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麻省理工科技评论-Nature Energy：硅太阳电池“晒一晒”效率更高，上海微系统所团队揭示光照对硅太阳电池性能影响背后的物理根源
随着“碳达峰、碳中和”的提出，发展可再生资源是未来的趋势。光伏发电作为一种重要的替代化石能源的可再生能源，硅太阳电池占据 90% 以上的市场份额。
对于大多数太阳电池（硅、钙钛矿、有机）来说，光照（特别是紫外光）会显著降低其发电效率。特别地，非晶硅材料被广泛应用于非晶硅薄膜太阳电池和硅异质结太阳电池。
1977 年，美国电气工程师大卫·L·施泰布勒（David L.Staebler）和宾夕法尼亚州立大学的电气工程师、名誉教授克里斯托弗·R·朗斯基（Christopher R.Wronski）在实验室首次发现光照会降低非晶硅薄膜的暗电导率，这种非晶硅领域最著名的光电现象后来被命名为“Staebler-Wronski效应”。
2016 年，日本科学家首次发现非晶硅/晶体硅异质结太阳电池（Amorphous/Crystalline Silicon Heterojunction solar cells，SHJ）在光照条件下，其发电效率不仅不会衰减，反而出现显著的上升现象，这种反常的光伏现象迅速地吸引了光伏领域的广泛关注。尽管 2016 至 2022 年期间，国内外众多实验室在非晶硅/晶体硅异质结太阳能电池领域发表了多篇研究论文讨论这种反常现象，但其背后真正的物理根源始终未取得突破性认识。
2020 年开始，中国科学院上海微系统与信息技术研究所团队针对 SHJ 太阳电池中的掺杂硅薄膜，仔细重复施泰布勒和朗斯基的实验。值得关注的是，他们不仅没有观察到 Staebler-Wronski 效应，反而“意外”地发现，光照能显著地提升薄膜的暗电导率，这是明显的反常 Staebler-Wronski 效应。
5 月 12 日，相关论文以《用于效率超过 25% 的硅太阳能电池的氢化非晶硅中硼掺杂的光诱导激活》（Light-induced activation of boron doping in hydrogenated amorphous silicon for over 25% efficiency silicon solar cells）为题发表在 Nature Energy 上 [1]。
审稿人对该工作评价称：“光浸泡对 SHJ 性能的影响并不新鲜，然而，本文清楚地提出了这种影响背后的根本原因。”
该团队经试验证明，非晶硅中存在桥键形式的弱氢结构（Ｂ-H-Si、Si-H-Si 等）数量密度高达 1021cm-3以上。这种结构的氢原子会“毒害”硼（B）、磷（P）在非晶硅网络结构中的掺杂效率。当这些弱结合的氢原子遇到能量大于 0.88 eV 的光子时，会被激发产生晶格间跳跃运动，从而导致薄膜的掺杂效率变高。
由于 P 型非晶硅（p-a-Si:H）的场钝化和电导率得到改善，该团队实现了 25.18% 的高功率转换效率，开路电压(Voc)为 749mV、填充因子达 85.42%。
研究人员通过实验发现，一个太阳光强下，P 型非晶硅暗电导率提高 5 倍左右，N 型非晶硅提高 100 倍以上。“反常 Staebler-Wronski 效应的发现不仅是凝聚态物理科学的进步，也促进了重要的光伏工程应用。”该论文第一作者兼通讯作者、中国科学院上海微系统与信息技术研究所副研究员刘文柱表示。
科学方面，反常 Staebler-Wronski 效应对太阳电池的 IEC（国际电工委员会，International Electrotechnical Commission）测试标准提出了挑战，并纠正了人们对非晶硅微观结构传统意义上的认识。
非晶硅作为重要的半导体材料广泛应用于集成电路、光伏、锂电等热门领域。在过去长达 50 多年时间里，科学家和工程师普遍认为非晶硅中氢原子主要以 Si-H 化学键的形式存在。因此，几乎所有文献均使用红外光谱测量薄膜中的氢含量。
该研究证明了除 Si-H 化学键，还存在 B-H-Si、Si-H-Si 等弱氢结构，占总氢含量的 20% 左右（大于1021m-3）。而这一部分氢原子是红外光谱仪（450-4000cm-1）测不出来的。
该团队认为，对硅异质结太阳电池的标准测试应测试它的稳态效率，而不是瞬态光照效率。并且，在每次测试之前应该先光照 20-30 分钟，然后再测试 IV 曲线。据悉，目前该团队正在撰写相关的测试标准。
工程方面，受到反常 Staebler-Wronski 效应的影响，每天太阳出来后，电池的效率都会在大约 20 分钟内有明显的效率攀升现象。因此，由硅异质结太阳电池组件搭建的光伏电站能够产生比理论预测更多的电量。
一方面，非晶硅薄膜的电导率显著提升。另一方面，SHJ 太阳电池中内建电场的强度也显著提高。最终，导致 SHJ 太阳电池的填充因子和开路电压显著改善。总的来说， SHJ 太阳电池是一种越晒效率越高的光伏器件，并且，对于聚光型 SHJ 太阳电池效率增益更加显著。
刘文柱认为，研究过程中最大的挑战在于没有现存的理论基础。换句话说，该工作不是在前人理论工作的基础上做增量，而是提出一种创新理念，去理解看起来反常的物理现象。
他说：“在探索过程中，我和学生们在办公室经常进行各种头脑风暴，任何想到的物理图像，在我们这里都不是‘不可接受的’。我们对所有的‘可能’均保持开放态度，前后至少想到 10 种 以上的猜想。”
基于每种猜想假设成立，应该会有什么样的实验推论。最后，该团队对每种实验推论依次进行验证。经过一年多的努力，多次尝试失败后，他们“意外”地发现，恰恰是电导率变化在背后起作用。因此，他们最终确定其物理根源是“反常 Staebler-Wronski 效应”。
刘文柱指出，“即便看起来最不可撼动的、深入人心的理论，也有可能存在问题，特别是一些“反常”现象出现的情况下。例如 Staebler-Wronski 效应由于深入人心，整个领域几乎没人怀疑它也有不成立的可能。”
据悉，该团队下一步将集中精力统一“Staebler-Wronski 效应”和“反常 Staebler-Wronski 效应”，并将建立起二者之间的桥梁。同时，他们还计划攻克硅薄膜寄生吸收难题，力争两年内实现 26.5% 的量产效率。
刘文柱认为，非晶硅/晶体硅异质结太阳电池的发展方向比较明晰。第一，独特的低温工艺允许它进军超轻量组件市场，这是其他高温电池工艺很难完成的任务；第二，独特的透明导电氧化物（Transparent conductive oxide，TCO）载流子收集结构，使其成为天然的钙钛矿/硅叠层太阳电池中的底电池。
“目前，叠层太阳电池已经突破硅太阳电池的理论效率极限，在稳定性和大面积找到良好的解决方案的前提下，我认为它有望成为未来光伏市场的‘霸主’。”他说。
-End-
参考：
1.Liu, W., Shi, J., Zhang, L. et al. Nat Energy (2022). https://doi.org/10.1038/s41560-022-01018-5
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