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柔性太陽電池具有廣闊的市場前景，有集成到建筑物或可穿戴電子設(shè)備中的巨大潛力，已發(fā)展出柔性硅薄膜太陽電池、柔性銅銦鎵硒薄膜太陽電池、柔性碲化鎘太陽電池、柔性有機(jī)太陽電池和柔性鈣鈦礦太陽電池五大類，其使用的柔性襯底材料主要有金屬箔和塑料兩類。晶硅太陽電池在70年前就開發(fā)出來，是當(dāng)今社會中應(yīng)用最為廣泛的太陽電池，但是不可彎折、脆性較高等局限性大大限制了其柔性應(yīng)用場景。5月24日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所針對單晶硅片容易碎裂的力學(xué)問題，提出了一種新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，通過邊緣鈍化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模（>240平方厘米）和高效（>24%）的柔性晶硅太陽電池商業(yè)化生產(chǎn)。相關(guān)研究成果發(fā)表于Nature雜志并選為封面文章。本文解讀了柔性晶硅太陽電池的重大技術(shù)突破，并分析了柔性太陽電池其他技術(shù)路線的前沿進(jìn)展。

一、柔性硅太陽電池的發(fā)展歷程

過去二十年，柔性太陽電池技術(shù)快速發(fā)展（圖1）。美國UnitedSolar公司是最早研究不銹鋼襯底柔性硅薄膜太陽電池的公司，也是唯一實(shí)現(xiàn)柔性不銹鋼襯底硅薄膜電池商業(yè)化的公司。該公司于2002年建立了生產(chǎn)線，產(chǎn)品的孔徑效率只有8.2%，制備出的a-Si:H/a-SiGe:H/nc-Si:H三結(jié)電池初始效率為16.3%，是當(dāng)時(shí)效率最高的柔性硅薄膜太陽電池。通過采用高速沉積（>1納米每秒）工藝，穩(wěn)定效率達(dá)到12.41%，面積為1.05平方厘米。通過進(jìn)一步優(yōu)化電池工藝，該公司制備了大面積電池組件，400平方厘米組件的穩(wěn)定效率為11.2%，807.8平方厘米組件的初始效率為11.8%。2018年，韓國蔚山科學(xué)技術(shù)院KwanyongSeo團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出厚度為50微米的晶硅光伏器件，最大效率達(dá)到了18.9%，2020年引入RIP-PDMS薄膜提高了薄晶硅太陽電池的柔韌性，在1000次曲率為10毫米的彎曲測試中保持18.4%的效率。2021年6月，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所制備了一系列厚度為50~400微米的硅異質(zhì)結(jié)太陽電池，最大轉(zhuǎn)換效率超過22%；同年9月，利用氫化納米硅制備了超?。?6微米）硅異質(zhì)結(jié)太陽電池，效率達(dá)到了23.3%。

二、破解硅片“力學(xué)短板”，柔性晶硅太陽電池取得革命性突破

上海微系統(tǒng)所研究團(tuán)隊(duì)通過高速相機(jī)觀察發(fā)現(xiàn)，太陽電池的單晶硅片在彎曲應(yīng)力作用下的斷裂總是從硅片邊緣處的“V”字型溝槽開始萌生裂痕，該區(qū)域被定義為硅片的“力學(xué)短板”。根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地采用濕法化學(xué)反應(yīng)和干法等離子體反應(yīng)圓滑處理兩種不同的技術(shù)方案，通過表面的各向異性反應(yīng)，將硅片邊緣表面和側(cè)面尖銳的“V”字型溝槽圓滑處理成平滑的“U”字型溝槽，改變了硅片邊緣和側(cè)面在介觀尺度上的結(jié)構(gòu)對稱性。結(jié)合有限元分析、動態(tài)應(yīng)力載荷下的分子動力學(xué)模擬和球差透射電子顯微鏡的殘余應(yīng)力分析，揭示了介觀對稱性變化與實(shí)現(xiàn)將單晶硅的“脆性”斷裂行為轉(zhuǎn)變成“彈塑性”二次剪切帶斷裂行為的關(guān)聯(lián)關(guān)系。此外，圓滑處理只限于硅片邊緣區(qū)域，因此基本不影響硅片對光的捕獲能力，從而保持了太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率基本不變。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案可以顯著提升硅片的“柔韌性”，60微米厚的硅片能完成類似于A4紙折疊的動作，最小彎曲半徑可實(shí)現(xiàn)5毫米以下，彎曲角度逾360度電池在經(jīng)歷1000次左右彎曲循環(huán)后仍然能夠保持100%的初始效率，并在量產(chǎn)線成功驗(yàn)證了工藝放大生產(chǎn)的可行性。

