近日，我校材料科学与工程学院李志刚阐发注解团队与特拉华大学魏秉庆阐发注解团队互助，在海外著名期刊《Advanced Materials》发表了题为“Doubling Power Conversion Efficiency of Si Solar Cells”的最新扣问服从。
太阳能电板的光电调度服从(PCE)，是太阳能电板的关键见地。字据Shockley–Queisser(S-Q)表面，单节太阳能电板的PCE被收尾在33%以内，有跳动50%的能量以热损耗的表情虚耗掉，进而收尾了电板PCE的种植。若何克服S-Q表面极限，大幅度种植太阳能电板的PCE，是学术界当今濒临的难题之一。无数扣问通过缩短温度抑止热损耗来种植太阳能电板的PCE，可是当温度低于150-200K时，受载流子冻析等效应影响，太阳能电板的PCE将会跟着温度的缩短而快速下跌。
该论文通过不同的单色激光和AM1.5，系统扣问了温度变化对单节单晶硅太阳能电板PCE的影响。通过对热损耗的抑止，在超低温条款下初度已毕50%—60%太阳能调度服从，是室温调度服从的2.7倍，大肆了传统S-Q表面极限。此外，该扣问还发现光穿透深度不错有用改善载流子冻结效应，并大肆性地将太阳能电板的使命温度边界拓展到10K(-263℃) 致使更低。
图1：样品非标测试暗示图。通过抑止热损耗，n-type单节硅太阳能电板PCE初度达到了创记载的50%-60%。此外，波长联系的光穿透深度不错有用克服载流子冻析效应，将载流子的使命温度拓展到10K。
扣问服从要点一：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导的能量，为扣问抑止热损耗的机制提供了理念念条款。因此，扣问东说念主员行使波长为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)区别为1.64， 1.26和0.83电子伏；另一类是拙劣光子，如980nm其DE为0.15电子伏。高能光子以520nm为例，进行要点阐发。
图2. 520 nm光波长温度联系光电特色。(A)开路电压(VOC)和 短路电流(JSC)， (B)填充因子(FF)和PCE. (C) 室慈爱50K(最大PCE温度近邻)是I-V/P-V弧线对比， (D)样品剖判性测试。
从图2(A)中不错看到，跟着温度的缩短，Voc近似线性增多，直到其靠近硅的带隙Eg， 而Jsc在50K以上，变化不大。高能光子室慈爱低温下，样品的PCE进出约2.5倍（图2C），图2(D)显现，样品的剖判秉性外好。
扣问服从要点二：高能光子热损耗高傲声学波
本质测量了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)中显现，在50K以上，载流子浓度和搬动率随温度变化较为渐渐；50K以下，载流子浓度和搬动率随温度变化较为笔陡。
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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)收尾标明，在温度50-300K边界内，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高傲声学波模子。字据德拜-爱因斯坦模子，载流子的声子数高傲N=[exp(ℏϖ/kBT)-1]-1 (kB为布尔兹曼常数)。低温下，声子数N随温度缩短，近似呈指数减小。
这将意味着，传统太阳能电板表面中，电子接管高能光子后酿成的热电子空穴对，通过开释无数声子而马上冷却到导带底和价带顶的历程，在低温下由于勤勉满盈的声子容纳空间，而不再适用，新的太阳能表面亟需探索！
扣问服从要点三：拙劣光子和AM1.5
为了与高能光子对比，拙劣光子和AM1.5的光电子特色也被表征，见图4。
图4. 980 nm和AM1.5温度联系的光学特色。(A) 不同光波PCE随温度变化， (B)典型的JSC随温度变化。
图4(A)显现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抑止的收尾。AM1.5标明，当温度位于50-150K时，样品的PCE随温度缩短而下跌，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)显现样品的JSC在接近最大PCE温度点近邻时，会马上的增强。如980nm的JSC从50K时的4.1mAcm-2增多到10.4mAcm-2，增多了约2.5倍。高能光子也存在不异变化，但在最大PCE温度点近邻不彰着，而是存在于一个较宽的温度边界，见图4(B)。这种电流（或外量子服从）的反常增多，对低温下样品PCE大肆了传统S-Q表面极限，起到了关键作用。具体机理还有待于进一步完善。
扣问服从要点四：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，对导电莫得孝顺，温度越低效果越权贵。该效应会导致低温下太阳能电板的PCE，由于枯竭满盈的传导载流子而马上下跌，导致电板无法使命。本本质扣问标明，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关联，图5(A)显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许多层，每一层齐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，扣问团队通过更正光的穿透深度或光强，不错有用的更正太阳能电板的JSC， 进而调控它的PCE，使得太阳能电板不错在低温下应用。将太阳能电板使命温度拓展到极低温(10K)， 对太阳能电板在外天际或星球上的应用，提供了弘远的便利。
著述聚集：
Doubling Power Conversion Efficiency of Si Solar Cells. Adv. Mater. 2024， 2405724.
https://doi.org/10.1002/adma.202405724