近日，我校材料科学与工程学院李志刚阐明团队与特拉华大学魏秉庆阐明团队谐和，在外洋闻明期刊《Advanced Materials》发表了题为“Doubling Power Conversion Efficiency of Si Solar Cells”的最新推敲恶果。
太阳能电板的光电诊疗效用(PCE)，是太阳能电板的要害方针。字据Shockley–Queisser(S-Q)表面，单节太阳能电板的PCE被摈弃在33%以内，有逾越50%的能量以热损耗的形势忽地掉，进而摈弃了电板PCE的进步。如何克服S-Q表面极限，大幅度进步太阳能电板的PCE，是学术界现在濒临的费劲之一。无数推敲通过镌汰温度扼制热损耗来进步太阳能电板的PCE，然则当温度低于150-200K时，受载流子冻析等效应影响，太阳能电板的PCE将会跟着温度的镌汰而快速着落。
该论文通过不同的单色激光和AM1.5，系统推敲了温度变化对单节单晶硅太阳能电板PCE的影响。通过对热损耗的扼制，在超低温条目下初次终了50%—60%太阳能诊疗效用，是室温诊疗效用的2.7倍，冲破了传统S-Q表面极限。此外，该推敲还发现光穿透深度不错灵验改善载流子冻结效应，并冲破性地将太阳能电板的责任温度范畴拓展到10K(-263℃) 致使更低。
图1：样品非标测试暗示图。通过扼制热损耗，n-type单节硅太阳能电板PCE初次达到了创记录的50%-60%。此外，波长相关的光穿透深度不错灵验克服载流子冻析效应，将载流子的责任温度拓展到10K。
男性人体艺术推敲恶果要点一：高能光子的温度-光电特色
单色激光不错确保光生载流子具有疏通的能量，为推敲扼制热损耗的机制提供了理思条目。因此，推敲东说念主员诓骗波长为450、520、635和980纳米的激光来评估硅太阳能电板的温度-光电特色。这些激光不错分为两类：一类是高能光子，如450、520和635nm，其DE(光子能量减去硅带隙)差别为1.64， 1.26和0.83电子伏；另一类是死板光子，如980nm其DE为0.15电子伏。高能光子以520nm为例，进行要点阐明。
图2. 520 nm光波长温度相关光电特色。(A)开路电压(VOC)和 短路电流(JSC)， (B)填充因子(FF)和PCE. (C) 室谦让50K(最大PCE温度近邻)是I-V/P-V弧线对比， (D)样品线路性测试。
从图2(A)中不错看到，跟着温度的镌汰，Voc近似线性加多，直到其迫临硅的带隙Eg， 而Jsc在50K以上，变化不大。高能光子室谦让低温下，样品的PCE收支约2.5倍（图2C），图2(D)浮现，样品的线路性特地好。
推敲恶果要点二：高能光子热损耗兴盛声学波
现实测量了520nm光照下样品的磁电阻和霍尔电阻，并用双带模子拟合了样品的载流子搬动率和浓度，见图3(A)。图3(A)中浮现，在50K以上，载流子浓度和搬动率随温度变化较为逐渐；50K以下，载流子浓度和搬动率随温度变化较为笔陡。
图3：520 nm光照下，样品的搬动率和载流子浓度随温度变化情况(A)， 载流子搬动率和温度关系(B)。
图3(B)闭幕标明，在温度50-300K范畴内，样品光照下载流子的搬动率近似正比于T-3/2，这意味着光照下硅载流子的搬动率兴盛声学波模子。字据德拜-爱因斯坦模子，载流子的声子数兴盛N=[exp(ℏϖ/kBT)-1]-1 (kB为布尔兹曼常数)。低温下，声子数N随温度镌汰，近似呈指数减小。
这将意味着，传统太阳能电板表面中，电子采纳高能光子后造成的热电子空穴对，通过开释无数声子而赶快冷却到导带底和价带顶的经由，在低温下由于冗忙弥散的声子容纳空间，而不再适用，新的太阳能表面亟需探索！
推敲恶果要点三：死板光子和AM1.5
为了与高能光子对比，死板光子和AM1.5的光电子特色也被表征，见图4。
图4. 980 nm和AM1.5温度相关的光学特色。(A) 不同光波PCE随温度变化， (B)典型的JSC随温度变化。
图4(A)浮现980nm的PCE弧线存在两个峰值，其中第一个峰值对应样品电导率最大值，第二个峰值对应低温热损耗被扼制的闭幕。AM1.5标明，当温度位于50-150K时，样品的PCE随温度镌汰而着落，与文件报说念一致。而在30K时，其PCE可达51%，约比同温度下S-Q表面极限的PCE（42.4%）高20%。
图4(B)浮现样品的JSC在接近最大PCE温度点近邻时，会赶快的增强。如980nm的JSC从50K时的4.1mAcm-2加多到10.4mAcm-2，加多了约2.5倍。高能光子也存在访佛变化，但在最大PCE温度点近邻不昭着，而是存在于一个较宽的温度范畴，见图4(B)。这种电流（或外量子效用）的反常加多，对低温下样品PCE冲破了传统S-Q表面极限，起到了要害作用。具体机理还有待于进一步完善。
推敲恶果要点四：克服低温载流子冻析效应
所谓载流子冻析效应，即低温下部分载流子会被冻析在能级上，对导电莫得孝敬，温度越低效果越显耀。该效应会导致低温下太阳能电板的PCE，由于穷乏弥散的传导载流子而赶快着落，导致电板无法责任。本现实推敲标明，该效应仅能影响杂质或颓势产生的载流子，而光电效应产生的光生载流子不受该效应的影响。
图5： 低温下载流子冻析效应。(A)光穿透深度与PCE之间关系，(B) 光生载流子浓度变化暗示图。
光生载流子的浓度与变化与光的穿透深度相关，图5(A)浮现不同光波长的穿透深度，以及光穿透深度变化对样品PCE(10K)以及最大PCE对应温度的影响。图5(B)是光生载流子的浓度变化暗示图：图中太阳能硅片从上到下可分为好多层，每一层皆会产生浓度不同的光生载流子，最底层的浓度最小。此时，太阳能电板的最大电流密度就由最底层所能容纳的最大电流密度决定。因此，推敲团队通过篡改光的穿透深度或光强，不错灵验的篡改太阳能电板的JSC， 进而调控它的PCE，使得太阳能电板不错在低温下应用。将太阳能电板责任温度拓展到极低温(10K)， 对太阳能电板在外天外或星球上的应用，提供了浩瀚的便利。
该推敲取得了国度当然科学基金名堂（No. 52371197， 51671139）和浙江省当然基金（No. LY21F050001）经费赈济。
著述畅通：
Doubling Power Conversion Efficiency of Si Solar Cells. Adv. Mater. 2024， 2405724.
https://doi.org/10.1002/adma.202405724