異質結太陽能電池的效率有望被大幅度提升

在一項新研究中，科學家利用超高真空導電原子力顯微鏡(cAFM)，發現了硅太陽能電池中非晶硅接觸層的損耗機制。


圖片：CEA Ines

研究于3月17日發表在《ACS應用納米材料》上，標題為“Imaging of Bandtail States in Silicon Heterojunction Solar Cells: Nanoscopic Current Effects on Photovoltaics”(硅異質結太陽能電池中帶尾態的成像：納米電流對光伏的影響)，通訊作者為德國亥姆霍茲柏林能源與材料研究院(HZB)能源轉換和量子信息科學系的Klaus Lips。

硅太陽能電池便宜且高效，可以以低于2美分/千瓦時的價格發電。當今最高效的硅太陽能電池核心部分是小于10納米的選擇性非晶硅(a-Si:H)接觸層，這些接觸層負責分離光產生的電荷。HZB使用這種硅異質結太陽能電池可實現24%以上的效率，做成串聯太陽能電池后，最新報告的效率記錄為29.15%。

這種異質接觸系統具有相當大的潛力，然而，科學家現在還不清楚這接觸層如何實現電荷載流子分離，以及它們的納米級損耗機制是什么。

a-Si:H接觸層的特點是其固有的無序性，這一方面使硅表面具有良好的涂層，從而使界面缺陷的數量最小化，但另一方面也有一個小的缺點：它可以導致局部復合電流和傳輸勢壘的形成。

HZB和猶他大學的一個團隊首次在原子水平上實驗測量了c-Si和a-Si:H之間這種泄漏電流是如何形成的，以及它們如何影響太陽能電池的性能。

利用cAFM，物理學家們能夠用接近原子的分辨率來確定泄漏電流穿透選擇性a-Si:H觸點的位置，以及在太陽能電池中產生損耗過程。在cAFM中，這些損耗電流表現為納米級的電流通道，是與非晶硅網絡無序相關的缺陷的指紋。這些缺陷充當了電荷穿透選擇性接觸并誘導復合的墊腳石，被稱為“陷阱輔助量子力學隧道”。

這是第1次在a-Si:H中觀察到這種狀態。

猶他州/柏林的研究小組也能證明，暗流隨時間隨機波動。結果表明，存在一個短期的電流阻塞，這是由被困在鄰近缺陷中的局部電荷引起的，它改變了隧道態(墊腳石)的能量位置。這種被俘獲的電荷也會導致電流通道的局部光電壓上升到1V以上，這遠遠高于人們在宏觀接觸時所能使用的電壓。