太陽電池，指的是可以有效吸收太陽能，并將其轉(zhuǎn)化成電能的半導(dǎo)體部件。用半導(dǎo)體、等材料將太陽的光能變成電能的器件。具有可靠性高﹐壽命長﹐轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點﹐可做人造衛(wèi)星﹑航標(biāo)燈﹑晶體管收音機等的電源。光電轉(zhuǎn)換是通過光伏效應(yīng)把太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的過程。這一過程的原理是光子將能量傳遞給電子使其運動從而形成電流。
近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所微系統(tǒng)技術(shù)重點實驗室新能源技術(shù)中心劉正新團隊在非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)(SHJ)太陽電池的摻雜非晶硅(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，美國電氣工程師大衛(wèi)·L·施泰布勒(David L. Staebler)和美國賓夕法尼亞州立大學(xué)電氣工程師、名譽教授克里斯托弗·R·朗斯基(Christopher R. Wronski)在實驗室首次發(fā)現(xiàn)光照會降低a-Si:H薄膜的暗電導(dǎo)率，這種現(xiàn)象后來被命名為Staebler-Wronski效應(yīng)，該現(xiàn)象對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電池的開發(fā)利用。
非晶硅領(lǐng)域認為薄膜中H原子的主要存在形式是Si-H共價鍵。2020年，劉文柱等人基于大量實驗數(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1021 cm-3以上的橋鍵弱H原子，它們會“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(電注入)給予大于0.88 eV的能量子時，這些弱H原子獲得足夠能量并在晶格中發(fā)生擴散或跳躍，進而重新激活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原子自由擴散，后者表示H原子在化學(xué)鍵之間跳躍(圖c)。研究進一步比對太陽電池的性能參數(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)太陽光的強光照射光注入工藝，在工業(yè)生產(chǎn)的大尺寸SHJ太陽電池上獲得了25%以上的高轉(zhuǎn)換效率(圖d、e)。
進一步研究發(fā)現(xiàn)，P摻雜的n型a-Si:H在太陽光的照射下暗電導(dǎo)率可以提高100倍以上。因此，利用反常Staebler-Wronski效應(yīng)，可以進一步探究提升SHJ太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率的物理機制和工藝技術(shù)。
研究工作得到國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目/面上項目和上海市“科技創(chuàng)新行動計劃”的支持。
上海微系統(tǒng)所揭示利用光注入提升硅異質(zhì)結(jié)太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率的物理機制
原標(biāo)題：上海微系統(tǒng)所揭示利用光注入提升硅異質(zhì)結(jié)太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率的物理機制
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