科學(xué)家揭示提升硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率物理機(jī)制

2022-05-17 11:52:56來(lái)源：上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所關(guān)鍵詞：太陽(yáng)電池閱讀量：23024

導(dǎo)讀：光電轉(zhuǎn)換是通過(guò)光伏效應(yīng)把太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程。這一過(guò)程的原理是光子將能量傳遞給電子使其運(yùn)動(dòng)從而形成電流。

　　太陽(yáng)電池，指的是可以有效吸收太陽(yáng)能，并將其轉(zhuǎn)化成電能的半導(dǎo)體部件。用半導(dǎo)體、等材料將太陽(yáng)的光能變成電能的器件。具有可靠性高﹐壽命長(zhǎng)﹐轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)﹐可做人造衛(wèi)星﹑航標(biāo)燈﹑晶體管收音機(jī)等的電源。光電轉(zhuǎn)換是通過(guò)光伏效應(yīng)把太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程。這一過(guò)程的原理是光子將能量傳遞給電子使其運(yùn)動(dòng)從而形成電流。

　　近日，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所微系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室新能源技術(shù)中心劉正新團(tuán)隊(duì)在非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)(SHJ)太陽(yáng)電池的摻雜非晶硅(a-Si:H)薄膜中發(fā)現(xiàn)反常Staebler-Wronski效應(yīng)，并證明該反常效應(yīng)是利用光注入提升SHJ太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率的物理本質(zhì)。5月13日，相關(guān)研究成果以Light-induced activation of boron doping in hydrogenated amorphous silicon for over 25% efficiency silicon solar cells為題，發(fā)表在Nature Energy上。

　　1977年，美國(guó)電氣工程師大衛(wèi)·L·施泰布勒(David L. Staebler)和美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)電氣工程師、名譽(yù)教授克里斯托弗·R·朗斯基(Christopher R. Wronski)在實(shí)驗(yàn)室首次發(fā)現(xiàn)光照會(huì)降低a-Si:H薄膜的暗電導(dǎo)率，這種現(xiàn)象后來(lái)被命名為Staebler-Wronski效應(yīng)，該現(xiàn)象對(duì)非晶硅光電器件的可靠性造成困擾，并影響非晶硅薄膜太陽(yáng)電池的開(kāi)發(fā)利用。

　　非晶硅領(lǐng)域認(rèn)為薄膜中H原子的主要存在形式是Si-H共價(jià)鍵。2020年，劉文柱等人基于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)上述結(jié)構(gòu)模型并非永恒成立，結(jié)合FTIR、SIMS、TA、Sinton Lifetime Tester、Keithley和DFT等多種技術(shù)手段，證明摻雜a-Si:H中存在數(shù)量密度高達(dá)1021 cm-3以上的橋鍵弱H原子，它們會(huì)“毒害”a-Si:H網(wǎng)絡(luò)中B、P原子的摻雜效率。當(dāng)利用光照射(光注入)或印加電場(chǎng)(電注入)給予大于0.88 eV的能量子時(shí)，這些弱H原子獲得足夠能量并在晶格中發(fā)生擴(kuò)散或跳躍，進(jìn)而重新激活B、P原子，B摻雜p型a-Si:H薄膜的暗電導(dǎo)率顯著上升，屬于明顯的反常Staebler-Wronski效應(yīng)(圖a)。

　　撤去光照后，暗電導(dǎo)率逐漸衰減到光照前的初始值(圖b)。研究發(fā)現(xiàn)，該暗電導(dǎo)率的衰減行為可描述為Debye衰減和Williams-Watts衰減的組合，前者表示H原子自由擴(kuò)散，后者表示H原子在化學(xué)鍵之間跳躍(圖c)。研究進(jìn)一步比對(duì)太陽(yáng)電池的性能參數(shù)發(fā)現(xiàn)，反常Staebler-Wronski效應(yīng)可以定量描述SHJ太陽(yáng)電池利用光注入提升光電轉(zhuǎn)換效率和暗態(tài)衰減現(xiàn)象。借助于60倍標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光的強(qiáng)光照射光注入工藝，在工業(yè)生產(chǎn)的大尺寸SHJ太陽(yáng)電池上獲得了25%以上的高轉(zhuǎn)換效率(圖d、e)。

　　進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，P摻雜的n型a-Si:H在太陽(yáng)光的照射下暗電導(dǎo)率可以提高100倍以上。因此，利用反常Staebler-Wronski效應(yīng)，可以進(jìn)一步探究提升SHJ太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率的物理機(jī)制和工藝技術(shù)。

　　研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目/面上項(xiàng)目和上海市“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”的支持。

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太陽(yáng)電池
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