目前，单晶硅太阳电池是光伏领域的“绝对主流”，占据整个市场份额的 95% 以上。它具有地球元素丰富、光电转换效率高、环境运行稳定、工艺成熟、无毒无害等一系列优点。

然而，这种材料的缺点也十分明显，其在力学上往往表现出脆性易碎。基于此，光伏界普遍认为，单晶硅太阳电池不适合应用于柔性电子领域。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所（以下简称“上海微系统所”）刘文柱研究员，致力于高效非晶硅/单晶硅异质结太阳电池基础与应用研究。

他主导发明了一种柔性单晶硅太阳电池制作技术，获得了像 A4 纸一样柔韧高效的单晶硅太阳电池。

凭借开发弯曲角度超过 360 度的柔性单晶硅太阳电池，成功验证批量生产可行性，为柔性硅基光伏的产业化与国家战略应用提供关键支撑，刘文柱成为 2023 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者之一。

半个多世纪以来，单晶硅太阳电池在 Nature 发表的首篇论文

单晶硅是一种非常脆的材料，当人们对单晶硅片轻轻施加一定的应变后，它会瞬间爆裂成无数碎片。

一次偶然观察到的生活现象启发了研究人员：当瓷器或者玻璃制品出现裂缝时，与其边缘处相通，并且最先从边缘处开始断裂。

基于此，他们想到，想攻克单晶硅的脆性难题，就要为力学短板提供解决方案。“如果提升整个电池的力学性能可能反而使效率下降，而我们的方案只需要提升它最脆弱的地方。”刘文柱说。

他与团队将硅片表面设计为介观对称性结构，率先成功研制工业尺寸高效柔性单晶硅太阳电池，实现了力学韧性以及抗震性的跨越式提升。

并且，基于简单的工艺处理，就能制备出柔性单晶硅太阳电池。在 1000 次“边对边”折叠/卷曲后，电池依然能够保持 100% 的功率转换效率。

60 微米（注：60 微米是当时论文中数据，现阶段已可做到 100 微米）厚的硅片可以完成类似 A4 纸折叠的动作，工业尺寸单晶硅片最小弯曲半径大概在 4 毫米左右，效率达 24.5%。

此外，其还能不断弯曲甚至“卷起来”，且弯曲角度超过 360 度。

将柔性单晶硅太阳电池组装成超过 10000cm² 的大型柔性模块后，其在−70℃ 和 85℃ 之间经过 120 小时热循环后，保留了 99.62% 的功率。

该研究为柔性半导体电子技术应用开辟了新方案。据介绍，研究人员将高效、轻质、柔性的硅太阳电池在实际量产线导入，且已成功验证。

这项技术将“柔性光伏”推动为能源应用领域的热点话题之一，在多个领域具有普适性应用价值。例如，低轨卫星、高空飞行器、光伏-建筑一体化、车载光伏、机器人感光、可穿戴电子、探测器等。

截至目前，这种类型的电池已成功应用在中国多个型号高空飞行器，并刷新了多个长航时飞行纪录，为国家战略应用做出重要贡献。

此外，在中国南极科考（第 35、36、38 次）可再生能源系统中也应用了这项技术，被评为“第 35 次南极科考工作亮点”。

图丨柔性单晶硅太阳电池应用于临近空间飞行器应用（来源：Nature）

到目前为止，该课题组已将这种柔性单晶硅太阳电池应用于距离地面 20-100 千米范围的临近空间。

与昂贵的砷化镓太阳能电池相比，硅电池具有稳定、良率高、价格低的优势。因此，该技术仍有广阔的应用空间。研究人员将目光聚焦在距离地面几百千米的低轨卫星平台。

“马斯克太空探索公司 SpaceX 发射的低轨卫星用的就是硅电池。这是硅电池更广阔的市场，于此同时也带来了更大的挑战，比如需要解决空间辐射的可靠性等一系列问题。”刘文柱说。

图丨Nature 当期封面（来源：Nature）

据了解，这是单晶硅太阳电池半个多世纪以来，在 Nature 发表的第一篇长论文。

相关论文以《基于带钝边的可折叠硅片的柔性太阳能电池》（Flexible solar cells based on foldable silicon wafers with blunted edges）为题，以封面论文形式发表于 Nature[1]。

上海微系统所刘文柱研究员是第一作者兼通讯作者，长沙理工大学刘玉敬教授、沙特阿美石油公司杨自强博士和南京师范大学徐常清教授是共同第一作者。

上海微系统所张丽平研究员、孟凡英研究员、狄增峰研究员、刘正新研究员担任共同通讯作者。

据介绍，自从这篇 Nature 论文发表后，该方向的论文像“雨后春笋”般陆续发布；产业方面，很多光伏企业还成立了专门的技术团队，以通过开发柔性单晶硅太阳电池获得更高的发电。

硅太阳电池“晒一晒”效率更高

1977 年，科学家发现非晶硅领域最著名的光电现象“Staebler-Wronski 效应”。

2016 年，日本学者揭示了一种不寻常的现象：非晶硅/晶体硅异质结太阳电池（SHJ，Amorphous/Crystalline Silicon Heterojunction solar cells）在光照条件下，SHJ 的发电效率不衰减，反而发生了明显的上升。

