单晶硅薄膜太阳能电池由于其相对较低的材料成本且能够保持传统硅太阳能板的高性能等特点，在未来的新能源开发中将发挥重要的作用。薄膜太阳能电池的形态且可以实现其力学柔性，从而提高太阳能电池的便携性、可靠性和多功能性等。近年来，单晶硅薄膜太阳能电池的开发在微纳加工手段、光吸收效率等方面依然具有挑战性。本项目针对该挑战，在研究单晶硅的超薄微纳结构的加工制造与转印过程、金属纳米结构对于单晶硅薄膜太阳能电池的光吸收增强作用、单晶硅薄膜太阳能电池中各种基元的组装、力学设计与加工等三个方面开展了系统工作。经过三年的执行，本项目组已经在硅太阳能电池加工及表面等离激元增强太阳能电池性能方面取得了阶段性进展，并产生了许多未预期的新成果，辐射到其他一些领域（如光催化）。特别的是，项目组通过传统半导体加工工艺和湿化学法相结合，实现了单晶硅超薄微纳结构的加工与转印，发展了金属纳米结构的制造方法，初步了解了其表面等离激元特性对于硅太阳能电池的效应，初步完成了单晶硅薄膜太阳能电池中各种基元的组装。部分结果已在Angew. Chem. Int. Ed.（3篇）、J. Am. Chem. Soc.（1篇）、Chem. Soc. Rev.（1篇）、Nanoscale（1篇）、Small（1篇）和Nano Res.（1篇）等国际重要期刊上发表通讯作者论文10篇，3篇论文刊登在期刊内外封面封底上。正在培养博士生3名、硕士生3名和博士后1名，已毕业博士生2名（1名获中国科学院院长特别奖）。 2100433B

单晶硅薄膜太阳能电池由于其相对较低的材料成本且能够保持传统硅太阳能板的高性能等特点，在未来的新能源开发中将发挥重要的作用。并且薄膜太阳能电池的超薄形态有益于其力学柔性，可以提高太阳能电池的便携性、可靠性和多功能性等。近年来，单晶硅薄膜太阳能电池的开发在微纳加工手段、光吸收效率等方面依然具有挑战性。为了开拓其应用前景，我们在本项目中提出了通过批量化、低成本的微纳加工技术裁剪传统单晶硅晶片及转印制得的超薄单晶硅微纳结构来制造柔性单晶硅薄膜太阳能电池的构想和实施方案。在此基础上，我们将采用新的纳米制造技术制得具有高度一致性的金属纳米结构，利用其表面等离子体特性改善器件的光吸收效率并提高其整体转换效率。在本项目中，跨尺度的微纳制造以及微纳结构与器件的性能性能演变规律将为两个研究重点。本项目的成功实施，不仅能在理论和试验上产生原始创新的新成果，而且能得到拥有自主知识产权的新型太阳能电池。

柔性制造系统的类型

柔性制造是指在计算机支持下，能适应加工对象变化的制造系统。柔性制造系统有以下三种类型：

柔性制造单元

柔性制造单元由一台或数台数控机床或加工中心构成的加工单元。该单元根据需要可以自动更换刀具和夹具，加工不同的工件。柔性制造单元适合加工形状复杂，加工工序简单，加工工时较长，批量小的零件。它有较大的设备柔性，但人员和加工柔性低。

柔性制造系统

柔性制造系统是以数控机床或加工中心为基础，配以物料传送装置组成的生产系统。该系统由电子计算机实现自动控制，能在不停机的情况下，满足多品种的加工。柔性制造系统适合加工形状复杂，加工工序多，批量大的零件。其加工和物料传送柔性大，但人员柔性仍然较低。

柔性自动生产线

柔性自动生产线是把多台可以调整的机床(多为专用机床)联结起来，配以自动运送装置组成的生产线。该生产线可以加工批量较大的不同规格零件。柔性程度低的柔性自动生产线，在性能上接近大批量生产用的自动生产线；柔性程度高的柔性自动生产线，则接近于小批量、多品种生产用的柔性制造系统。

