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科研进展

光伏技术中心陈剑辉团队电化学钝化MACE黑硅太阳电池研究EQE超过100%

添加时间:2023-01-05 09:11:47  浏览次数:

  近期,我院光伏技术中心陈剑辉等人在电化学钝化黑硅太阳电池研究取得新进展,相关工作“Multi-Carrier Generation in Organic-Passivated Black Silicon Solar Cells with Industrially Feasible Processes”发表在《Small》(2022, 2205848),硕士研究生周欣为论文第一作者,陈剑辉博士为通讯。

  黑硅,即硅的纳米阵列结构,在硅半导体材料与器件的发展史上一直备受关注,其理想的光吸收特性使其成为完美光伏材料。但同时纳米结构造成大的比表面积,致使其表面复合远大于常见的金字塔陷光结构,因此目前黑硅电池未能走向实际应用。国内外研究机构一直致力于解决这一问题,但由于缺乏有效的钝化技术而未能制备出高质量器件。2017年,陈剑辉课题组发现了经典钝化机理(化学钝化和场效应钝化)之外的第三种新型钝化机制—电化学钝化,由于其溶液法的特殊工艺可以很好地渗透进入纳米多孔结构,为解决黑硅钝化问题提供了新的思路。另一方面,硅材料自身能带结构中固有的“逆俄歇效应”可以实现“1光子产生2个及以上电子空穴对”的反常光伏效应,从而获得超过100%的外量子效率(EQE>100%)。但这一反常光伏效应的实现需要满足两个条件:高能光子的低反射率和低复合损失。而黑硅正好可以提供降低电池表面反射率,黑硅钝化将将实现低的复合损失。对此,研究团队基于溶液法电化学钝化机制的有机钝化液渗透钝化技术获得了>2 ms的钝化效果,并在效率>21%的黑硅太阳电池中观察到了EQE超过100%的反常光伏效应的实验结果(峰值EQE达129%)。

 
图1 有机钝化液渗透钝化(钝化液渗透进入纳米孔底部,实现了完全的黑硅深缺陷钝化)。
 
图2 (a)黑硅电池照片, (b)有机钝化与传统钝化对比电池的EQE相应曲线,(c) 目前已报道的EQE>100%统计图。

  有机钝化的电池外量子效率曲线在高能光子区呈现上升趋势,部分区域EQE>100%(代表反常光伏效应一光子产生两个及以上电子空穴对的实现),目前文献报道比较少见。本工作的特色是在产业化工艺的黑硅电池上发展了更为廉价的产业化钝化技术,并实现了纳米结构表面缺陷的高质量钝化;揭示了新型电化学钝化与EQE>100%的内在关联机制,获得的多载流子太阳电池的EQE曲线在高能光子部分呈现增长趋势(传统电池是衰减趋势),这一现象为未来硅基电池突破SQ理论限制,实现更高效率提供了新的科学途径。

  以上工作得到了国家自然科学基金、河北省杰出青年基金、365365最快线路检测中心生命科学与绿色发展学科群经费、教育部春晖计划等项目的资助与支持。

 

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