近日，我校质料科學與工程學院李志刚教授团队与特拉华大学魏秉庆教授团队相助，在国际知名期刊《Advanced Materials》发表了题为“Doubling Power Conversion Efficiency of Si Solar Cells”的最新研究结果。
太陽能電池的光電轉換效率(PCE)，是太陽能電池的關鍵指標。根據Shockley–Queisser(S-Q)理論，單節太陽能電池的PCE被限制在33%以內，有超過50%的能量以熱損耗的形式浪費掉，進而限制了電池PCE的提升。如何克服S-Q理論極限，大幅度提升太陽能電池的PCE，是學術界目前面臨的難題之一。大量研究通過降低溫度抑制熱損耗來提升太陽能電池的PCE，但是當溫度低于150-200K時，受載流子凍析等效應影響，太陽能電池的PCE將會隨著溫度的降低而快速下降。
該論文通過差异的單色激光和AM1.5，系統研究了溫度變化對單節單晶矽太陽能電池PCE的影響。通過對熱損耗的抑制，在超低溫條件下首次實現50%—60%太陽能轉換效率，是室溫轉換效率的2.7倍，突破了傳統S-Q理論極限。此外，該研究還發現光穿透深度可以有效改善載流子凍結效應，並突破性地將太陽能電池的事情溫度範圍拓展到10K(-263℃) 甚至更低。
圖1：样品非标测试示意圖。通过抑制热损耗，n-type单节硅太阳能电池PCE首次到达了创纪录的50%-60%。此外，波长相关的光穿透深度可以有效克服载流子冻析效应，将载流子的事情温度拓展到10K。
研究结果要點一：高能光子的溫度-光電特性
單色激光可以確保光生載流子具有相同的能量，爲研究抑制熱損耗的機制提供了理想條件。因此，研究人員利用波長爲450、520、635和980納米的激光來評估矽太陽能電池的溫度-光電特性。這些激光可以分爲兩類：一類是高能光子，如450、520和635nm，其DE(光子能量减去硅带隙)划分为1.64, 1.26和0.83电子伏；另一类是低能光子，如980nm其DE爲0.15電子伏。高能光子以520nm爲例，進行重點說明。
圖2. 520 nm光波長溫度相關光電特性。(A)開路電壓(VOC)和 短路電流(JSC), (B)填充因子(FF)和PCE. (C) 室溫和50K(最大PCE溫度四周)是I-V/P-V曲線對比, (D)樣品穩定性測試。
从圖2(A)中可以看到，随着温度的降低,Voc近似线性增加，直到其迫近硅的带隙Eg, 而Jsc在50K以上，變化不大。高能光子室溫和低温下，样品的PCE相差约2.5倍（圖2C），圖2(D)显示，样品的稳定性很是好。
研究结果要點二：高能光子熱損耗滿足聲學波
实验丈量了520nm光照下样品的磁电阻和霍尔电阻，并用双带模型拟合了样品的载流子迁移率和浓度，见圖3(A)。圖3(A)中显示，在50K以上，载流子浓度和迁移率隨溫度變化较为缓慢；50K以下，载流子浓度和迁移率隨溫度變化较为陡峭。
圖3：520 nm光照下，樣品的遷移率和載流子濃度隨溫度變化情況(A), 載流子遷移率和溫度關系(B)。
圖3(B)结果讲明，在温度50-300K规模内，样品光照下载流子的迁移率近似正比于T-3/2，這意味著光照下矽載流子的遷移率滿足聲學波模型。根據德拜-愛因斯坦模型，載流子的聲子數滿足N=[exp(??/kBT)-1]-1 (kB爲布爾茲曼常數)。低溫下，聲子數N隨溫度降低，近似呈指數減小。
这将意味着，传统太阳能电池理论中，电子吸收高能光子后形成的热电子空穴对，通过释放大量声子而迅速冷却到导带底簣D鄞サ睦蹋诘臀孪掠捎谌狈ψ愎坏纳尤菽煽占洌辉偈视茫碌奶裟芾砺圬叫杼剿鳎
研究结果要點三：低能光子和AM1.5
为了与高能光子对比，低能光子和AM1.5的光电子特性也被表征，见圖4。
圖4. 980 nm和AM1.5溫度相關的光學特性。(A) 差异光波PCE隨溫度變化, (B)典型的JSC隨溫度變化。
圖4(A)显示980nm的PCE曲线存在两个峰值，其中第一个峰值对应样品电导率最大值，第二个峰值对应低温热损耗被抑制的结果。AM1.5讲明，当温度位于50-150K时，样品的PCE随温度降低而下降，与文献报道一致。而在30K时，其PCE可达51%，约比同温度下S-Q理论极限的PCE（42.4%）高20%。
圖4(B)显示样品的JSC在接近最大PCE溫度點四周時，會迅速的增強。如980nm的JSC從50K時的4.1mAcm-2增加到10.4mAcm-2，增加了约2.5倍。高能光子也存在类似變化，但在最大PCE温度点四周不明显，而是存在于一个较宽的温度规模，见圖4(B)。这种电流（或外量子效率）的反常增加，对低温下样品PCE突破了传统S-Q理论极限，起到了要害作用。具体机理另有待于进一步完善。
研究结果要點四：克服低溫載流子凍析效應
所謂載流子凍析效應，即低溫下部门載流子會被凍析在能級上，對導電沒有貢獻，溫度越低效果越顯著。該效應會導致低溫下太陽能電池的PCE，由于缺少足夠的傳導載流子而迅速下降，導致電池無法事情。本實驗研究讲明，該效應僅能影響雜質或缺陷産生的載流子，而光電效應産生的光生載流子不受該效應的影響。
圖5： 低溫下載流子凍析效應。(A)光穿透深度與PCE之間關系，(B) 光生載流子濃度變化示意圖。
光生载流子的浓度与變化与光的穿透深度有关，圖5(A)显示差异光波长的穿透深度，以及光穿透深度變化对样品PCE(10K)以及最大PCE对应温度的影响。圖5(B)是光生载流子的浓度變化示意圖：圖中太阳能硅片从上到下可分为许多层，每一层都市发生浓度差异的光生载流子，最底层的浓度最小。此时，太阳能电池的最大电流密度就由最底层所能容纳的最大电流密度决定。因此，研究團隊通過改變光的穿透深度或光強，可以有效的改變太陽能電池的JSC, 进而调控它的PCE，使得太阳能电池可以在低温下应用。将太阳能电池事情温度拓展到极低温(10K), 对太阳能电池在外太空或星球上的应用，提供了巨大的便利。
该研究获得了国家自然科學基金项目（No. 52371197, 51671139）和浙江省自然基金（No. LY21F050001）经费支持。
文章鏈接：
Doubling Power Conversion Efficiency of Si Solar Cells. Adv. Mater. 2024, 2405724.
https://doi.org/10.1002/adma.202405724
浙公網安備 33100202001351號版權所有?PP电子學院浙ICP備05014578號-1