上海微系統(tǒng)所研發(fā)的器件是柔性太陽電池研究領(lǐng)域的革命性突破。之前大多數(shù)報(bào)道的柔性太陽電池轉(zhuǎn)換效率低于20%，該研究實(shí)現(xiàn)了器件尺寸和轉(zhuǎn)換效率的顯著增加，分別從4平方厘米和23.27%增加到244.3平方厘米和24.5%。工業(yè)規(guī)模的柔性晶硅太陽電池的實(shí)現(xiàn)表明，其技術(shù)路線與標(biāo)準(zhǔn)化的商業(yè)生產(chǎn)兼容。在組件層面，柔性硅異質(zhì)結(jié)組件沒有厚重的玻璃和背板，這使得質(zhì)量功率比非常小，為2.31克每瓦，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)單面和雙面晶硅太陽能組件的45.57克/瓦和82.93克/瓦。本研究中展示的柔性硅異質(zhì)結(jié)組件可以解決快速發(fā)展的建筑集成光伏研究領(lǐng)域遇到的承重問題，并使晶硅太陽能組件能夠附著在具有平坦或彎曲表面的建筑墻壁上。

該項(xiàng)研究在國際上產(chǎn)生了巨大反響。領(lǐng)域?qū)＜野拇罄麃喰履贤柺看髮W(xué)BramHoex評價(jià)說：“硅太陽電池目前在光伏市場上占主導(dǎo)地位，但它們的柔韌性因其金字塔結(jié)構(gòu)而受到阻礙。使用具有‘鈍化’周邊的薄硅片，制備得到了柔性太陽電池，對于這樣的薄設(shè)備來說，其效率令人印象深刻。因此，該研究解決了薄硅太陽電池的主要障礙――脆性。這一結(jié)果可能會改變?nèi)嵝蕴栯姵貞?yīng)用的游戲規(guī)則”。Nature雜志副主編評價(jià)說：“當(dāng)我第一次讀到這項(xiàng)研究時(shí)，對簡單地鈍化硅片的邊緣就能帶來柔性和高效率之間的適當(dāng)平衡印象深刻。這項(xiàng)工作還因其對有紋理的晶體硅片的機(jī)械性能的見解而脫穎而出，作者利用這些性能開發(fā)高性能的柔性太陽電池，并為大規(guī)模應(yīng)用提供了令人信服的理由，這些結(jié)果非常引人注目。”該文的一位審稿人指出，對于曲率半徑很小的太陽電池應(yīng)用場景，該工作將成為“游戲規(guī)則”的改變者。另一位審稿人則表示：“無論從哪個(gè)角度該科研工作都是一流水平的”。

1、柔性銅銦鎵硒薄膜太陽電池（CIGS）

經(jīng)過多年的發(fā)展，柔性CIGS已經(jīng)具備大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)條件。高效率上限和良好的穩(wěn)定性是CIGS太陽電池的優(yōu)點(diǎn)。柔性CIGS太陽電池最關(guān)鍵的吸收層的制備，仍需要克服許多技術(shù)難關(guān)，目前研究最廣泛的是共蒸發(fā)法和濺射后硒化法，另外通過本征缺陷、摻雜、錯(cuò)配等方法對吸收層進(jìn)行調(diào)控，也是提升CIGS性能的有效途徑。近年來通過制備工藝的不斷創(chuàng)新，取得了很多進(jìn)展，電池效率和規(guī)?；手鸩教嵘?。

