Shanghai Institute verbetert de conversie-efficiëntie van silicium heterojunctie-zonnecellen

Onlangs heeft het team van Liu Zhengxin van het New Energy Technology Center van het Key Laboratory of Microsystem Technology van het Shanghai Institute of Microsystems gevonden in de gedoteerde amorfe silicium (a-Si:H) dunne film van amorf silicium/kristallijn silicium heterojunctie (SHJ) zonne-energie cellen. Afwijkend Staebler-Wronski-effect, en bewees dat het afwijkende effect de fysieke essentie is van het gebruik van lichtinjectie om de foto-elektrische conversie-efficiëntie van SHJ-zonnecellen te verbeteren. Het resultaat is op 13 mei 2022 gepubliceerd in Nature Energy (https://doi.org/10.1038/s41560- 022-01018-5, impactfactor 60.868).

Licht werd voor het eerst ontdekt in het laboratorium in 1977 door de Amerikaanse elektrotechnisch ingenieur David L. Staebler en Penn State elektrotechnisch ingenieur en emeritus professor Christopher R. Wronski zal de donkere geleidbaarheid van a-Si:H dunne films verminderen. Dit fenomeen werd later "Staebler" genoemd. -Wronski-effect", veroorzaakte dit fenomeen grote problemen voor de betrouwbaarheid van opto-elektronische apparaten van amorf silicium, en beïnvloedde het ook de ontwikkeling en het gebruik van dunne-filmzonnecellen van amorf silicium.

Op het gebied van amorf silicium wordt aangenomen dat de belangrijkste vorm van H-atomen in dunne films Si-H covalente bindingen zijn. In 2020, gebaseerd op een groot aantal experimentele gegevens, hebben Liu Wenzhu et al. ontdekte dat het bovenstaande structurele model niet permanent is. Gecombineerd met FTIR, SIMS, TA, Sinton Lifetime Tester, Keithley en DFT en andere technische middelen, is bewezen dat er een grote hoeveelheid doping a-Si:H aanwezig is in de overbruggende zwakke H-atomen met een dichtheid zo hoog als 1021 cm-3 of meer zullen de dopingefficiëntie van B- en P-atomen in het a-Si:H-netwerk "vergiftigen". Wanneer lichtbestraling (optische injectie) of een aangelegd elektrisch veld (elektrische injectie) wordt gebruikt om energiequanta groter dan 0,88 eV te geven, krijgen deze zwakke H-atomen voldoende energie en diffunderen of springen ze in het rooster, waardoor B, P-atomen, B opnieuw worden geactiveerd De donkere geleidbaarheid van de gedoteerde p-type a-Si:H-film neemt aanzienlijk toe, wat behoort tot het voor de hand liggende "abnormale Staebler-Wronski-effect" (Fig. a). Nadat de verlichting was verwijderd, nam de donkergeleiding geleidelijk af tot de beginwaarde vóór verlichting (figuur b). We ontdekten dat het vervalgedrag van deze donkere geleidbaarheid kan worden beschreven als een combinatie van Debye-verval en Williams-Watts-verval, waarbij de eerste vrije diffusie van H-atomen voorstelt en de laatste H-atomen vertegenwoordigt die tussen chemische bindingen springen (Figuur c). Door de prestatieparameters van zonnecellen verder te vergelijken, ontdekten we dat het "abnormale Staebler-Wronski-effect" SHJ-zonnecellen kwantitatief kan beschrijven met behulp van lichtinjectie om de efficiëntie van de foto-elektrische conversie en het verval in donkere toestand te verbeteren. Met behulp van het lichtinjectieproces van sterke lichtinstraling van 60 keer het standaard zonlicht werd een hoog conversierendement van meer dan 25 procent bereikt op de industrieel geproduceerde grootschalige SHJ-zonnecellen (Fig. d, e; derde partij onafhankelijke certificering in Duitsland en China).

Verder onderzoek wees uit dat de donkergeleiding van P-gedoteerde n-type a-Si:H meer dan 100 keer kan worden verhoogd onder zonlicht. Daarom kan het "abnormale Staebler-Wronski-effect" worden gebruikt om het fysieke mechanisme en de procestechnologie verder te bestuderen om de foto-elektrische conversie-efficiëntie van SHJ-zonnecellen te verbeteren.