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近日，上海微系統(tǒng)所微系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室新能源技術(shù)中心劉正新團(tuán)隊(duì)在非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)(SHJ)太陽電池的摻雜非晶硅(a-Si:H)薄膜中發(fā)現(xiàn)到反常Staebler-Wronski效應(yīng)，并證明該反常效應(yīng)是利用光注入提升SHJ太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率的物理本質(zhì)。該成果于2022年5月13日以“Light-induced activation of boron doping in hydrogenated amorphous silicon for over 25% efficiency silicon solar cells”為題發(fā)表在Nature Energy(https://doi.org/10.1038/s41560-022-01018-5，影響因子60.868)。

1977年，美國電氣工程師大衛(wèi)·L·施泰布勒(David L. Staebler)和賓夕法尼亞州立大學(xué)的電氣工程師、名譽(yù)教授克里斯托弗·R·朗斯基(Christopher R. Wronski)在實(shí)驗(yàn)室首次發(fā)現(xiàn)光照會降低a-Si:H薄膜的暗電導(dǎo)率，這種現(xiàn)象后來被命名為“Staebler-Wronski效應(yīng)”，該現(xiàn)象對非晶硅光電器件的可靠性造成了巨大的困擾，也影響了非晶硅薄膜太陽電池的開發(fā)利用。

非晶硅領(lǐng)域認(rèn)為薄膜中H原子的主要存在形式是Si-H共價(jià)鍵。2020年，劉文柱等人基于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)上述結(jié)構(gòu)模型并非永恒成立，結(jié)合FTIR、SIMS、TA、Sinton Lifetime Tester、Keithley和DFT等多種技術(shù)手段，證明摻雜a-Si:H中存在數(shù)量密度高達(dá)1021 cm-3以上的橋鍵弱H原子，它們會“毒害”a-Si:H網(wǎng)絡(luò)中B、P原子的摻雜效率。當(dāng)利用光照射(光注入)或者印加電場(電注入)給予大于0.88 eV的能量子時(shí)，這些弱H原子獲得足夠能量并在晶格中發(fā)生擴(kuò)散或跳躍，進(jìn)而重新激活B、P原子，B摻雜p型a-Si:H薄膜的暗電導(dǎo)率顯著上升，屬于明顯的“反常Staebler-Wronski效應(yīng)”(圖a)。撤去光照后，暗電導(dǎo)率逐漸衰減到光照前的初始值(圖b)。我們發(fā)現(xiàn)該暗電導(dǎo)率的衰減行為可描述為Debye衰減和Williams-Watts衰減的組合，前者表示H原子自由擴(kuò)散，后者表示H原子在化學(xué)鍵之間跳躍(圖c)。進(jìn)一步比對太陽電池的性能參數(shù)，我們發(fā)現(xiàn)“反常Staebler-Wronski效應(yīng)”可以定量描述SHJ太陽電池利用光注入提升光電轉(zhuǎn)換效率和暗態(tài)衰減現(xiàn)象。借助于60倍標(biāo)準(zhǔn)太陽光的強(qiáng)光照射光注入工藝，在工業(yè)生產(chǎn)的大尺寸SHJ太陽電池上獲得了25%以上的高轉(zhuǎn)換效率(圖d, e;德國、中國第三方獨(dú)立認(rèn)證)。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，P摻雜的n型a-Si:H在太陽光的照射下暗電導(dǎo)率可以提高100倍以上。因此，利用“反常Staebler-Wronski效應(yīng)”，可以進(jìn)一步研究提升SHJ太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率的物理機(jī)制和工藝技術(shù)。

該論文第一作者是劉文柱、石建華、張麗平和韓安軍，通訊作者是劉文柱、劉正新，以上作者均就職于中科院上海微系統(tǒng)所。該研究得到了國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(62004208)、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(62074153)和上海市科技創(chuàng)新行動(22ZR1473200;19DZ1207602)的支持。
原標(biāo)題：上海微系統(tǒng)所揭示利用光注入提升硅異質(zhì)結(jié)太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率的物理機(jī)制