柔性光伏太陽(yáng)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(shè)備中的巨大潛力。如果大家留意就會(huì)發(fā)現(xiàn)，晶硅太陽(yáng)能電池是當(dāng)今社會(huì)中應(yīng)用廣泛的太陽(yáng)能電池，在日常生活中隨處可見，盡管科學(xué)家們已經(jīng)付出了巨大努力，但是晶體硅太陽(yáng)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(yáng)能電池的柔性應(yīng)用場(chǎng)景。對(duì)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(yīng)力集中和晶圓彎曲失效的根源。針對(duì)這種現(xiàn)象，長(zhǎng)沙理工大學(xué)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(duì)硅片進(jìn)行了原位彎曲測(cè)試，在原位壓縮/彎曲實(shí)驗(yàn)中，他們發(fā)現(xiàn)壓縮或者彎曲時(shí)傳統(tǒng)晶體硅太陽(yáng)能電池表面呈金字塔谷的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這與動(dòng)態(tài)分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果吻合較好，證實(shí)了傳統(tǒng)的晶體硅電池在彎曲時(shí)金字塔谷應(yīng)力容易集中。

針對(duì)這種現(xiàn)象，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所劉文柱等人提出了一種鈍化晶圓邊緣處金字塔結(jié)構(gòu)的方法，來提高硅晶圓的柔性，從而用于制備柔性太陽(yáng)能電池。他們發(fā)現(xiàn)，鈍化后的硅基片在斷裂過程中會(huì)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(tuán)隊(duì)人員也借助于先進(jìn)的球差校正透射電子顯微鏡表征技術(shù)和幾何相位分析方法（GPA analysis），驗(yàn)證了邊緣鈍化硅基片具有柔性特征的深層次機(jī)理。

基于這種創(chuàng)新性的邊緣鈍化技術(shù)，研究人員使大規(guī)模商業(yè)化的硅太陽(yáng)能電池能像紙張一樣折疊、彎曲。工藝改進(jìn)后的太陽(yáng)能電池在邊對(duì)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(guān)研究成果以“Flexible solar cells based on foldable silicon wafers with blunted edges.”為題發(fā)表在頂級(jí)期刊《Nature》上。劉文柱，劉玉敬，楊自強(qiáng)，徐常清為該論文的共同作者，劉文柱（中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所）、劉小春（長(zhǎng)沙理工大學(xué)）、張麗平（中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所）、孟凡英（中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所）、狄增峰（中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所）、劉正新（中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)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(gòu)化的晶體硅基片。b，140微米厚的織構(gòu)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(gòu)化晶體硅基片（60微米厚）的撓曲半徑—混合酸溶液鈍化時(shí)間曲線。為了進(jìn)行比較，顯示了60微米織構(gòu)化晶體硅基片和準(zhǔn)平面晶體硅基片的撓曲半徑。我們還計(jì)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(qiáng)度的模量。插圖：尺寸為15.6 cm×15.6 cm的60微米織構(gòu)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(rùn)(b)金字塔的硅晶片斷面的形貌。粉紅色的線標(biāo)記了用聚焦離子束加工沉積的位置，為了保護(hù)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(chǎng)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(gè)原子排列的深度，具有尖銳(c)和圓潤(rùn)(d)金字塔，其中在斷裂面上沉積了保護(hù)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(diǎn)陣應(yīng)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(diǎn)陣應(yīng)變分布。白色箭頭標(biāo)志著巨大的擴(kuò)張應(yīng)變。正值和負(fù)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(biāo)記的斷面。標(biāo)尺，5?微米 (a,b)；5?納米 (c-h)。

支撐數(shù)據(jù)圖2：原位彎曲實(shí)驗(yàn)。a，ZEPTOOLS(澤攸科技)透射電鏡原位力學(xué)樣品桿。b，用壓電機(jī)械臂控制的鎢針尖處理晶體硅箔的左側(cè)。c，在加載彎曲力之前，彎曲輪廓線隨機(jī)分布在晶體硅箔上。d，加載彎曲應(yīng)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(yīng)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(yīng)力轉(zhuǎn)移到附近的尖銳通道。在這里，暗條紋是由應(yīng)力誘導(dǎo)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(jié)太陽(yáng)能電池在彎曲循環(huán)過程中的性能演變。在每個(gè)循環(huán)中，一個(gè)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(jié)太陽(yáng)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(fēng)扇將空氣吹在模塊上模擬30?米每秒的劇烈風(fēng)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(fēng)暴。e，5個(gè)柔性硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能模組在零下70?℃和85?℃之間凍融循環(huán)120?小時(shí)前后的相對(duì)功率。在每個(gè)循環(huán)中，模塊在零下70?℃下保持1?小時(shí)，然后在85?℃下保持1?小時(shí)。

Nature副主編Yohan Dall’Agnese評(píng)論到：當(dāng)我第一次閱讀這項(xiàng)研究時(shí)，我印象深刻的是，簡(jiǎn)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(xiàng)工作還突出了它對(duì)織構(gòu)化晶硅片的機(jī)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(yáng)能電池的創(chuàng)造力，并為大規(guī)模應(yīng)用提供了一個(gè)令人信服的案例

劉文柱&劉正新研究團(tuán)隊(duì)希望這項(xiàng)工作和由此產(chǎn)生的柔性太陽(yáng)能模塊的演示將刺激大規(guī)模柔性太陽(yáng)能電池市場(chǎng)的增長(zhǎng)。此外，該研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明材料的機(jī)械性能并不完全由其原子水平上的晶格結(jié)構(gòu)決定；中尺度對(duì)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(yáng)能電池制造在內(nèi)的領(lǐng)域有關(guān)。它也可能引起其他領(lǐng)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(yīng)該在0.72毫米左右，研究團(tuán)隊(duì)目前不知道為何能夠達(dá)到的彎曲半徑只有4毫米左右。進(jìn)一步的研究應(yīng)集中在探求晶片側(cè)面(相對(duì)于它的邊緣)上硅晶格的取向是否影響機(jī)械性能。未來該研究團(tuán)隊(duì)將嘗試通過優(yōu)化晶片邊緣切割的角度來進(jìn)一步減小晶片的彎曲半徑，希望這將進(jìn)一步推動(dòng)自供能飛機(jī)等應(yīng)用的發(fā)展。

作為澤攸科技戰(zhàn)略合作伙伴，長(zhǎng)沙理工大學(xué)有多套澤攸科技的電子顯微鏡原位表征儀器，特別鳴謝長(zhǎng)沙理工大學(xué)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(xiàn)！

文中實(shí)驗(yàn)方法截圖

ZEM18臺(tái)式掃描電鏡

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