太阳能电池：在纳米尺度上可见的损失

时间：2021-06-08 15:19:45 来源：

硅太阳能电池现在非常便宜和高效，它们可以以低于 2 美分/千瓦时的价格发电。当今最高效的硅太阳能电池由小于 10 纳米的薄选择性非晶硅 (a-Si:H) 接触层制成，这些接触层负责分离光产生的电荷。使用这种硅异质结太阳能电池在 HZB 上实现了超过 24% 的效率，并且也是串联太阳能电池的一部分，导致最近报告的效率记录为 29.15% (A. Al-Ashouri, et al.Science370, (2020) ))。日本目前的单结硅太阳能电池世界纪录也是基于这种异质接触(26.6%：K. Yoshikawa, et al.Nature Energy2, (2017))。

太阳能电池：在纳米尺度上可见的损失

与这种异质接触系统相关的效率潜力仍然相当可观，但是，尚不清楚这些层如何实现电荷载流子分离以及它们的纳米级损失机制是什么。a-Si:H 接触层的特点是它们的内在无序，一方面可以在硅表面形成极好的涂层，从而最大限度地减少界面缺陷的数量，但另一方面也有一个小缺点：它可能导致局部复合电流和传输障碍的形成。

HZB 和犹他大学的一个团队首次在原子水平上通过实验测量了 c-Si 和 a-Si:H 之间如何形成这种漏电流，以及它们如何影响太阳能电池的性能。由犹他大学 Christoph Boehme 教授和 HZB 的 Klaus Lips 教授领导的团队共同努力，解决了上述纳米硅异质接触界面处的损耗机制使用超高真空导电原子力显微镜 (cAFM) 进行缩放。

物理学家能够以接近原子的分辨率确定漏电流穿透选择性 a-Si:H 触点并在太阳能电池中产生损耗过程的位置。在 cAFM 中，这些损耗电流表现为纳米级电流通道，是与非晶硅网络无序相关的缺陷指纹。Lips 解释说：“这些缺陷充当电荷穿透选择性接触并诱导复合的垫脚石，我们将其称为”陷阱辅助量子力学隧道效应。“这是第一次在-Si:H 并且我们能够在最高质量的太阳能电池的工作条件下解开损耗机制，”物理学家热情地报告。

犹他州/柏林团队还能够证明通道暗电流随时间随机波动。结果表明存在短期电流阻塞，这是由捕获在相邻缺陷中的局部电荷引起的，这些电荷改变了隧道态(垫脚石)的能量定位。这种捕获的电荷还会导致电流通道上的局部光电压升至 1V 以上，这远高于宏观接触所能使用的电压。“在从纳米世界到宏观世界的转变过程中，我们发现了令人兴奋的异质结物理学，以及如何以更有针对性的方式进一步提高硅太阳能电池效率的关键，”负责该项目的 Bernd Stannowski 博士说。 HZB 开发工业硅异质结太阳能电池。

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