Гибкие фотоэлектрические солнечные элементы обладают такими характеристиками, как лёгкость, тонкость, вибростойкость и автономное энергоснабжение, что открывает им огромный потенциал для интеграции в здания или носимые электронные устройства. Если обратить внимание, можно заметить, что кристаллические кремниевые солнечные элементы сегодня являются наиболее широко применяемыми; они повсеместно встречаются в повседневной жизни. Несмотря на значительные усилия учёных, их недостатки — невозможность изгибаться и высокая хрупкость — существенно ограничивают сферу применения таких элементов в гибких конструкциях. Что касается обычных матовых кристаллических кремниевых пластин, то источник трещин чаще всего локализуется в пирамидальных впадинах по краям пластины; именно эти «пирамидальные впадины» становятся причиной концентрации напряжений и последующего изгибного разрушения пластины. В ответ на эту проблему профессора Лю Сяочунь и Лю Юйцзин из Чанша университета науки и технологий применили… Образцовая стойка для просвечивающего электронного микроскопа в режиме in situ, производимая компанией «Аньхой ZEPTOOLS» В просвечивающем электронном микроскопе были проведены in situ‑испытания на изгиб кремниевых пластин; в ходе экспериментов по сжатию и изгибу было обнаружено, что при сжатии или изгибе на поверхности традиционных кристаллических кремниевых солнечных элементов наблюдается концентрация напряжений в пирамидальных долинах. Эти результаты хорошо согласуются с данными динамического молекулярно‑динамического моделирования, что подтверждает, что в процессе изгиба в традиционных кремниевых солнечных элементах напряжения легко сосредотачиваются в пирамидальных долинах.

В ответ на этот феномен сотрудники Института микросистем и информационных технологий Шанхая Китайской академии наук во главе с Лю Вэньчжу предложили метод пассивации пирамидальных структур по краям кремниевой пластины, позволяющий повысить её гибкость и использовать для изготовления гибких солнечных элементов. Они установили, что после пассивации кремниевая подложка при разрушении поглощает больше энергии, благодаря чему кристаллический кремний приобретает «гибкие» свойства. Команда профессора Лю Сяочуня также воспользовалась передовыми… Технологии характеристики с использованием трансмиссионной электронной микроскопии с коррекцией сферической аберрации и метод геометрического фазового анализа (GPA‑анализ) , что позволило подтвердить глубинные механизмы проявления гибких свойств у силиконовых пластин с заострёнными краями.

Благодаря этой инновационной технологии сглаживания краёв исследователи добились того, что высокоэффективные кремниевые солнечные элементы массового коммерческого производства можно складывать и изгибать как бумагу. После 1000 циклов изгиба по всей длине солнечные элементы, прошедшие усовершенствование технологического процесса, по‑прежнему сохраняют 100% своей первоначальной эффективности преобразования. Результаты соответствующих исследований опубликованы в… « Гибкие солнечные элементы на основе складывающихся кремниевых пластин с закруглёнными краями. ” Статья опубликована в журнале Nature. Лию Вэньчжу, Лию Юйцзин, Ян Цзыцян и Сюй Чанцин являются со‑первым авторами данной работы; Лию Вэньчжу (Институт микросистем и информационных технологий Шанхая Китайской академии наук), Лию Сяочунь (Чаншский университет науки и технологии), Чжан Липин (Институт микросистем и информационных технологий Шанхая Китайской академии наук), Мэн Фаньин (Институт микросистем и информационных технологий Шанхая Китайской академии наук), Ди Цзэнфэн (Институт микросистем и информационных технологий Шанхая Китайской академии наук) и Лию Чжэнсинь (Институт микросистем и информационных технологий Шанхая Китайской академии наук) — соавторы‑корреспонденты.

