利用光注入提升硅異質結太陽電池光電轉換效率物理機制

近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所微系統技術重點實驗室新能源技術中心劉正新團隊在非晶硅/晶體硅異質結（SHJ）太陽電池的摻雜非晶硅（a-Si:H）薄膜中發現反常Staebler-Wronski效應，并證明該反常效應是利用光注入提升SHJ太陽電池光電轉換效率的物理本質。5月13日，相關研究成果以Light-induced activation of boron doping in hydrogenated amorphous silicon for over 25% efficiency silicon solar cells為題，發表在Nature Energy上。 

　　1977年，美國電氣工程師大衛·L·施泰布勒（David L. Staebler）和美國賓夕法尼亞州立大學電氣工程師、名譽教授克里斯托弗·R·朗斯基（Christopher R. Wronski）在實驗室首次發現光照會降低a-Si:H薄膜的暗電導率，這種現象后來被命名為Staebler-Wronski效應，該現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利用。  

　　非晶硅領域認為薄膜中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據，發現上述結構模型并非永恒成立，結合FTIR、SIMS、TA、Sinton Lifetime Tester、Keithley和DFT等多種技術手段，證明摻雜a-Si:H中存在數量密度高達10²¹ cm^-3以上的橋鍵弱H原子，它們會“毒害”a-Si:H網絡中B、P原子的摻雜效率。當利用光照射（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薄膜的暗電導率顯著上升，屬于明顯的反常Staebler-Wronski效應（圖a）。撤去光照后，暗電導率逐漸衰減到光照前的初始值（圖b）。研究發現，該暗電導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原子在化學鍵之間跳躍（圖c）。研究進一步比對太陽電池的性能參數發現，反常Staebler-Wronski效應可以定量描述SHJ太陽電池利用光注入提升光電轉換效率和暗態衰減現象。借助于60倍標準太陽光的強光照射光注入工藝，在工業生產的大尺寸SHJ太陽電池上獲得了25%以上的高轉換效率（圖d、e）。  

　　進一步研究發現，P摻雜的n型a-Si:H在太陽光的照射下暗電導率可以提高100倍以上。因此，利用反常Staebler-Wronski效應，可以進一步探究提升SHJ太陽電池光電轉換效率的物理機制和工藝技術。  

　　研究工作得到國家自然科學基金青年科學基金項目/面上項目和上海市“科技創新行動計劃”的支持。  

　　論文鏈接 

上海微系統所揭示利用光注入提升硅異質結太陽電池光電轉換效率的物理機制