1977年,美國電氣工程師大衛(wèi)·L·施泰布勒(David L. Staebler)和賓夕法尼亞州立大學(xué)的電氣工程師、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了巨大的困擾,也影響了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。當利用光照射(光注入)或者印加電場(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)。我們發(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)。進一步比對太陽電池的性能參數(shù),我們發(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倍標準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;德國、中國第三方獨立認證)。
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)”,可以進一步研究提升SHJ太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率的物理機制和工藝技術(shù)。
該論文第一作者是劉文柱、石建華、張麗平和韓安軍,通訊作者是劉文柱、劉正新,以上作者均就職于中科院上海微系統(tǒng)所。該研究得到了國家自然科學(xué)基金青年項目(62004208)、國家自然科學(xué)基金面上項目(62074153)和上海市科技創(chuàng)新行動(22ZR1473200;19DZ1207602)的支持。
原標題: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