加速降解在非晶硅太阳能电池中的研究综述

研究作者与发表信息

本文主要由Arup Dasgupta、Nandita Palit和Swati Ray等科研人员完成，他们来自印度Indian Association for the Cultivation of Science的Energy Research Unit。本文发表于期刊《Solar Energy Materials & Solar Cells》，发布时间为1998年。研究主题是关于非晶硅（amorphous silicon, a-Si）太阳能电池降解特性及其改进技术。

研究背景与目标

在太阳能研究领域，非晶硅太阳能电池因其低成本可行性及大面积面板的潜力，被认为是一种有前景的清洁能源来源。然而，非晶硅氢化物（a-Si:H）薄膜的结构稳定性问题早在Staebler和Wronski（1977年）中被揭示：长期光照会导致非晶硅太阳能电池性能的退化，称为“Staebler-Wronski效应”。该现象主要体现为开路电压、短路电流和转换效率随时间下降，但可以通过在~200°C的暗环境下热退火恢复性能。

现有的研究尝试通过降低降解幅度或加速实验速度改进非晶硅电池的稳定性。然而，传统光致降解实验耗时且能耗高，而使用正向偏置电流的电流应力技术表现出节省时间和能量的潜力，但关于注入电流的量级及持续时间尚缺乏明确标准。为此，本文开发了一种结合电流注入与光照方法的新技术，并针对其可靠性进行了系统验证。

本研究的主要目标是： 1. 开发一种快速、准确且经济的方法，用于测试非晶硅太阳能电池的降解特性； 2. 验证结合电流注入和光照技术的适用性； 3. 探讨该方法在不同带隙的单结非晶硅电池中的推广价值。

研究方法

1. 样品制备与实验设备：

实验样品为非晶硅单结太阳能电池，其结构为玻璃/透明导电氧化层/p(a-SiC:H)/缓冲层(a-SiC:H)/本征层(i层，可为不同带隙材料)/n(a-Si:H)。样品制备采用多腔射频等离子增强化学气相沉积（rf-PECVD）技术，并在n层上通过真空蒸发方法镀铝。

2. 光降解实验：

光降解实验使用AM 1.5 G Class A太阳能模拟器（Wacom, USA）, 光强为100 mW/cm²，在27~35°C环境下进行600小时光辐照。

3. 电流应力实验与光恢复：

电流应力降解实验通过正向偏置电流注入，测试温度为25°C。实验中选择的电流等级为10x、15x、20x，其中“x”表示短路电流的倍数。电流应力作用至稳定后，对样品进行光辐照（白光强度同上述光降解实验），直至效率达到最终稳定值。

4. 数据测量与分析：

所有光伏参数（例如效率、填充因子FF、短路电流Isc、开路电压Voc）的测量通过上述太阳能模拟器完成。降解特征曲线以时间的幂次规律对效率退化速率进行分析，研究其与实验条件的依赖关系。

实验结果与讨论

1. 光降解与电流应力降解特性的对比：

图1a和1b分别展示了使用单独光降解和结合电流应力与光恢复技术的降解过程。初始效率为8%的样品，在600小时光降解后稳定在6%；而在10x电流应力下，仅需8小时样品便达到5.25%的稳定值，表现出更快的降解速率。然而，通过20小时的光恢复，该样品效率恢复至6%，与光降解实验结果一致，表明“过量降解”是可逆的。

2. 退化速率与幂次规律：

分析发现，光降解与电流应力降解均遵循时间的幂次衰减规律，分别具有指数值-1/30（光降解）和-1/17（电流降解）。较高电流应力（20x）加速了降解进程，在2小时内达到稳定状态，而10x电流应力需8小时。重要的是，光恢复速率不受电流应力水平影响，最终稳定效率相同。

3. 不同带隙非晶硅太阳能电池的适用性验证：

研究进一步拓展至高带隙a-Si:H（1.85 eV）与低带隙a-SiGe:H（1.4 eV）电池。结果表明，这种结合技术同样适用于其他a-Si基电池，最终稳定效率与传统光降解实验一致。例如，高带隙电池稳定效率高于低带隙电池约14%。

研究结论与意义

研究成功开发了一种结合电流应力与光恢复的降解技术，具有以下科学意义和应用价值：

1. 效率与可靠性： 该技术显著缩短降解测试所需时间，从数百小时缩至不到30小时，且结果准确可靠，在实验室环境中可快速获得性能反馈。
2. 经济与普适性： 方法成本低，适用于不同带隙的非晶硅电池，并具有潜力成为标准化的降解测试方法。
3. 理论贡献： 通过物理模型解释了过量降解现象与生成的亚稳态缺陷间的关系，并指出缺陷的饱和与光恢复机制紧密相关。

研究亮点

1. 提出一种创新降解技术，结合电流注入与光恢复的优势，实现快速实验。
2. 实验证明了降解恢复过程的可控性，进一步验证了Staebler-Wronski效应的理论模型。
3. 方法具有广泛适用性，可用于评估不同a-Si基太阳能电池的稳定性。

总结

本文不仅提出了传统光降解实验的经济替代方案，还为非晶硅太阳能电池的稳定性测试提供了一种标准化路径。这项研究对于非晶硅光伏材料的发展及其产业链的效率优化具有重要意义。未来该技术或可推广至更复杂的多结太阳能电池以及其他光伏材料领域，为太阳能技术的提升提供有力支持。