虽然很多领域学者在该方向进行探索，但始终没有找到其背后的科学根源。2022 年，刘文柱在国际上首次发现反常的 Staebler-Wronski 效应[2]。

他在研究中发现，光照能显著地提升薄膜的暗电导率，这与领域内几十年来深入人心的“Staebler-Wronski 效应”截然不同。基于此，他还找到了光照影响硅太阳电池性能的物理根源。

实验显示，在非晶硅中，以桥键形式存在的弱氢结构数量密度超过 1021cm^-3。该结构中引入大量的氢原子后，在掺杂原子附近会受到电学极性影响，从而提升在非晶硅网络结构的掺杂效率。

具体来说，当弱结合的氢原子与能量超过 0.88eV 的光子结合后，被激发进行晶格间跳跃运动，使薄膜的掺杂效率进一步提升。

由于 P 型非晶硅（p-a-Si：H）的场钝化和电导率得到改善，该团队实现了 25.18% 的高功率转换效率，开路电压 (Voc) 为 749mV、填充因子达 85.42%。

根据实验数据，在一个太阳光强条件下，P 型非晶硅暗电导率提升了约 5 倍，而 N 型非晶硅则提升超过 100 倍。

刘文柱表示：“这件事给我们一个非常重要的启示：当观察到一些反常现象时要大胆假设和小心求证，即便是看起来最不可撼动的、深入人心的机制，也可能是有问题的。”

有意思的是，这篇论文在 Nature Energy 发表后不久，有课题组发表论文称，在发射极和背面钝化电池（PERC，Passivated Emitter and Rear Cell）中，也发现了反常 Staebler-Wronski 效应，并且相关性能随之提升。

这也从侧面证明，该现象的普适性和宽广的应用范围。目前，该光电效应已经应用于所有硅异质结太阳电池生产企业，产线平均提效达 0.3%-0.5%，成为提高电池效率的关键技术。

刘文柱表示：“头部光伏企业（晶硅）每年提效 0.2% 已经算是一个很好的指标，我们的研究为领域的发展起到了积极的推动作用。”

专注研究单晶硅太阳电池 12 年

12 年以来，刘文柱的研究兴趣始终在古老而重要的研究领域：单晶硅太阳电池。

但实际上，刘文柱的科研之路并非一帆风顺。其本科毕业于山东大学物理学院，在中国科学院大学获得博士学位，并在沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学从事博士后研究。

他用“非常枯燥”来描述科研生涯的前 8 年，不仅没有任何突破性进展，甚至连发表的论文都达不到一区期刊。

那时候，他面临着职业生涯“向左走还是向右走”的选择，很多同行都劝他去研究更适合走学术路线的钙钛矿太阳电池。

图丨刘文柱在中国科技青年论坛（来源：DeepTech）

“2019 年，我一度想放弃学术去光伏企业参加工作，是我的导师刘正新研究员连续一周每天给我打电话聊超过半个小时，最终把我拉回研究所继续从事科研工作。”他说。

2020 年，他加入中国科学院上海微系统与信息技术研究所，目前担任研究员，博士生导师。

2015 年至今，他已发表论文 70 余篇，包括 Nature、Science、Nature Energy、Joule 等。

其中，第一/通讯作者论文包括 Nature、Nature Energy、Joule 等 22 篇，总被引近 2000 次。作为第一发明人申请发明专利 9 件，已授权 2 件。

刘文柱主导的很多研究都与创新密切相关。他认为，创新与是一种根本性的革新，而科学研究的创新和“冲突”或者“碰撞”关联性很高。

“我不太喜欢参加所在领域的学术会议，因为大家的认知水平和知识储备高度同质化。相反，我非常喜欢参加其他领域的会议，会让我获得更多的‘交叉’机遇，了解别人的思维方式、做事方法和研究工具。”‍

2024 年 5 月，刘文柱作为六位创始人之一已成立光伏初创公司，专注柔性单晶硅太阳电池技术开发和应用推广，该公司计划进一步将单晶硅太阳电池的力学性能逼近理论极限。

基于稳定、高效的单晶硅太阳能电池，他在接下来的研究中，打算探索其与无机宽禁带半导体结合来制备叠层太阳电池的可能性。他认为，这种技术路线有望突破 30% 以上的光电转换效率。

刘文柱说：“单晶硅太阳能电池的理论极限是 29.4%，未来在产线即便不计成本也很难突破到 27% 以上。但如果走叠层路线，只需要投入很小的成本，就极有可能实现比单晶硅理论极限更高的发电效率，这也是我们目前努力的方向。”

参考资料：

1.Liu, W., Liu, Y., Yang, Z. et al. Flexible solar cells based on foldable silicon wafers with blunted edges. Nature 617, 717–723 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05921-z2

2.Liu, W., Shi, J., Zhang, L. et al. Light-induced activation of boron doping in hydrogenated amorphous silicon for over 25% efficiency silicon solar cells. Nature Energy (2022). https://doi.org/10.1038/s41560-022-01018-5

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