清潔能源成為了未來發(fā)展的大趨勢，太陽能電池便是其中之一，但是其轉(zhuǎn)換效率一直是難以解決的問題?，F(xiàn)在，研究人員發(fā)現(xiàn)了影響其轉(zhuǎn)換效率的主要原因，通過改善將大大提高電池的使用壽命，這將為我們保護環(huán)境做出重要的貢獻，讓我們一起來領(lǐng)略一下“領(lǐng)導(dǎo)者”硅的風(fēng)光吧！

隨著低碳能源成為未來世界發(fā)展的大趨勢，在本世紀(jì)中葉，大規(guī)模太陽能發(fā)電成為減緩氣候變化的重要措施。氣候科學(xué)家認為：到2030年，全球?qū)⑿枰^10萬億瓦（TW）的太陽能發(fā)電量，這絕不少于當(dāng)前發(fā)電量的50倍。在麻省理工光伏研究實驗室（PVLab），團隊正致力于探索新技術(shù)，并幫助實現(xiàn)這一目標(biāo)。“我們的工作是通過技術(shù)創(chuàng)新找到經(jīng)濟和環(huán)境可持續(xù)的方式使太陽能發(fā)電量達到10TW以上。”機械工程和實驗室主任的副教授TonioBuonassisi說。

這是一項巨大的挑戰(zhàn)。首先，他們計算到2030年實現(xiàn)10TW太陽能發(fā)電量所需的增長率，以及在沒有補貼幫助的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)增長的最低價格，當(dāng)前的技術(shù)顯然不能完成任務(wù)。Buonassisi說：“這需要1萬億美元到4萬億美元的額外債務(wù)，這只是將現(xiàn)有技術(shù)推向市場來完成這項工作，這很難。那么，是否有其他什么方法呢？

使用結(jié)合技術(shù)和經(jīng)濟變量的模型，研究人員確定需要三個變化：一是將模塊的成本降低50％，二是將模塊的轉(zhuǎn)換效率（即太陽能轉(zhuǎn)換為電能的百分數(shù)）增加50％，三是將新建工廠的成本減少70%。這三項變化需要盡快在五年內(nèi)完成，將需要近期政策來激勵部署，并大力推動技術(shù)創(chuàng)新以降低成本，使政府支持可以隨著時間的推移而減少。

在效率上邁進

在MITPVLab和世界各地，太陽能的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)取得了重大進展。一種特別有前景的技術(shù)是鈍化發(fā)射區(qū)背面電池（PERC），其基于低成本晶體硅，但具有比常規(guī)硅電池捕獲更多太陽能量的特殊“結(jié)構(gòu)”。雖然成本必須降低，但該技術(shù)有望使效率提高7％，許多專家預(yù)測其能被廣泛采用。

但是仍有一個問題需要解決。在現(xiàn)場測試中，一些包含PERC電池的模塊在太陽光下降解，轉(zhuǎn)換效率在前三個月下降了10％。機械工程博士AshleyMorishige表示：“這些模塊被認為可以持續(xù)25年，然而在短短幾周到幾個月內(nèi)，它們的發(fā)電量下降到原設(shè)計的90％。這種情況令人非常困惑，因為制造商在發(fā)布產(chǎn)品之前已經(jīng)完全測試其產(chǎn)品的效率。此外，并不是所有的模塊都會出現(xiàn)問題，也并不是所有的公司都會遇到這個問題。有趣的是，花費了幾年時間，公司之間才相互意識到其他公司也存在同樣的問題。制造商想出了各種方案來處理它，但其確切原因仍然未知，人們擔(dān)心它可能會在某一時刻重現(xiàn)，這可能影響下一代電池的架構(gòu)。

對于Buonassisi而言，這似乎是一個機會。他的實驗室一般側(cè)重于晶片和電池材料的基礎(chǔ)研究，但研究人員同樣可以將他們的設(shè)備和專業(yè)知識應(yīng)用于模塊和系統(tǒng)。通過定義問題，他們可以支持采用這種高能效技術(shù)，幫助降低每瓦電力電量消耗的材料和勞動力成本。

