北京時間5月24日，國際頂級學術(shù)雜志《自然》主刊以封面文章形式刊發(fā)由長沙理工大學“湖湘學者”特聘教授劉小春團隊和國內(nèi)外多家科研機構(gòu)團隊合作的突破性研究成果。劉小春為論文的共同通訊作者，長沙理工大學“湖湘學者”特聘教授劉玉敬為論文的共同第一作者。文中，圍繞晶硅太陽能電池制備中的關(guān)鍵科學問題，劉小春團隊采用先進的雙球差校正透射電子顯微鏡（以下簡稱TEM）表征技術(shù)，揭示了單晶硅片從本征“脆性”向輕質(zhì)“柔性”轉(zhuǎn)變的微觀機理，為研發(fā)更輕質(zhì)、更高效率、更低成本，可突破傳統(tǒng)應用場景的柔性晶硅太陽能電池奠定了理論基礎(chǔ)。

晶硅太陽能電池以晶硅為基體材料，是目前最廣泛應用于光伏產(chǎn)業(yè)的太陽能電池。在科學界與工程界，晶硅太陽能電池被公認為一種脆性電池，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、中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所副研究員、長沙理工大學客座教授劉文柱創(chuàng)新性地采用硝酸/氫氟酸化學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。

劉小春團隊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力集中現(xiàn)象，這與百萬級原子動態(tài)分子動力學模擬實驗相吻合，證實了曲率半徑小的金字塔谷易造成應力集中效應，從而導致傳統(tǒng)硅太陽能電池無法承受彎曲應力，呈現(xiàn)“脆性”的微觀機理。

“‘金字塔谷’是造成應力集中和失效的根源，但對晶硅材料進行結(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)。當然，這一結(jié)論也得到了幾何相位分析方法的驗證。”劉小春說。

原創(chuàng)性、高水平科技成果產(chǎn)出，離不開跨領(lǐng)域科學家群體的密切合作與智力融合。劉小春基于自身在材料微觀表征與定量化分析領(lǐng)域的科研優(yōu)勢，身體力行實踐這一合作發(fā)展理念，倡議并聯(lián)合近百位科學家，著力探索由科學家主導的新型科研創(chuàng)新發(fā)展模式。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，正是這一科研創(chuàng)新合作理念的有力產(chǎn)出，由來自長沙理工大學、中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、中國科學院航空航天信息研究所、通威太陽能（四川）有限公司和上?？萍即髮W等國內(nèi)外20家科研機構(gòu)與企業(yè)的47名科學家、企業(yè)家共同完成。

該研究得到了國家自然科學基金委、上海市科學技術(shù)委員會、張江國家實驗室和長沙理工大學科研啟動資金的支持。