2030年实现全球10TW的光伏目标 太阳能电池需要做出哪些突破性变化

PVLab研究人员用电子与空穴复合之前保持在激发态的平均时间来量化该行为。寿命严重影响太阳能电池的能量转换效率，它对缺陷的存在非常敏感，Buonassisi说。

为了测量寿命，Morishige和机械工程研究生Mallory Jensen领导的团队使用光谱学的方法：将光照在样品上或加热样品，并在期间和之后即时监测导电性。电流上升时，电子受外部能量激发跃入导带;电流下降时，它们失去能量并落入价带。随时间的电导率变化反映出样品中电子的平均寿命。

定位和缺陷表征

为了解决PERC太阳能电池的性能问题，研究人员需要弄清楚模块中的主要缺陷所在，包括硅表面、铝背衬和材料之间的各种界面。但麻省理工学院团队认为缺陷最有可能存在于硅片本身。

为了验证这个假设，他们使用了在750℃和950℃下制造的太阳能电池来验证这个假设，并且设定了光照和暗室两种保存环境。之后，用化学方法去除电池的顶层和底层，仅留下硅晶片，然后进行电子寿命的测试。低温时，在两种保存环境中的样品寿命大致相同;高温时，光照保存的样品寿命显著低于暗室中的样品。

这些发现证实了效率退化主要归因于硅中的缺陷，这些缺陷会影响电池中的电子寿命，从而使效率显著下降。在后续的测试中，研究人员发现，样品在200℃下再加热降解一个小时，可以使寿命恢复，但在重新暴露于光下时依然会发生回落。

那么这些缺陷是如何干扰转换效率，以及在它们的形成中可能涉及什么类型的污染物呢?缺陷的两个特点将有助于研究人员回答这些问题。首先是缺陷能级处于价带和导带之间;第二是“捕获截面”——特定位置处的缺陷可捕获电子和空穴(电子的体积可能与缺陷的体积不同)。

虽然这些特性不易直接在样品中测量，但是研究人员可以根据经验方程，利用不同照射强度和测试温度下的寿命来推断它们。使用在950℃下烧制后暴露于光的样品，在不同的测试条件下进行寿命光谱实验。用这些数据计算能量水平和导致电子空穴复合的主要捕获截面。通过查阅文献以了解哪些元素已被发现具有这些特性，从而列举出导致样品转换效率下降的优先候选。

Morishige团队已经极力缩小了名单范围。“至少有一个与我们观察到的大部分一致。”她说。在这种情况下，在制造中会导致金属污染物在硅的晶格中造成缺陷，氢原子与金属原子结合，使其保持电中性，因此不能用作电子空穴复合的位点。但在特殊条件下，特别是当电子密度高时，氢原子从金属离解，使得缺陷变得极富复合活性。

这种解释符合公司关于其模块的初步报告。在较高温度下烧制的电池将更易于受到光的诱导而损坏，因为它们中的硅通常包含更多的杂质和更少的氢，并且它们的性能各不相同，因为不同批次的硅包含不同浓度的污染物以及氢。正如研究人员发现的那样，在200℃下烘烤硅晶片，可能导致氢原子与金属重新结合产生惰性的缺陷。

基于这种假设的机制，研究人员为制造商提供了两个建议。首先，尝试调整制造工艺，使得它们可以在较低温度下进行烧制步骤;第二，确保他们的硅晶片中那些被列入“嫌疑名单”的金属的浓度降至最低。

意外的结果

PERC技术的高效性来源于有效捕获太阳能的特殊结构，这揭示了制造材料固有的问题。“细胞人做了一切正确的事，”他说，“如果问题的关键在于硅晶片中与缺陷相互作用的激发电子密度过高，那么找到解决它的有效策略将变得尤为重要，因为下一代器件设计和晶片减薄将带来更高的电子密度。

这项工作需要各个领域专家之间的合作，他主张所有参与者，包括私人公司和研究机构以及各个领域的专家，从原料到晶圆、电池和模块，再到系统集成和模块安装进行沟通。“我们的实验室正在采取一系列措施，将利益相关团体聚集在一起，共同创建一个新的研发平台。期望这能使我们更快地解决技术挑战，并帮助达成2030年实现10TW光伏的目标。”Buonassisi如是说。

这项研究由国家科学基金会、美国能源部和新加坡国家研究基金会通过新加坡麻省理工学院研究和技术联盟资助。