柔性光伏太陽能電池具有輕薄、防震、自供電等特徵，具有整合到建築物或穿戴式電子設備的巨大潛力。如果大家留意就會發現，晶矽太陽能電池是當今社會中應用最為廣泛的太陽能電池，在日常生活中隨處可見，儘管科學家們已經付出了巨大努力，但是晶體矽太陽能電池不可折彎，脆性較高等局限性大大限制了晶體矽太陽能電池的柔性應用場景。對於常規的絨面晶體矽晶圓，裂紋的源頭往往發生在晶圓邊緣處的金字塔谷處，而「金字塔谷」是造成應力集中和晶圓彎曲失效的根源。
針對這種現象，長沙理工大學劉小春教授和劉玉敬教授採用安徽澤攸科技生產的原位透射電鏡樣品桿，在透射電鏡中對矽片進行了原位彎曲測試，在原位壓縮/彎曲實驗中，他們發現壓縮或彎曲時傳統晶體矽太陽能電池表面呈金字塔谷的應力集中現象，這與動態分子動力學模擬結果吻合較好，證實了傳統的晶體矽電池在彎曲時金字塔谷應力容易集中。
針對此現象，中國科學院上海微系統與資訊科技研究所劉文柱等人提出了一種鈍化晶圓邊緣處金字塔結構的方法，來提高矽晶圓的柔性，從而用於製備柔性太陽能電池。他們發現，鈍化後的矽基片在斷裂過程中會消耗更多能量，使晶體矽具備了'柔性'特質。劉小春教授團隊人員也藉助先進的球差校正透射電子顯微鏡表徵技術和幾何相位分析方法（GPA analysis） ，驗證了邊緣鈍化矽基片具有柔性特徵的深層機制。
基於這種創新性的邊緣鈍化技術，研究人員使大規模商業化的高效率矽太陽能電池能像紙張一樣折疊、彎曲。製程改良後的太陽能電池在邊對邊彎曲1000次之後仍能100%保持彎曲前的轉換效率。相關研究成果以「 Flexible solar cells based on foldable silicon wafers with blunted edges. 」為題發表在期刊《Nature》上。劉文柱，劉玉敬，楊自強，徐常清為該論文的共同第一作者，劉文柱（中國科學院上海微系統與資訊科技研究所）、劉小春（長沙理工大學）、張麗平（中國科學院上海微系統與資訊科技研究所）、孟凡英（中國科學院上海微系統與資訊科技研究所）、狄增峰（中國科學院上海微系統與資訊科技研究所）、劉正新（中國科學院上海微系統與資訊科技研究所）為論文的共同通訊作者。
圖1：可折疊矽基片：a，透過酸溶液有效去除邊緣區域的鋒利金字塔得到織化的晶體矽基片。 b，140微米厚的織構化晶體矽基片的垂直加載力-位移曲線，其中邊緣區域在氫氟酸、硝酸混合酸溶液中鈍化0、15和30秒。 c，繪製了表面有金字塔特徵織構化晶體矽基片（60微米厚）的撓曲半徑—混合酸溶液鈍化時間曲線。為了進行比較，顯示了60微米織構化晶體矽基片和準平面晶體矽基片的撓曲半徑。我們也計算了60微米厚晶體矽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度的模量。圖說：尺寸為15.6 cm×15.6 cm的60微米織構化晶體矽基片，其中邊緣區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(b)金字塔的矽晶片斷面的形貌。粉紅色的線標記了用聚焦離子束加工沉積的位置，為了保護樣品斷面在透射電子顯微鏡下觀察。 c，d，高分辨高角環形暗場掃描透射原子影像顯示了從矽晶片斷裂面沿著[001]方向觀察的幾十個原子排列的深度，具有尖銳(c)和圓潤(d)金字塔，其中在斷裂面上沉積了保護碳層。幾何相位分析區域透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)的彈性點陣應變分佈。 g，h，圓形金字塔晶片x方向(g)和y方向(h)的彈性點陣應變分佈。白色箭頭標誌著巨大的擴張應變。正值和負值分別代表晶格膨脹和收縮。 x方向平行，y方向垂直於a和b中標記的斷面。標尺，5 微米(a,b)；5 奈米(ch)。