Рис. 1: Складываемая кремниевая подложка: а — текстурированная кристаллическая кремниевая подложка, полученная путём эффективного удаления острых пирамид на краевых участках с помощью кислотного раствора; б — кривая зависимости вертикальной нагрузки от перемещения для текстурированной кристаллической кремниевой подложки толщиной 140 мкм, при этом краевые зоны пассивировались в смешанном растворе фтористоводородной и азотной кислоты в течение 0, 15 и 30 с; в — график зависимости радиуса изгиба текстурированной кристаллической кремниевой подложки с пирамидальными структурами на поверхности (толщина 60 мкм) от времени пассивации в смешанном кислотном растворе. Для сравнения приведены значения радиуса изгиба для текстурированной кристаллической кремниевой подложки толщиной 60 мкм и для квазиплоской кристаллической кремниевой подложки. Кроме того, нами рассчитан теоретический радиус изгиба для кристаллической кремниевой подложки толщиной 60 мкм по формуле Rb = ED/2σ, где E, D и σ соответствуют модулю упругости, толщине подложки и пределу текучести при растяжении. Вставка: текстурированная кристаллическая кремниевая подложка толщиной 60 мкм размером 15,6 × 15,6 см, на краевых участках которой края были пассивированы в кислотном растворе в течение 90 с.

Рис. 2. Анализ геометрической фазы на срезах: а, б — морфология срезов кремниевых пластин с остроконечными (а) и закруглёнными (б) пирамидами. Розовыми линиями обозначены места осаждения, выполненные с помощью фокусированного ионного пучка, для защиты среза образца при наблюдении в трансмиссионном электронном микроскопе. в, г — высокоразрешающие сканирующие изображения в режиме высокоуглового кольцевого тёмного поля, демонстрирующие глубинную структуру десятков атомных слоёв вдоль направления [001] по разрушенному срезу кремниевой пластины; остроконечные (в) и закруглённые (г) пирамиды, на поверхности разрушения которых был нанесён защитный углеродный слой. Области анализа геометрической фазы выделены пунктирными квадратами. д, е — распределение упругих точечных решётчатых деформаций в остроконечной пирамиде в направлениях x (д) и y (е). ж, з — распределение упругих точечных решётчатых деформаций в закруглённой пирамиде в направлениях x (ж) и y (з). Белые стрелки указывают на значительные растягивающие деформации. Положительные и отрицательные значения соответствуют расширению и сжатию кристаллической решётки. Направление x параллельно, а направление y перпендикулярно срезам, обозначенным на рис. а и б. Шкалы: 5 мкм (а, б); 5 нм (в–з).

Диаграмма 2: эксперимент по изгибанию в условиях непосредственного контакта. а, ЗЕП ИНСТРУМЕНТЫ (Цзэюй Технологии) Пико Фемто Стержень для проведения in situ‑механических испытаний на трансмиссионном электронном микроскопе. b — левая сторона кристаллической кремниевой фольги обработана вольфрамовым наконечником, управляемым пьезо‑манипулятором. c — до приложения изгибающего напряжения изогнутые контуры распределены случайным образом по поверхности кристаллической кремниевой фольги. d — после приложения изгибающего напряжения эти изогнутые контуры сосредоточиваются в острых каналах между пирамидами (белые стрелки), что свидетельствует о том, что основная часть напряжений локализуется именно в этих острых каналах. Жёлтые рамки указывают на то, что после приложения изгибающего напряжения значительная часть напряжений перераспределяется в близлежащие острые каналы. Здесь тёмные полосы обусловлены деформацией кристаллической решётки, вызванной напряжением.

Рис. 4: Стабильность фотоэлектрических модулей. а — изменение характеристик гибкого кремниевого гетеропереходного солнечного элемента в процессе циклического изгибания. При каждом цикле один край складывается так, чтобы соприкасаться с противоположным краем; эта складка удерживается более 10 секунд. б — крепление крупного (площадью >10 000 см²) гибкого кремниевого гетеропереходного солнечного модуля к воздушному мешку. Давление внутри мешка превышает атмосферное на 94,7–830 паскалей. Воздух подаётся вентилятором на модуль, имитируя сильный шторм со скоростью 30 м/с в течение 20 минут. в и г — зависимость мощности модуля (в) и изображения электролюминесценции (г) при непрерывном воздействии потока воздуха в течение 20 минут, имитирующего сильный шторм. д — относительная мощность пяти гибких кремниевых гетеропереходных солнечных модулей до и после 120‑часового цикла замораживания–оттаивания в диапазоне температур от −70 °C до 85 °C. В каждом цикле модуль выдерживается при −70 °C в течение 1 часа, затем при 85 °C — ещё 1 час.

