清潔能源成為了未來(lái)發(fā)展的大趨勢(shì)，太陽(yáng)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(wèn)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(guò)改善將大大提高電池的使用壽命，這將為我們保護(hù)環(huán)境做出重要的貢獻(xiàn)，讓我們一起來(lái)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(lái)世界發(fā)展的大趨勢(shì)，在本世紀(jì)中葉，大規(guī)模太陽(yáng)能發(fā)電成為減緩氣候變化的重要措施。氣候科學(xué)家認(rèn)為：到2030年，全球?qū)⑿枰^(guò)10萬(wàn)億瓦（TW）的太陽(yáng)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(shí)驗(yàn)室（PVLab），團(tuán)隊(duì)正致力于探索新技術(shù)，并幫助實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。“我們的工作是通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新找到經(jīng)濟(jì)和環(huán)境可持續(xù)的方式使太陽(yáng)能發(fā)電量達(dá)到10TW以上。”機(jī)械工程和實(shí)驗(yàn)室主任的副教授TonioBuonassisi說(shuō)。

這是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。首先，他們計(jì)算到2030年實(shí)現(xiàn)10TW太陽(yáng)能發(fā)電量所需的增長(zhǎng)率，以及在沒(méi)有補(bǔ)貼幫助的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)增長(zhǎng)的最低價(jià)格，當(dāng)前的技術(shù)顯然不能完成任務(wù)。Buonassisi說(shuō)：“這需要1萬(wàn)億美元到4萬(wàn)億美元的額外債務(wù)，這只是將現(xiàn)有技術(shù)推向市場(chǎng)來(lái)完成這項(xiàng)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(jì)變量的模型，研究人員確定需要三個(gè)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(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的百分?jǐn)?shù)）增加50％，三是將新建工廠的成本減少70%。這三項(xiàng)變化需要盡快在五年內(nèi)完成，將需要近期政策來(lái)激勵(lì)部署，并大力推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新以降低成本，使政府支持可以隨著時(shí)間的推移而減少。

在效率上邁進(jìn)

在MITPVLab和世界各地，太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)取得了重大進(jìn)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(yáng)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(cè)其能被廣泛采用。

但是仍有一個(gè)問(wèn)題需要解決。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，一些包含PERC電池的模塊在太陽(yáng)光下降解，轉(zhuǎn)換效率在前三個(gè)月下降了10％。機(jī)械工程博士AshleyMorishige表示：“這些模塊被認(rèn)為可以持續(xù)25年，然而在短短幾周到幾個(gè)月內(nèi)，它們的發(fā)電量下降到原設(shè)計(jì)的90％。這種情況令人非常困惑，因?yàn)橹圃焐淘诎l(fā)布產(chǎn)品之前已經(jīng)完全測(cè)試其產(chǎn)品的效率。此外，并不是所有的模塊都會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，也并不是所有的公司都會(huì)遇到這個(gè)問(wèn)題。有趣的是，花費(fèi)了幾年時(shí)間，公司之間才相互意識(shí)到其他公司也存在同樣的問(wèn)題。制造商想出了各種方案來(lái)處理它，但其確切原因仍然未知，人們擔(dān)心它可能會(huì)在某一時(shí)刻重現(xiàn)，這可能影響下一代電池的架構(gòu)。

對(duì)于Buonassisi而言，這似乎是一個(gè)機(jī)會(huì)。他的實(shí)驗(yàn)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(shí)應(yīng)用于模塊和系統(tǒng)。通過(guò)定義問(wèn)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(dòng)力成本。

