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PVLab研究人員用電子與空穴復(fù)合之前保持在激發(fā)態(tài)的平均時(shí)間來量化該行為。壽命嚴(yán)重影響太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率，它對缺陷的存在非常敏感，Buonassisi說。

為了測量壽命，Morishige和機(jī)械工程研究生Mallory Jensen領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)使用光譜學(xué)的方法：將光照在樣品上或加熱樣品，并在期間和之后即時(shí)監(jiān)測導(dǎo)電性。電流上升時(shí)，電子受外部能量激發(fā)躍入導(dǎo)帶;電流下降時(shí)，它們失去能量并落入價(jià)帶。隨時(shí)間的電導(dǎo)率變化反映出樣品中電子的平均壽命。

定位和缺陷表征

為了解決PERC太陽能電池的性能問題，研究人員需要弄清楚模塊中的主要缺陷所在，包括硅表面、鋁背襯和材料之間的各種界面。但麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)認(rèn)為缺陷最有可能存在于硅片本身。

為了驗(yàn)證這個(gè)假設(shè)，他們使用了在750℃和950℃下制造的太陽能電池來驗(yàn)證這個(gè)假設(shè)，并且設(shè)定了光照和暗室兩種保存環(huán)境。之后，用化學(xué)方法去除電池的頂層和底層，僅留下硅晶片，然后進(jìn)行電子壽命的測試。低溫時(shí)，在兩種保存環(huán)境中的樣品壽命大致相同;高溫時(shí)，光照保存的樣品壽命顯著低于暗室中的樣品。

這些發(fā)現(xiàn)證實(shí)了效率退化主要?dú)w因于硅中的缺陷，這些缺陷會影響電池中的電子壽命，從而使效率顯著下降。在后續(xù)的測試中，研究人員發(fā)現(xiàn)，樣品在200℃下再加熱降解一個(gè)小時(shí)，可以使壽命恢復(fù)，但在重新暴露于光下時(shí)依然會發(fā)生回落。

那么這些缺陷是如何干擾轉(zhuǎn)換效率，以及在它們的形成中可能涉及什么類型的污染物呢?缺陷的兩個(gè)特點(diǎn)將有助于研究人員回答這些問題。首先是缺陷能級處于價(jià)帶和導(dǎo)帶之間;第二是“捕獲截面”——特定位置處的缺陷可捕獲電子和空穴(電子的體積可能與缺陷的體積不同)。

雖然這些特性不易直接在樣品中測量，但是研究人員可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)方程，利用不同照射強(qiáng)度和測試溫度下的壽命來推斷它們。使用在950℃下燒制后暴露于光的樣品，在不同的測試條件下進(jìn)行壽命光譜實(shí)驗(yàn)。用這些數(shù)據(jù)計(jì)算能量水平和導(dǎo)致電子空穴復(fù)合的主要捕獲截面。通過查閱文獻(xiàn)以了解哪些元素已被發(fā)現(xiàn)具有這些特性，從而列舉出導(dǎo)致樣品轉(zhuǎn)換效率下降的優(yōu)先候選。

Morishige團(tuán)隊(duì)已經(jīng)極力縮小了名單范圍。“至少有一個(gè)與我們觀察到的大部分一致。”她說。在這種情況下，在制造中會導(dǎo)致金屬污染物在硅的晶格中造成缺陷，氫原子與金屬原子結(jié)合，使其保持電中性，因此不能用作電子空穴復(fù)合的位點(diǎn)。但在特殊條件下，特別是當(dāng)電子密度高時(shí)，氫原子從金屬離解，使得缺陷變得極富復(fù)合活性。

這種解釋符合公司關(guān)于其模塊的初步報(bào)告。在較高溫度下燒制的電池將更易于受到光的誘導(dǎo)而損壞，因?yàn)樗鼈冎械墓柰ǔ０嗟碾s質(zhì)和更少的氫，并且它們的性能各不相同，因?yàn)椴煌蔚墓璋煌瑵舛鹊奈廴疚镆约皻?。正如研究人員發(fā)現(xiàn)的那樣，在200℃下烘烤硅晶片，可能導(dǎo)致氫原子與金屬重新結(jié)合產(chǎn)生惰性的缺陷。

基于這種假設(shè)的機(jī)制，研究人員為制造商提供了兩個(gè)建議。首先，嘗試調(diào)整制造工藝，使得它們可以在較低溫度下進(jìn)行燒制步驟;第二，確保他們的硅晶片中那些被列入“嫌疑名單”的金屬的濃度降至最低。

意外的結(jié)果

PERC技術(shù)的高效性來源于有效捕獲太陽能的特殊結(jié)構(gòu)，這揭示了制造材料固有的問題。“細(xì)胞人做了一切正確的事，”他說，“如果問題的關(guān)鍵在于硅晶片中與缺陷相互作用的激發(fā)電子密度過高，那么找到解決它的有效策略將變得尤為重要，因?yàn)橄乱淮骷O(shè)計(jì)和晶片減薄將帶來更高的電子密度。

這項(xiàng)工作需要各個(gè)領(lǐng)域?qū)＜抑g的合作，他主張所有參與者，包括私人公司和研究機(jī)構(gòu)以及各個(gè)領(lǐng)域的專家，從原料到晶圓、電池和模塊，再到系統(tǒng)集成和模塊安裝進(jìn)行溝通。“我們的實(shí)驗(yàn)室正在采取一系列措施，將利益相關(guān)團(tuán)體聚集在一起，共同創(chuàng)建一個(gè)新的研發(fā)平臺。期望這能使我們更快地解決技術(shù)挑戰(zhàn)，并幫助達(dá)成2030年實(shí)現(xiàn)10TW光伏的目標(biāo)。”Buonassisi如是說。

這項(xiàng)研究由國家科學(xué)基金會、美國能源部和新加坡國家研究基金會通過新加坡麻省理工學(xué)院研究和技術(shù)聯(lián)盟資助。

原標(biāo)題：2030年實(shí)現(xiàn)全球10TW的光伏目標(biāo) 太陽能電池需要哪些突破？