异质结太阳能电池的效率有望被大幅度提升

在一项新研究中，科学家利用超高真空导电原子力显微镜(cAFM)，发现了硅太阳能电池中非晶硅接触层的损耗机制。


图片：CEA Ines

研究于3月17日发表在《ACS应用纳米材料》上，标题为“Imaging of Bandtail States in Silicon Heterojunction Solar Cells: Nanoscopic Current Effects on Photovoltaics”(硅异质结太阳能电池中带尾态的成像：纳米电流对光伏的影响)，通讯作者为德国亥姆霍兹柏林能源与材料研究院(HZB)能源转换和量子信息科学系的Klaus Lips。

硅太阳能电池便宜且高效，可以以低于2美分/千瓦时的价格发电。当今最高效的硅太阳能电池核心部分是小于10纳米的选择性非晶硅(a-Si:H)接触层，这些接触层负责分离光产生的电荷。HZB使用这种硅异质结太阳能电池可实现24%以上的效率，做成串联太阳能电池后，最新报告的效率记录为29.15%。

这种异质接触系统具有相当大的潜力，然而，科学家现在还不清楚这接触层如何实现电荷载流子分离，以及它们的纳米级损耗机制是什么。

a-Si:H接触层的特点是其固有的无序性，这一方面使硅表面具有良好的涂层，从而使界面缺陷的数量最小化，但另一方面也有一个小的缺点：它可以导致局部复合电流和传输势垒的形成。

HZB和犹他大学的一个团队首次在原子水平上实验测量了c-Si和a-Si:H之间这种泄漏电流是如何形成的，以及它们如何影响太阳能电池的性能。

利用cAFM，物理学家们能够用接近原子的分辨率来确定泄漏电流穿透选择性a-Si:H触点的位置，以及在太阳能电池中产生损耗过程。在cAFM中，这些损耗电流表现为纳米级的电流通道，是与非晶硅网络无序相关的缺陷的指纹。这些缺陷充当了电荷穿透选择性接触并诱导复合的垫脚石，被称为“陷阱辅助量子力学隧道”。

这是第1次在a-Si:H中观察到这种状态。

犹他州/柏林的研究小组也能证明，暗流随时间随机波动。结果表明，存在一个短期的电流阻塞，这是由被困在邻近缺陷中的局部电荷引起的，它改变了隧道态(垫脚石)的能量位置。这种被俘获的电荷也会导致电流通道的局部光电压上升到1V以上，这远远高于人们在宏观接触时所能使用的电压。