2019年，漢能MiaSolé采用柔性濺射法研發(fā)的銅銦鎵硒薄膜太陽小面積芯片（單位面積0.86平方厘米）轉(zhuǎn)換效率達(dá)到20.56%。同期，經(jīng)德國弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所（FraunhoferISE）驗(yàn)證，漢能MiaSolé制備的商用大尺寸柔性銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽能組件（采光面積1.08平方米），采光面積光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了17.44%，創(chuàng)下大面積柔性CIGS組件效率最新世界紀(jì)錄。2021年，瑞士聯(lián)邦材料測試與開發(fā)研究所的AyodhyaN.Tiwari團(tuán)隊(duì)開發(fā)了低溫沉積工藝，在聚合物薄膜襯底上生產(chǎn)的柔性銅銦鎵硒太陽能電池效率達(dá)到了21.4%，2022年采用低溫沉積工藝開發(fā)出CIGS（銅銦鎵二硒）雙面薄膜太陽能電池，其將光轉(zhuǎn)化為電能的效率實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的30%以上，其前照式的效率達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的19.77%，后照式的效率達(dá)到10.89%。2023年6月，尚越光電采用獨(dú)特的卷對卷銅網(wǎng)壓印工藝，規(guī)模化量產(chǎn)CIGS組件最高效率，認(rèn)證最高效率超過17.75%（超越了此前由MiaSole保持的17.44%的世界記錄）。

2、柔性碲化鎘太陽電池（CdTe）

CdTe是一種II-VI族化合物半導(dǎo)體，吸收率較高，適合于制作成薄膜太陽電池的吸收層，理論效率高達(dá)28%~-29%，是實(shí)現(xiàn)建筑單體玻璃幕墻低成本和低能耗的選擇。其生產(chǎn)主要采用近空間升華（CSS）和氣相傳輸沉淀（VTD）兩種方法，兩種方法理論都是可以滿足技術(shù)和商業(yè)化要求，不過實(shí)際應(yīng)用中需要積累生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)不斷優(yōu)化生產(chǎn)工藝。

目前實(shí)驗(yàn)室CdTe太陽電池的最高轉(zhuǎn)換效率為FirstSolar公司2016年取得的22.1%，擁有獨(dú)家VTD技術(shù)專利。2022年龍焱能源采用CSS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了碲化鎘薄膜標(biāo)準(zhǔn)光伏組件（0.72m2，1200mm*600mm）的批量化生產(chǎn)，組件最高輸出功率達(dá)到123.73W，即全面積光電轉(zhuǎn)換效率17.19%，另外公司的碲化鎘實(shí)驗(yàn)室小面積電池轉(zhuǎn)換效率也已取得了突破，達(dá)到20.61%。

3、柔性有機(jī)太陽電池

柔性有機(jī)太陽能電池由于具有柔性、輕質(zhì)、超薄、無毒、顏色可調(diào)以及可高通量大面積印刷制備等優(yōu)點(diǎn)一直備受關(guān)注。目前大面積柔性器件的效率與小面積剛性有機(jī)太陽電池之間還存在著很大差距。基于塑料基底制備的柔性透明電極在面電阻、透光率、可加工性以及穩(wěn)定性等方面受到極大限制。同時(shí)目前的涂布技術(shù)難以精確掌控有機(jī)薄膜的厚度，不利于有機(jī)太陽能電池向大面積生產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。近年來，通過柔性透明電極開發(fā)，給受體分子的設(shè)計(jì)與合成、活性層形貌調(diào)控和涂布工藝優(yōu)化，在提升效率方面取得了一系列研究成果。