Заместитель главного редактора журнала Nature Йохан Далль’Аньезе прокомментировал: «Когда я впервые ознакомился с этим исследованием, меня особенно поразило, что простое сглаживание краёв кремниевых пластин позволяет достичь оптимального баланса между гибкостью и высокой эффективностью. Работа также подчёркивает глубокое понимание механических свойств текстурированных монокристаллических кремниевых пластин, а также творческий подход авторов к использованию этих характеристик для создания высокоэффективных гибких солнечных элементов, представляя убедительный пример их применения в масштабных проектах. Исследовательская группа Лю Вэньчжу и Лю Чжэнсинь надеется, что данная работа и продемонстрированные на её основе гибкие солнечные модули стимулируют рост рынка гибких солнечных элементов в крупномасштабном производстве. Кроме того, команда учёных показала, что механические свойства материала определяются не только его кристаллической структурой на атомном уровне — существенную роль играет также среднемасштабная симметрия. Это открытие может иметь значение для самых разных областей, включая, помимо прочего, производство солнечных элементов, и, вероятно, вызовет широкий интерес исследователей из других направлений — например, специалистов по гибкой электронике, сталкивающихся с проблемами хрупкости материалов. Теоретический радиус изгиба кристаллической кремниевой пластины толщиной 60 микрон должен составлять около 0,72 мм; однако пока исследовательская группа не может объяснить, почему минимальный достигнутый радиус изгиба составляет всего около 4 мм. Дальнейшие исследования должны быть направлены на выяснение того, влияет ли ориентация кристаллической решётки на боковых поверхностях пластины (по сравнению с её краями) на её механические свойства. В будущем команда планирует попытаться ещё больше уменьшить радиус изгиба за счёт оптимизации угла резки краёв пластины, рассчитывая, что это дополнительно продвинет развитие таких приложений, как самопитаемые летательные аппараты. Компания Anhui Zeyou Technology Co., Ltd, являясь одним из пионеров отечественной отрасли in situ‑электронной микроскопии, представила…» Пико Фемто ® Стойка для образцов с ин‑ситу многополевым взаимодействием в трансмиссионном электронном микроскопе обеспечила техническую поддержку данной работы. 。 В качестве стратегического партнёра компании «ZEPTOOLS» Чанша университет науки и технологий располагает несколькими комплектами инструментов для in situ‑характеризации на электронных микроскопах производства «ZEPTOOLS». ， Особая благодарность профессорам Лю Сяочуню и Лю Юйцзину, а также преподавателю У Сянгу из Чанша университета науки и технологий. Вклад в рекламу и продвижение продуктов компании «ZEPTOOLS» для in situ‑характеризации с помощью электронных микроскопов!

Скриншот методики эксперимента из текста

Рендеринг фотографии образцового стержня с многополевым взаимодействием, использованный в тексте.

На верхнем рисунке — совместимость с ТЭМ от JEOL (Япония), на нижнем — с ТЭМ от Thermo Fisher Scientific (Термо Фишер Сайентифик).

Компания «Аньхой Цзэюй Технологии» — это научно‑инструментальная фирма, обладающая полностью самостоятельными правами интеллектуальной собственности. С начала 1990‑х годов, когда компания приступила к разработке электронных микроскопов и сопутствующего оборудования, её исследовательская команда неизменно стремится предоставлять высококачественные приборы для нанонаучных исследований. В настоящее время в компании работают… Пико Фемто Серия Система измерений в режиме in situ с использованием ТЭМ 、 Система измерений СЭМ в нативном состоянии 、 Настольный сканирующий электронный микроскоп серии ZEM 、 Ступенчатый измеритель серии JS 、 Нано‑представительный столик 、 Станок для переноса двумерных материалов 、 Пробоночная платформа и низкотемпературная система 、 Линейка с дифракционной решёткой Ряд продуктовых линеек, включая …, привлекли широкое внимание как на внутреннем, так и на международном рынках, заполнив многочисленные пробелы в отечественной сфере научно‑точных измерительных приборов.