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PVLab研究人員用電子與空穴復(fù)合之前保持在激發(fā)態(tài)的平均時間來量化該行為。壽命嚴重影響太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率，它對缺陷的存在非常敏感，Buonassisi說。

為了測量壽命，Morishige和機械工程研究生Mallory Jensen領(lǐng)導的團隊使用光譜學的方法：將光照在樣品上或加熱樣品，并在期間和之后即時監(jiān)測導電性。電流上升時，電子受外部能量激發(fā)躍入導帶;電流下降時，它們失去能量并落入價帶。隨時間的電導率變化反映出樣品中電子的平均壽命。

定位和缺陷表征

為了解決PERC太陽能電池的性能問題，研究人員需要弄清楚模塊中的主要缺陷所在，包括硅表面、鋁背襯和材料之間的各種界面。但麻省理工學院團隊認為缺陷最有可能存在于硅片本身。

為了驗證這個假設(shè)，他們使用了在750℃和950℃下制造的太陽能電池來驗證這個假設(shè)，并且設(shè)定了光照和暗室兩種保存環(huán)境。之后，用化學方法去除電池的頂層和底層，僅留下硅晶片，然后進行電子壽命的測試。低溫時，在兩種保存環(huán)境中的樣品壽命大致相同;高溫時，光照保存的樣品壽命顯著低于暗室中的樣品。

這些發(fā)現(xiàn)證實了效率退化主要歸因于硅中的缺陷，這些缺陷會影響電池中的電子壽命，從而使效率顯著下降。在后續(xù)的測試中，研究人員發(fā)現(xiàn)，樣品在200℃下再加熱降解一個小時，可以使壽命恢復(fù)，但在重新暴露于光下時依然會發(fā)生回落。

那么這些缺陷是如何干擾轉(zhuǎn)換效率，以及在它們的形成中可能涉及什么類型的污染物呢?缺陷的兩個特點將有助于研究人員回答這些問題。首先是缺陷能級處于價帶和導帶之間;第二是“捕獲截面”——特定位置處的缺陷可捕獲電子和空穴(電子的體積可能與缺陷的體積不同)。

雖然這些特性不易直接在樣品中測量，但是研究人員可以根據(jù)經(jīng)驗方程，利用不同照射強度和測試溫度下的壽命來推斷它們。使用在950℃下燒制后暴露于光的樣品，在不同的測試條件下進行壽命光譜實驗。用這些數(shù)據(jù)計算能量水平和導致電子空穴復(fù)合的主要捕獲截面。通過查閱文獻以了解哪些元素已被發(fā)現(xiàn)具有這些特性，從而列舉出導致樣品轉(zhuǎn)換效率下降的優(yōu)先候選。

Morishige團隊已經(jīng)極力縮小了名單范圍。“至少有一個與我們觀察到的大部分一致。”她說。在這種情況下，在制造中會導致金屬污染物在硅的晶格中造成缺陷，氫原子與金屬原子結(jié)合，使其保持電中性，因此不能用作電子空穴復(fù)合的位點。但在特殊條件下，特別是當電子密度高時，氫原子從金屬離解，使得缺陷變得極富復(fù)合活性。

這種解釋符合公司關(guān)于其模塊的初步報告。在較高溫度下燒制的電池將更易于受到光的誘導而損壞，因為它們中的硅通常包含更多的雜質(zhì)和更少的氫，并且它們的性能各不相同，因為不同批次的硅包含不同濃度的污染物以及氫。正如研究人員發(fā)現(xiàn)的那樣，在200℃下烘烤硅晶片，可能導致氫原子與金屬重新結(jié)合產(chǎn)生惰性的缺陷。

基于這種假設(shè)的機制，研究人員為制造商提供了兩個建議。首先，嘗試調(diào)整制造工藝，使得它們可以在較低溫度下進行燒制步驟;第二，確保他們的硅晶片中那些被列入“嫌疑名單”的金屬的濃度降至最低。

意外的結(jié)果

PERC技術(shù)的高效性來源于有效捕獲太陽能的特殊結(jié)構(gòu)，這揭示了制造材料固有的問題。“細胞人做了一切正確的事，”他說，“如果問題的關(guān)鍵在于硅晶片中與缺陷相互作用的激發(fā)電子密度過高，那么找到解決它的有效策略將變得尤為重要，因為下一代器件設(shè)計和晶片減薄將帶來更高的電子密度。

這項工作需要各個領(lǐng)域?qū)＜抑g的合作，他主張所有參與者，包括私人公司和研究機構(gòu)以及各個領(lǐng)域的專家，從原料到晶圓、電池和模塊，再到系統(tǒng)集成和模塊安裝進行溝通。“我們的實驗室正在采取一系列措施，將利益相關(guān)團體聚集在一起，共同創(chuàng)建一個新的研發(fā)平臺。期望這能使我們更快地解決技術(shù)挑戰(zhàn)，并幫助達成2030年實現(xiàn)10TW光伏的目標。”Buonassisi如是說。

這項研究由國家科學基金會、美國能源部和新加坡國家研究基金會通過新加坡麻省理工學院研究和技術(shù)聯(lián)盟資助。

原標題：2030年實現(xiàn)全球10TW的光伏目標 太陽能電池需要哪些突破？