，申请相关专利20余项，被多次邀请参加国际学术会议。

共一作者

杨自强，沙特阿美石油公司高级工程师。

主持石油藏储科学计算科研项目。2022年毕业于阿卜杜拉国王科技大学，取得博士学位，在学期间获得机械工程学院院长奖。在成像与传感高速流体成像实验室流体力学专业排名第一。以第一或通讯作者在Nature、Journal of Fluid Mechanics、American Physical Society等期刊或会议发表多篇高水平研究论文，获得国际发明专利两项。

共一作者

徐常清，博士，南京师范大学教授。

研究方向为声/光波动功能材料。以第一作者发表学术论文十余篇，部分代表作发表在Physical Review Letters、Science Bulletin、Physical Review Applied、Physical Review B、Applied Physics Letters、Optics Express等国际主流杂志。以共同第一作者发表Nature一篇。2022年申获江苏省特聘教授，2023年获南师大“中青年领军人才”。

通讯作者

刘小春，长沙理工大学金属研究所所长，特聘教授，湖湘学者，入选湖湘青年科技创新人才，湖南省优秀青年基金获得者。

长期从事材料微观结构定量表征工作，以第一作者和通讯作者在Science、Nature、Acta Materialia等杂志上发表论文多篇。2021年6月创办“凯普乐电子显微分析中心”，获得了常熟市科技创新创业领军人才计划支持以及江苏省产业技术研究院的立项。

通讯作者

张丽平，博士，中国科学院上海微系统与信息技术研究所副研究员。

主要从事高效率硅异质结太阳电池关键技术研发，2023年获得国际第三方认证26.3%的高效率硅异质结太阳电池。参与研究开发了超薄硅异质结太阳电池和组件，成功应用在长航时临近空间飞行器能源系统，取代了进口，荣获2022年度上海市科技发明一等奖。

通讯作者

孟凡英，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员，博士生导师。

研究方向为太阳能光伏材料与器件、器件可靠性。在Nature、Applied Physics Letter、 Journal of Applied Physics、Solar Energy Materials and Solar Cells等专业学术期刊发表论文100余篇，发明专利10余项。曾获中国科学院BR计划、上海市科技系统三八红旗手称号，获上海市技术发明一等奖1次、上海市科技进步二等奖1次、教育部科技成果奖1次。现任科技委能源动力专家组责任专家、上海市太阳能学会理事、太阳能学报编委。

通讯作者

狄增峰，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员，博士生导师。

长期从事硅基材料、器件与电路研究，在Nature、 Nat. Electron、Sci. Adv.、Nat. Commun.等共发表SCI论文180余篇。授权国际发明专利6项，授权国内发明专利100余项。先后获得基金委杰出青年科学基金、中国青年科技奖、上海市自然科学一等奖、上海市青年科技杰出贡献奖等。

通讯作者

刘正新，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员，上海科技大学兼职教授。

主要从事高效率太阳电池技术研发和产业化、太阳电池标准测试技术研究和标准化。担任国际电工委员会太阳能光伏能源标准委员会（IEC TC82）副主席，全国太阳光伏能源系统标准化委员会副主任委员，中国光伏行业协会标准委员会副主任，获得上海市科技发明一等奖、PVSEC Hamakawa Award等。

3 原文传递

详情请点击论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05921-z‍