支撐數據圖2：原位彎曲實驗。 a， ZEP TOOLS (澤攸科技) Pico Femto透射電鏡原位力學樣品桿。 b，用壓電機械手臂控制的鎢針尖處理晶體矽箔的左側。 c，在加載彎曲力之前，彎曲輪廓線隨機分佈在晶體矽箔上。 d，加載彎曲應力之後，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)，表明大部分應力集中在這些尖銳通道中。黃色方框表示加載彎曲力後，大部分應力轉移到附近的尖銳通道。在這裡，暗條紋是由應力誘導的晶格變形引起的。
圖4：光電模組穩定性。 a，柔性矽異質接面太陽能電池在彎曲循環過程中的性能演變。在每個循環中，一個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）柔性矽異質接面太陽能模組附加到氣囊上。氣囊內部的壓力比大氣壓力大94.7-830 帕斯卡。透過風扇將空氣吹在模組上模擬30公尺每秒的劇烈風暴20 分鐘。 c，d，模組的功率(c)和電致發光影像(d)，連續空氣衝擊20 分鐘模擬劇烈風暴。 e，5個柔性矽異質結太陽能模組在零下70 ℃和85 ℃之間凍融循環120 小時前後的相對功率。在每個循環中，模組在零下70 ℃下保持1 小時，然後在85 ℃下保持1 小時。
Nature副主編Yohan Dall'Agnese評論到：當我第一次閱讀這項研究時，我印象深刻的是，簡單地鈍化矽片的邊緣可以帶來靈活性和高效率之間的較好平衡。這項工作也突顯了它對織構化晶矽片的機械性能的洞察，以及作者利用這些特性來開發高性能柔性太陽能電池的創造力，並為大規模應用提供了一個令人信服的案例劉文柱&劉正新研究團隊希望這項工作和由此產生的柔性太陽能模組的演示將刺激大規模柔性太陽能電池市場的成長。
此外，該研究團隊已經證明材料的機械性能並不完全由其原子層級上的晶格結構決定；中尺度對稱性也有顯著的作用。這項發現可能與包括但不限於太陽能電池製造在內的領域有關。它也可能引起其他領域研究人員(例如遇到材料脆性挑戰的柔性電子裝置)的廣泛興趣。 60微米晶體矽基片的理論彎曲半徑應該在0.72毫米左右，研究團隊目前不知道為何能夠達到的最低彎曲半徑只有4毫米左右。進一步的研究應集中在探求晶片側面(相對於它的邊緣)上矽晶格的取向是否影響機械性能。未來研究團隊將嘗試透過優化晶片邊緣切割的角度來進一步減少晶片的彎曲半徑，希望這將進一步推動自供能飛機等應用的發展。
安徽澤攸科技有限公司（Anhui Zeyou Technology Co., Ltd）作為國內原位電子顯微鏡行業的先行者，推出的Pico Femto ®透射電鏡原位多場耦合樣品桿為該工作提供了技術支援。身為澤攸科技策略夥伴，長沙理工大學有多套澤攸科技的電子顯微鏡原位表徵儀器，特別鳴謝長沙理工大學劉小春教授、劉玉敬教授、吳翔老師在澤攸科技電子顯微鏡原位表徵產品宣傳推廣方面做出的貢獻！
文中實驗方法截圖
文中所用多場耦合樣品桿的渲染照片
上圖JEOL （日本電子）TEM相容，下圖Thermo Fisher Scientific（賽默飛）TEM 相容
安徽澤攸科技有限公司是一家具有完全自主智慧財產權的科學儀器公司， 自1990年代開始投入電鏡及相關附件研發以來，研發團隊一直致力於為奈米科學研究提供卓越的儀器。目前，該公司包括Pico Femto系列原位TEM測量系統、原位SEM測量系統、ZEM系列台式掃描電子顯微鏡、JS系列台階儀、奈米位移台、二維材料轉移台、探針台及低溫系統、光柵尺等在類的多個產品線，在國內外均獲得了高度關注，填補了國家在高端精密儀器領域的諸多空白。
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