2020年5月，韓國蔚山國立科學(xué)技術(shù)研究所（UNIST）的ChangdukYang教授和HyesungPark教授團(tuán)隊(duì)制備了一種聚酰亞胺-石墨烯（PI@GR）新型透明電極應(yīng)用于柔性有機(jī)太陽能電池，實(shí)現(xiàn)了15.2%的光電轉(zhuǎn)換效率，是當(dāng)時(shí)報(bào)道的柔性有機(jī)太陽能電池的最高數(shù)值。2021年5月，蘇州大學(xué)李耀文教授等人與瑞典林雪平大學(xué)高峰教授團(tuán)隊(duì)合作，提出有機(jī)太陽能電池活性層的主客體材料設(shè)計(jì)策略，制備了高效大面積有機(jī)太陽能電池組件，解決了可溶液印刷有機(jī)太陽能電池在大面積模組制備過程中的多個(gè)瓶頸性問題。2022年6月，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所葛子義團(tuán)隊(duì)運(yùn)用三元策略引入能級匹配和光譜互補(bǔ)的聚合物客體，有效構(gòu)筑了纏繞結(jié)構(gòu)形態(tài)的活性層，效率達(dá)16.52%，具有較好的機(jī)械穩(wěn)定性，在1000次連續(xù)循環(huán)彎曲（彎曲半徑r=2mm）后仍可保持初始能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）的97.5%。2022年6月13日，通過調(diào)整原子取向構(gòu)建非富勒烯第三組分受體，設(shè)計(jì)并合成了兩種具有異構(gòu)中心缺電子核單元的Y6衍生物QX-α和QX-γ，基于D18:N3:QX-α的剛性和柔性器件的PCE分別高達(dá)19.33%和18.01%（最佳柔性器件效率）。2022年12月，國家納米科學(xué)中心魏志祥研究員、呂琨研究員、張建齊副研究員團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)兩種受體Qx-1和Qx-2應(yīng)用于槽模涂覆過程，PM6:Qx-1的30cm2的大面積模塊，功率轉(zhuǎn)換效率超過12%。

4、柔性鈣鈦礦太陽電池

柔性鈣鈦礦太陽電池（FPSCs）由于制備工藝簡單，原材料成本低廉，極具商業(yè)化潛力，成為近年來太陽電池領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在FPSCs的制造中主要采用聚合物基板和金屬箔兩種類型的柔性基板，高質(zhì)量的柔性襯底需要兼顧優(yōu)異的光學(xué)特性和穩(wěn)定的物理化學(xué)耐性并保持柔性特質(zhì)。雖然FPSCs設(shè)備在最近幾年取得了重大進(jìn)展，但冠軍PCE仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于剛性設(shè)備。除了柔性導(dǎo)電基底之外，包括吸收層、電子傳輸層（ETL）、空穴傳輸層（HTL）和柔性界面在內(nèi)的功能層對于改善器件性能也起著不可或缺的作用。近期，國內(nèi)外一些團(tuán)隊(duì)在提升各功能層性能、界面彎曲穩(wěn)定性，以及開發(fā)薄且兼容柔性的復(fù)合層方面取得了一定進(jìn)展。

2023年2月15日，蘇州大學(xué)李耀文等人報(bào)道原位交聯(lián)輔助鈣鈦礦薄膜生長的方法，以削弱鈣鈦礦生長過程對基底的依賴性以及鈣鈦礦薄膜本征脆性，實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦能夠在塑性基底上生長，在面積為0.062cm2的柔性鈣鈦礦電池器件實(shí)現(xiàn)了23.4%紀(jì)錄效率（認(rèn)證效率22.9%）。4月4日，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員葛子義團(tuán)隊(duì)采用預(yù)埋式ETL與自下而上的策略，實(shí)現(xiàn)效率超過23%的柔性鈣鈦礦太陽電池，這是目前國際上報(bào)道的柔性鈣鈦礦電池最高效率之一。此外，在彎曲半徑為5mm、循環(huán)彎曲4000次后仍可以保持初始轉(zhuǎn)換效率的84%以上。4月27日，復(fù)旦大學(xué)楊迎國團(tuán)隊(duì)利用碳量子點(diǎn)摻雜SnO2，明顯改善了鈣鈦礦的結(jié)晶度和相純度。該柔性n-i-p鈣鈦礦太陽電池的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)23.57%（認(rèn)證效率22.75%），是單結(jié)n-i-p柔性鈣鈦礦太陽電池的最高值之一。并且在彎曲半徑為6毫米的情況下，經(jīng)過2500次彎曲循環(huán)后，保持了>90%的初始效率。4月30日，大連化物所楊棟研究員和劉生忠研究員團(tuán)隊(duì)采用電子傳輸層中氧空位缺陷填充的策略，制備出面積為36.50cm2的柔性鈣鈦礦電池組件，效率達(dá)到18.71%，這是目前有文獻(xiàn)報(bào)道的大面積柔性鈣鈦礦組件最高效率。同時(shí)，柔性鈣鈦礦組件表現(xiàn)出良好得機(jī)械性能，器件在彎曲1000次后，仍可保持83%的初始效率。