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(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(yùn)動(dòng)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(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(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電池的開發(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(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(qiáng)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(jìn)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(jìn)一步探究提升shj太陽電池光電轉(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。
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(jī)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(jī)制

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