报告：基于光照诱导性能提升的硅异质结太阳能电池研究
本文报告的研究由Eiji Kobayashi、Stefaan De Wolf、Jacques Levrat、Gabriel Christmann、Antoine Descoeudres、Sylvain Nicolay、Matthieu Despeisse、Yoshimi Watabe 和 Christophe Ballif等人完成，发表于2016年10月11日的《Applied Physics Letters》期刊，题为《Light-induced performance increase of silicon heterojunction solar cells》（硅异质结太阳能电池的光照诱导性能提升）。本研究探讨了光照处理（light soaking，简称LS）和电流注入对硅异质结（SHJ）太阳能电池性能的影响，尤其是在光照下性能的提升。
硅异质结（SHJ）太阳能电池是目前高效率太阳能电池的前沿技术之一。其采用氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜作为钝化接触材料，用以提高硅片表面的电学性能，减少载流子的复合。然而，传统的氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜在长期光照下通常会出现光照诱导退化（LID）现象，这种退化通常由深能级缺陷的产生所引起，被称为Staebler-Wronski效应（SWE）。因此，硅异质结太阳能电池在实际应用中能否稳定性表现至关重要，尤其是在长时间光照和工作环境下的表现。
本研究的目的是探索和验证在硅异质结太阳能电池中，通过光照诱导的性能提升现象，特别是如何通过光照处理和电流注入改善电池的开路电压（Voc）和填充因子（FF），进而提升转换效率。
该研究的研究对象为使用行业标准工艺生产的硅异质结太阳能电池。研究采用了行业相关的n型Czochralski（CZ）硅（100）晶圆作为吸收层，厚度为180μm，并通过化学湿法清洗和氢氟酸处理来制备。通过PECVD（等离子体增强化学气相沉积）技术，依次在硅片两面沉积氢化非晶硅薄膜，包括掺杂层（p型和n型）以及本征（i型）氢化非晶硅薄层。研究还涵盖了包括不同层结构的样本（如i/i，i-p/i-p，i-n/i-n等）进行对比实验。最终，使用ITO（氧化铟锡）薄膜作为前电极，银反射器作为背电极，进行屏幕印刷和后固化工艺。
研究首先将经过不同工艺处理的太阳能电池暴露于1-sun光照条件下（约100mW/cm²），并在开放电路条件下进行光照处理。通过测量这些电池的开路电压（Voc）和填充因子（FF）的变化，研究人员发现，经过光照处理后，电池的转换效率（η）明显提升，约提升了0.3%的绝对值。实验中，随着光照时间的延长，性能增益趋于饱和，并且不同的温度条件下（25°C至75°C），这种性能提升现象同样存在。
研究进一步探讨了电流注入对硅异质结太阳能电池性能的影响。在没有光照的条件下，施加一定的前向电压偏置（例如，2.8V的偏置电压），发现电池的性能同样得到了提升。实验结果表明，电流注入通过载流子的复合过程，在接触界面处改善了表面钝化，从而提升了电池的开路电压和填充因子，进一步提升了电池的转换效率。
接着，研究团队深入分析了不同氢化非晶硅（a-Si:H）层结构对接触界面钝化的影响。研究发现，采用掺杂层的氢化非晶硅/晶硅结构（如i-p/i-n结构）在光照处理后，其表面钝化效果显著改善，电池的有效载流子寿命（seff）增加，达到了初始状态的40%至60%之间的提升。
通过比较有无ITO层的样品，排除了a-Si:H/ITO界面对性能提升的显著贡献，进一步证明了a-Si:H/c-Si界面在光照处理下的显著变化。这一现象的原因被认为与界面复合活跃态的密度降低有关。
为理解光照诱导效应的时效性，研究团队提出了一个动力学模型，详细描述了有效载流子寿命（seff）随光照时间变化的动力学过程。基于实验数据，研究人员发现，a-Si:H/c-Si界面上的有效载流子寿命变化符合特定的功率法则（power law），并且在掺杂层的存在下，界面缺陷态的密度（ns）显著减少。
研究表明，硅异质结太阳能电池在光照和电流注入的作用下，可以实现性能的显著提升。这一现象的关键在于，通过光照诱导的载流子复合作用，降低了界面处的复合活跃态密度，从而提高了电池的表面钝化效果，进而提升了开路电压和填充因子。通过一系列的实验和数据拟合，研究团队建立了针对a-Si:H/c-Si界面复合的模型，并成功解释了光照诱导性能提升的机制。
本研究的一个重要结论是，硅异质结太阳能电池可以通过光照诱导和电流注入两种方式提升性能，并且这一提升是由于界面复合态密度的降低。该研究为进一步理解硅异质结太阳能电池的长期稳定性和性能优化提供了重要的理论依据，也为实际工业化应用提供了积极的前景。研究结果表明，光照处理后的硅异质结太阳能电池不仅具有较高的效率，还能够在长时间光照条件下保持良好的稳定性，这对于大规模生产和应用具有重要的意义。
本研究的另一重要意义在于，其采用的硅异质结太阳能电池制备工艺符合工业化生产标准，研究结果对提高工业生产中太阳能电池模块的效率具有直接的应用价值。研究人员预计，这一性能提升将在生产线中为太阳能电池模块带来约0.3%的绝对效率增益，从而为企业带来显著的经济效益。
光照诱导性能提升：本研究首次明确提出硅异质结太阳能电池在光照处理下可以实现性能提升，与传统的光照诱导退化现象截然不同。
电流注入与光照效应结合：通过电流注入和光照的联合实验，揭示了电池性能提升的原因，拓宽了对硅异质结太阳能电池性能优化的认识。
界面钝化与缺陷态密度的关系：研究通过精细的实验设计和数据分析，明确了界面缺陷态密度在性能提升中的关键作用，为界面钝化机制的理解提供了新的视角。
工业应用价值：该研究对硅异质结太阳能电池的工业化生产具有重要的应用价值，预计能够提升光伏模块的整体效率，带来较大的市场收益。
未来的研究可以继续深入探讨不同类型掺杂的氢化非晶硅层对硅异质结太阳能电池性能的影响，并进一步优化光照诱导效应和电流注入效应的组合策略。同时，探索不同环境条件下（如温度、湿度、气氛等）对电池性能的影响，将为太阳能电池的稳定性和应用提供更全面的数据支持。