柔性制造系统的构成

就机械制造业的柔性制造系统而言，其基本组成部分有：

自动加工系统

自动加工系统，指以成组技术为基础，把外形尺寸(形状不必完全一致)、重量大致相似，材料相同，工艺相似的零件集中在一台或数台数控机床或专用机床等设备上加工的系统。

物流系统

物流系统，指由多种运输装置构成，如传送带、轨道一转盘以及机械手等，完成工件、刀具等的供给与传送的系统，它是柔性制造系统主要的组成部分。

信息系统

信息系统，指对加工和运输过程中所需各种信息收集、处理、反馈，并通过电子计算机或其他控制装置(液压、气压装置等)，对机床或运输设备实行分级控制的系统。

软件系统

软件系统，指保证柔性制造系统用电子计算机进行有效管理的必不可少的组成部分。它包括设计、规划、生产控制和系统监督等软件。柔性制造系统适合于年产量1000～100,000件之间的中小批量生产。

柔性制造系统的优点

柔性制造系统是一种技术复杂、高度自动化的系统，它将微电子学、计算机和系统工程等技术有机地结合起来，理想和圆满地解决了机械制造高自动化与高柔性化之间的矛盾。具体优点如下。

第一，设备利用率高。一组机床编入柔性制造系统后，产量比这组机床在分散单机作业时的产量提高数倍。

第二，再制品减少80%左右。

第三，生产能力相对稳定。自动加工系统由一自或多台机床组成，发生故障时，有降级运转的能力，物料传送系统也有自行绕过故障机床的能力。

第四，产品质量高。零件在加工过程中，装卸一次完成，加工精度嵩，加工形式稳定。

第五，运行灵活。有些柔性制造系统的检验、装卡和维护工作可在第一班完成，第二、第三班可在无人照看下正常生产。在理想的柔性制造系统中，其监控系统还能处理诸如刀具的磨损调换、物流的堵塞疏通等运行过程中不可预料的问题。

第六，产品应变能力大。刀具、夹具及物料运输装置具有可调性，且系统平面布置合理，便于增减设备，满足市场需要。

柔性制造定义

柔性制造系统(FMS)

关于柔性制造系统的定义很多，权威性的定义有:

美国国家标准局把FMS定义为：“由一个传输系统联系起来的一些设备，传输装置把工件放在其他联结装置上送到各加工设备，使工件加工准确、迅速和自动化。中央计算机控制机床和传输系统，柔性制造系统有时可同时加工几种不同的零件。 国际生产工程研究协会指出“柔性制造系统是一个自动化的生产制造系统，在最少人的干预下，能够生产任何范围的产品族，系统的柔性通常受到系统设计时所考虑的产品族的限制。”而我国国家军用标准则定义为“柔性制造系统是由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统组成的自动化制造系统，它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整，适用于多品种、中小批量生产。”简单地说，FMS是由若干数控设备、物料运贮装置和计算机控制系统组成的并能根据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整的自动化制造系统 。

柔性制造组成

常见的组成通常包括4台或更多台全自动数控机床(加工中心与车削中心等)，由集中的控制系统及物料搬运系统连接起来，可在不停机的情况下实现多品种、中小批量的加工及管理。反映工厂整体水平的FMS是第一代FMS，日本从1991年开始实施的“智能制造系统”(IMS)国际性开发项目，属于第二代FMS;而真正完善的第二代FMS预计本世纪十年代后才会实现。

柔性制造FMC

FMC的问世并在生产中使用约比FMS晚6～8年，FMC可视为一个规模最小的FMS，是FMS向廉价化及小型化方向发展的一种产物，它是由1～2台加工中心、工业机器人、数控机床及物料运送存贮设备构成，其特点是实现单机柔性化及自动化，具有适应加工多品种产品的灵活性。迄今已进入普及应用阶段。

柔性制造FML

它是处于单一或少品种大批量非柔性自动线与中小批量多品种FMS之间的生产线。其加工设备可以是通用的加工中心、CNC机床;亦可采用专用机床或NC专用机床，对物料搬运系统柔性的要求低于FMS，但生产率更高。它是以离散型生产中的柔性制造系统和连续生过程中的分散型控制系统(DCS)为代表，其特点是实现生产线柔性化及自动化，其技术已日臻成熟，迄今已进入实用化阶段。

柔性制造FMF

FMF是将多条FMS连接起来，配以自动化立体仓库，用计算机系统进行联系，采用从订货、设计、加工、装配、检验、运送至发货的完整FMS。它包括了CAD/CAM，并使计算机集成制造系统(CIMS)投入实际，实现生产系统柔性化及自动化，进而实现全厂范围的生产管理、产品加工及物料贮运进程的全盘化。FMF是自动化生产的最高水平，反映出世界上最先进的自动化应用技术。它是将制造、产品开发及经营管理的自动化连成一个整体，以信息流控制物质流的智能制造系统(IMS)为代表，其特点是实现工厂柔性化及自动化。