Šanghajský inštitút zlepšuje účinnosť konverzie kremíkových heterojunkčných solárnych článkov

Tím Liu Zhengxina z Centra nových energetických technológií Kľúčového laboratória mikrosystémovej technológie Šanghajského inštitútu mikrosystémov nedávno našiel v tenkom filme dopovaného amorfného kremíka (a-Si:H) solárneho amorfného kremíka/kryštálového kremíka (SHJ). bunky. Anomálny efekt Staebler-Wronski a dokázal, že anomálny efekt je fyzikálnou podstatou použitia vstrekovania svetla na zlepšenie účinnosti fotoelektrickej konverzie solárnych článkov SHJ. Výsledok bol zverejnený 13. mája 2022 v Nature Energy (https://doi.org/10.1038/s41560- 022-01018-5, impaktný faktor 60.868).

Svetlo bolo prvýkrát objavené v laboratóriu v roku 1977 americkým elektrotechnikom Davidom L. Staeblerom a elektrotechnikom a emeritným profesorom z Penn State Christopher R. Wronski zníži vodivosť v tme tenkých vrstiev a-Si:H, tento jav bol neskôr pomenovaný „Staebler "Wronského efekt", tento jav spôsobil veľké problémy so spoľahlivosťou amorfných kremíkových optoelektronických zariadení a ovplyvnil aj amorfný kremík Vývoj a využitie tenkovrstvových solárnych článkov.

V oblasti amorfného kremíka sa predpokladá, že hlavnou formou atómov H v tenkých filmoch sú kovalentné väzby Si-H. V roku 2020, na základe veľkého počtu experimentálnych údajov, Liu Wenzhu a kol. zistili, že vyššie uvedený štrukturálny model nie je trvalý. V kombinácii s FTIR, SIMS, TA, Sinton Lifetime Tester, Keithley a DFT a ďalšími technickými prostriedkami je dokázané, že existuje veľké množstvo dopingu a-Si:H v premosťujúcich slabých H atómoch s hustotou až 1021 cm-3 alebo viac „otrávi“ dopingovú účinnosť atómov B a P v sieti a-Si:H. Keď sa svetelné ožiarenie (optická injekcia) alebo aplikované elektrické pole (elektrická injekcia) použije na poskytnutie energetických kvánt väčších ako 0,88 eV, tieto slabé atómy H získajú dostatok energie a difundujú alebo preskakujú v mriežke, čím reaktivujú atómy B, P, B. Tmavá vodivosť dopovaného p-typu a-Si:H filmu sa výrazne zvyšuje, čo patrí k zjavnému „abnormálnemu Staebler-Wronského efektu“ (obr. a). Po odstránení osvetlenia sa vodivosť tmy postupne znížila na počiatočnú hodnotu pred osvetlením (obr. b). Zistili sme, že rozpadové správanie tejto temnej vodivosti možno opísať ako kombináciu Debyeho rozpadu a Williams-Wattsovho rozpadu, pričom prvý predstavuje voľnú difúziu atómov H a druhý predstavuje skákanie atómov H medzi chemickými väzbami (obrázok c). Ďalším porovnaním výkonových parametrov solárnych článkov sme zistili, že „abnormálny Staebler-Wronski efekt“ môže kvantitatívne opísať solárne články SHJ pomocou vstrekovania svetla na zlepšenie účinnosti fotoelektrickej konverzie a rozpadu v tmavom stave. Pomocou procesu vstrekovania svetla silného svetelného ožiarenia 60-násobku štandardného slnečného žiarenia sa na priemyselne vyrábaných veľkokapacitných solárnych článkoch SHJ dosiahla vysoká účinnosť premeny viac ako 25 percent (obr. d, e; tretia strana nezávislá certifikácia v Nemecku a Číne).

Ďalší výskum zistil, že tmavá vodivosť P-dopovaného n-typu a-Si:H sa môže pod slnečným žiarením zvýšiť viac ako 100-krát. Preto sa „abnormálny Staebler-Wronski efekt“ môže použiť na ďalšie štúdium fyzikálneho mechanizmu a technológie spracovania na zlepšenie účinnosti fotoelektrickej konverzie solárnych článkov SHJ.