MIT團隊與工業(yè)太陽能電池制造商密切合作，進行了“根本性原因分析”以探尋問題的根源。該公司已經(jīng)幫助他們分析PERC模塊的意外退化，并報告了一些異常的趨勢。在測試中，閉合回路內(nèi)的PERC模塊在陽光下放置60天后，將不再擁有明顯優(yōu)于傳統(tǒng)太陽能電池的高效率；同樣的存儲條件，開路中模塊的效率則會發(fā)生更明顯的下降。此外，由不同硅錠制成的模塊顯示出不同的功率損耗行為，在960℃峰值溫度下制造的電池模塊，其效率的降低明顯快于860℃下燒制的電池。

亞原子不當(dāng)行為

想要解釋缺陷如何影響轉(zhuǎn)換效率，需要先了解太陽能電池如何在基本水平工作。在光敏材料中，電子可以處于兩個不同的能級：處在價帶的電子被束縛；而處在導(dǎo)帶的電子則可以自由運動。當(dāng)光照射到材料上時，電子可吸收足夠的能量從價帶躍遷到導(dǎo)帶，留下稱為空穴的空位。像這樣躍遷的電子，在失去該額外能量并回落到價帶之前，將在導(dǎo)帶上運動從而產(chǎn)生電流。

通常，電子或空穴必須增加或失去一定能量才能在能級之間躍遷。雖然空穴被定義為電子缺陷，但是物理學(xué)家將電子和空穴都視為半導(dǎo)體內(nèi)的載流子。硅中的金屬化或結(jié)構(gòu)缺陷在禁帶中引入缺陷能級，電子和空穴躍遷到中間能級，使得電子躍遷實現(xiàn)了較少的能量增益或損耗。如果電子和空穴都移動，會發(fā)生電子-空穴復(fù)合，此時，開路電壓會有明顯下降。

PVLab研究人員用電子與空穴復(fù)合之前保持在激發(fā)態(tài)的平均時間來量化該行為。壽命嚴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和機械工程研究生MalloryJensen領(lǐng)導(dǎo)的團隊使用光譜學(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監(jiān)測導(dǎo)電性。電流上升時，電子受外部能量激發(fā)躍入導(dǎo)帶；電流下降時，它們失去能量并落入價帶。隨時間的電導(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)院團隊認為缺陷最有可能存在于硅片本身。

為了驗證這個假設(shè)，他們使用了在750℃和950℃下制造的太陽能電池來驗證這個假設(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，然后進行電子壽命的測試。低溫時，在兩種保存環(huán)境中的樣品壽命大致相同；高溫時，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)證實了效率退化主要歸因于硅中的缺陷，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℃下再加熱降解一個小時，可以使壽命恢復(fù)，但在重新暴露于光下時依然會發(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？缺陷的兩個特點將有助于研究人員回答這些問題。首先是缺陷能級處于價帶和導(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)驗方程，利用不同照射強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行壽命光譜實驗。用這些數(shù)據(jù)計算能量水平和導(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團隊已經(jīng)極力縮小了名單范圍。“至少有一個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。但在特殊條件下，特別是當(dāng)電子密度高時，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，因為它們中的硅通常包含更多的雜質(zhì)和更少的氫，并且它們的性能各不相同，因為不同批次的硅包含不同濃度的污染物以及氫。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)的機制，研究人員為制造商提供了兩個建議。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，因為下一代器件設(shè)計和晶片減薄將帶來更高的電子密度。

這項工作需要各個領(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構(gòu)以及各個領(lǐng)域的專家，從原料到晶圓、電池和模塊，再到系統(tǒng)集成和模塊安裝進行溝通。“我們的實驗室正在采取一系列措施，將利益相關(guān)團體聚集在一起，共同創(chuàng)建一個新的研發(fā)平臺。期望這能使我們更快地解決技術(shù)挑戰(zhàn)，并幫助達成2030年實現(xiàn)10TW光伏的目標(biāo)。”Buonassisi如是說。

這項研究由國家科學(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。