在一項新研究中，科學(xué)家利用超高真空導(dǎo)電原子力顯微鏡(cAFM)，發(fā)現(xiàn)了硅太陽能電池中非晶硅接觸層的損耗機(jī)制。


圖片：CEA Ines

研究于3月17日發(fā)表在《ACS應(yīng)用納米材料》上，標(biāo)題為“Imaging of Bandtail States in Silicon Heterojunction Solar Cells: Nanoscopic Current Effects on Photovoltaics”(硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池中帶尾態(tài)的成像：納米電流對光伏的影響)，通訊作者為德國亥姆霍茲柏林能源與材料研究院(HZB)能源轉(zhuǎn)換和量子信息科學(xué)系的Klaus Lips。

硅太陽能電池便宜且高效，可以以低于2美分/千瓦時的價格發(fā)電。當(dāng)今最高效的硅太陽能電池核心部分是小于10納米的選擇性非晶硅(a-Si:H)接觸層，這些接觸層負(fù)責(zé)分離光產(chǎn)生的電荷。HZB使用這種硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池可實(shí)現(xiàn)24%以上的效率，做成串聯(lián)太陽能電池后，最新報告的效率記錄為29.15%。

這種異質(zhì)接觸系統(tǒng)具有相當(dāng)大的潛力，然而，科學(xué)家現(xiàn)在還不清楚這接觸層如何實(shí)現(xiàn)電荷載流子分離，以及它們的納米級損耗機(jī)制是什么。

a-Si:H接觸層的特點(diǎn)是其固有的無序性，這一方面使硅表面具有良好的涂層，從而使界面缺陷的數(shù)量最小化，但另一方面也有一個小的缺點(diǎn)：它可以導(dǎo)致局部復(fù)合電流和傳輸勢壘的形成。

HZB和猶他大學(xué)的一個團(tuán)隊首次在原子水平上實(shí)驗(yàn)測量了c-Si和a-Si:H之間這種泄漏電流是如何形成的，以及它們?nèi)绾斡绊懱柲茈姵氐男阅堋?br/>
利用cAFM，物理學(xué)家們能夠用接近原子的分辨率來確定泄漏電流穿透選擇性a-Si:H觸點(diǎn)的位置，以及在太陽能電池中產(chǎn)生損耗過程。在cAFM中，這些損耗電流表現(xiàn)為納米級的電流通道，是與非晶硅網(wǎng)絡(luò)無序相關(guān)的缺陷的指紋。這些缺陷充當(dāng)了電荷穿透選擇性接觸并誘導(dǎo)復(fù)合的墊腳石，被稱為“陷阱輔助量子力學(xué)隧道”。

這是第1次在a-Si:H中觀察到這種狀態(tài)。

猶他州/柏林的研究小組也能證明，暗流隨時間隨機(jī)波動。結(jié)果表明，存在一個短期的電流阻塞，這是由被困在鄰近缺陷中的局部電荷引起的，它改變了隧道態(tài)(墊腳石)的能量位置。這種被俘獲的電荷也會導(dǎo)致電流通道的局部光電壓上升到1V以上，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人們在宏觀接觸時所能使用的電壓。