Šanghajski inštitut izboljšuje učinkovitost pretvorbe silicijevih heterokončnih sončnih celic

Pred kratkim je ekipa Liuja Zhengxina iz Centra za novo energetsko tehnologijo Ključnega laboratorija za mikrosistemsko tehnologijo Šanghajskega inštituta za mikrosisteme našla v tankem filmu dopiranega amorfnega silicija (a-Si:H) iz amorfnega silicija/kristalnega silicija heterojunction (SHJ) sončne energije. celice. Anomalnega učinka Staebler-Wronskega in dokazal, da je anomalni učinek fizično bistvo uporabe vbrizgavanja svetlobe za izboljšanje učinkovitosti fotoelektrične pretvorbe sončnih celic SHJ. Rezultat je bil objavljen 13. maja 2022 v Nature Energy (https://doi.org/10.1038/s41560- 022-01018-5, faktor vpliva 60.868).

Svetlobo sta leta 1977 v laboratoriju prvič odkrila ameriški inženir elektrotehnike David L. Staebler in inženir elektrotehnike in zaslužni profesor Penn State Christopher R. Wronski bo zmanjšal temno prevodnost a-Si:H tankih filmov, ta pojav je bil kasneje poimenovan "Staebler -Wronski učinek", ta pojav je povzročil velike težave pri zanesljivosti optoelektronskih naprav iz amorfnega silicija, vplival pa je tudi na razvoj in uporabo tankoslojnih sončnih celic.

Na področju amorfnega silicija velja, da so glavna oblika atomov H v tankih filmih kovalentne vezi Si-H. V 2020 so na podlagi velikega števila eksperimentalnih podatkov Liu Wenzhu et al. ugotovili, da zgornji strukturni model ni trajen. V kombinaciji s FTIR, SIMS, TA, Sinton Lifetime Tester, Keithley in DFT ter drugimi tehničnimi sredstvi je dokazano, da obstaja velika količina dopinga a-Si:H v premostitvenih šibkih atomih H z gostoto do 1021 cm-3 ali več bo "zastrupil" učinkovitost dopinga atomov B in P v omrežju a-Si:H. Ko se uporablja svetlobno obsevanje (optična injekcija) ali uporabljeno električno polje (električna injekcija) za dajanje energijskih kvantov, večjih od 0,88 eV, ti šibki atomi H pridobijo dovolj energije in se razpršijo ali preskočijo v mreži, s čimer ponovno aktivirajo atome B, P, B Temna prevodnost dopiranega p-tipa a-Si:H filma se znatno poveča, kar spada v očitni "nenormalni učinek Staebler-Wronskega" (slika a). Po odstranitvi osvetlitve je temna prevodnost postopoma upadla na začetno vrednost pred osvetlitvijo (slika b). Ugotovili smo, da je razpadno obnašanje te temne prevodnosti mogoče opisati kot kombinacijo Debyejevega razpada in Williams-Wattsovega razpada, pri čemer prvi predstavlja prosto difuzijo atomov H, drugi pa predstavlja atome H, ki skačejo med kemičnimi vezmi (slika c). Z nadaljnjo primerjavo parametrov zmogljivosti sončnih celic smo ugotovili, da lahko "nenormalni učinek Staebler-Wronski" kvantitativno opiše sončne celice SHJ z uporabo svetlobne injekcije za izboljšanje učinkovitosti fotoelektrične pretvorbe in razpadanja temnega stanja. S pomočjo postopka vbrizgavanja svetlobe ob močnem obsevanju svetlobe, ki je 60-krat večji od standardne sončne svetlobe, je bila dosežena visoka učinkovitost pretvorbe več kot 25 odstotkov na industrijsko proizvedenih velikih sončnih celicah SHJ (slika d, e; tretji proizvajalec neodvisno certificiranje v Nemčiji in na Kitajskem).

Nadaljnje raziskave so pokazale, da se lahko temna prevodnost P-dopiranega n-tipa a-Si:H pod sončno svetlobo poveča za več kot 100-krat. Zato se lahko "nenormalni učinek Staebler-Wronski" uporabi za nadaljnje preučevanje fizičnega mehanizma in procesne tehnologije za izboljšanje učinkovitosti fotoelektrične pretvorbe sončnih celic SHJ.