刘小春科研团队揭示了基片从本征“脆性”向轻质“柔性”转变的微观机理

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5月24日，国际顶级学术杂志《自然》主刊以封面文章形式刊发由我校“湖湘学者”特聘教授刘小春科研团队和国内外多家科研机构团队合作完成的突破性研究成果。论文题目为 Flexible solar cells based on foldable silicon wafers with blunted edges。学校为第三顺位署名单位，材料科学与工程学院刘小春博士和刘玉敬博士分别是论文的共同通讯作者和共同第一作者。文中，围绕晶硅太阳能电池制备中的关键科学问题，刘小春团队采用先进的双球差校正透射电子显微镜（以下简称TEM）表征技术，揭示了基片从本征“脆性”向轻质“柔性”转变的微观机理，为研发更轻质、更高效率、更低成本，可突破传统应用场景的柔性晶硅太阳能电池奠定了理论基础。

        5月24日《自然》以封面文章形式刊发以刘小春科研团队和国内外多家科研机构团队合作完成的突破性研究成果
        晶硅太阳能电池以晶硅为基体材料，是目前最广泛应用于光伏产业的太阳能电池。在科学界与工程界，晶硅太阳能电池被公认为一种脆性电池，虽已广泛存在于地面等人们熟知的生活场景，但因其不可弯折等特性，仍受限于太空等应用场景。不断提升晶硅太阳能电池的效率、拓宽其适用场景成为全世界光伏产业的共同愿景。
第一通讯作者和第一作者、中国科学院上海微系统与信息技术研究所副研究员、我校客座教授刘文柱创新性地采用硝酸/氢氟酸化学钝化法和等离子体各向同性刻蚀方法，制备出可大角度弯折的太阳能电池模组。
        刘小春团队从理论上阐述了柔性太阳能电池模组的内在变形与断裂机理。刘玉敬采用泽攸科技提供的原位TEM探针样品杆，对硅基片进行TEM原位弯曲测试，观察到传统晶硅太阳能电池表面呈金字塔谷的应力集中现象，这与百万级原子动态分子动力学模拟实验相吻合，证实了曲率半径小的金字塔谷易造成应力集中效应，从而导致传统硅太阳能电池无法承受弯曲应力，呈现“脆性”的微观机理。
     “‘金字塔谷’是造成应力集中和失效的根源，但对晶硅材料进行结构钝化处理可改变硅基片的断裂方式。我们发现，钝化后的硅基片在断裂过程中会消耗更多能量，从而使晶硅具备了‘柔性’特质。当然，这一结论也得到了几何相位分析方法的验证。”刘小春说。
       钝化处理硅基片这一创新工艺的产业化推广提供了坚实的理论支撑。当前基于该技术，其面积达240平方厘米、光电转化效率超24%、柔性可折叠的硅太阳能电池性能稳定，即使经过双面对折弯曲测试1000次后，功率仍然保持100%。当前，这一柔性太阳能电池板已成功应用于南极科考站可再生能源供电系统等场景。展望未来，这一技术的突破或将带来大规模柔性太阳能电池的爆炸式增长。
        本工作研发的柔性硅太阳能电池成功应用于我国南极科考站供电系统：罗斯海新站和泰山站
        据悉，本次在《自然》杂志上发表的柔性硅太阳能电池原创性科研成果，由来自长沙理工大学、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中国科学院航空航天信息研究所、通威太阳能（四川）有限公司和上海科技大学等国内外20家科研机构与企业的47名科学家、企业家共同完成。该研究得到了国家自然科学基金委、上海市科学技术委员会、张江国家实验室和长沙理工大学科研启动资金的支持。
       文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05921-z
       文章来源：长沙理工大学