MIT團(tuán)隊(duì)與工業(yè)太陽(yáng)能電池制造商密切合作，進(jìn)行了“根本性原因分析”以探尋問(wèn)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(bào)告了一些異常的趨勢(shì)。在測(cè)試中，閉合回路內(nèi)的PERC模塊在陽(yáng)光下放置60天后，將不再擁有明顯優(yōu)于傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池的高效率；同樣的存儲(chǔ)條件，開(kāi)路中模塊的效率則會(huì)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(yáng)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(gè)不同的能級(jí)：處在價(jià)帶的電子被束縛；而處在導(dǎo)帶的電子則可以自由運(yùn)動(dòng)。當(dāng)光照射到材料上時(shí)，電子可吸收足夠的能量從價(jià)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(jià)帶之前，將在導(dǎo)帶上運(yùn)動(dòng)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(jí)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(jí)，電子和空穴躍遷到中間能級(jí)，使得電子躍遷實(shí)現(xiàn)了較少的能量增益或損耗。如果電子和空穴都移動(dòng)，會(huì)發(fā)生電子-空穴復(fù)合，此時(shí)，開(kāi)路電壓會(huì)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(shí)間來(lái)量化該行為。壽命嚴(yán)重影響太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率，它對(duì)缺陷的存在非常敏感，Buonassisi說(shuō)。

為了測(cè)量壽命，Morishige和機(jī)械工程研究生MalloryJensen領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)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(shí)監(jiān)測(cè)導(dǎo)電性。電流上升時(shí)，電子受外部能量激發(fā)躍入導(dǎo)帶；電流下降時(shí)，它們失去能量并落入價(jià)帶。隨時(shí)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(yáng)能電池的性能問(wèn)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(tuán)隊(duì)認(rèn)為缺陷最有可能存在于硅片本身。

為了驗(yàn)證這個(gè)假設(shè)，他們使用了在750℃和950℃下制造的太陽(yáng)能電池來(lái)驗(yàn)證這個(gè)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(jìn)行電子壽命的測(cè)試。低溫時(shí)，在兩種保存環(huán)境中的樣品壽命大致相同；高溫時(shí)，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(shí)了效率退化主要?dú)w因于硅中的缺陷，這些缺陷會(huì)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(cè)試中，研究人員發(fā)現(xiàn)，樣品在200℃下再加熱降解一個(gè)小時(shí)，可以使壽命恢復(fù)，但在重新暴露于光下時(shí)依然會(huì)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(gè)特點(diǎn)將有助于研究人員回答這些問(wèn)題。首先是缺陷能級(jí)處于價(jià)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(cè)量，但是研究人員可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)方程，利用不同照射強(qiáng)度和測(cè)試溫度下的壽命來(lái)推斷它們。使用在950℃下燒制后暴露于光的樣品，在不同的測(cè)試條件下進(jìn)行壽命光譜實(shí)驗(yàn)。用這些數(shù)據(jù)計(jì)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(guò)查閱文獻(xiàn)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(tuán)隊(duì)已經(jīng)極力縮小了名單范圍。“至少有一個(gè)與我們觀察到的大部分一致。”她說(shuō)。在這種情況下，在制造中會(huì)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(diǎn)。但在特殊條件下，特別是當(dāng)電子密度高時(shí)，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(bào)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?yàn)樗鼈冎械墓柰ǔ０嗟碾s質(zhì)和更少的氫，并且它們的性能各不相同，因?yàn)椴煌蔚墓璋煌瑵舛鹊奈廴疚镆约皻?。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(jī)制，研究人員為制造商提供了兩個(gè)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(jìn)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(lái)源于有效捕獲太陽(yáng)能的特殊結(jié)構(gòu)，這揭示了制造材料固有的問(wèn)題。“細(xì)胞人做了一切正確的事，”他說(shuō)，“如果問(wèn)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(guò)高，那么找到解決它的有效策略將變得尤為重要，因?yàn)橄乱淮骷O(shè)計(jì)和晶片減薄將帶來(lái)更高的電子密度。

這項(xiàng)工作需要各個(gè)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(jī)構(gòu)以及各個(gè)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(jìn)行溝通。“我們的實(shí)驗(yàn)室正在采取一系列措施，將利益相關(guān)團(tuán)體聚集在一起，共同創(chuàng)建一個(gè)新的研發(fā)平臺(tái)。期望這能使我們更快地解決技術(shù)挑戰(zhàn)，并幫助達(dá)成2030年實(shí)現(xiàn)10TW光伏的目標(biāo)。”Buonassisi如是說(shuō)。

這項(xiàng)研究由國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、美國(guó)能源部和新加坡國(guó)家研究基金會(huì)通過(guò)新加坡麻省理工學(xué)院研究和技術(shù)聯(lián)盟資助。