太陽能電池缺陷之謎終于揭開，曼徹斯特大學(xué)科學(xué)家在世界各地進行了40年的研究后，終于解決了太陽能電池板的一個關(guān)鍵缺陷。由于太陽能電池板的相對成本和消費者的可用性，它是最可用的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)之一。

然而，大多數(shù)太陽能電池只能達到20%的效率——每千瓦的等效陽光，大約可以產(chǎn)生200W的電能。目前，一個國際研究小組已經(jīng)解決了限制和降低太陽能電池效率的材料缺陷這一關(guān)鍵基本問題。

這個問題已經(jīng)被人們所知和研究了40多年，有270多篇研究論文認為這個問題沒有解決方案。這項新研究首次發(fā)現(xiàn)了一種此前未知的材料缺陷，這種缺陷限制了硅太陽能電池的效率。協(xié)調(diào)這項研究的托尼?皮克爾教授表示：由于環(huán)境和財政影響，太陽能電池板的‘效率下降’在過去40年里一直是科學(xué)界和工程界非常感興趣的話題。然而，盡管業(yè)內(nèi)一些最優(yōu)秀的人才在努力解決這個問題。

但直到現(xiàn)在，這個問題一直頑固地拒絕得到解決。在安裝后的最初幾個小時里，太陽能電池板的效率從20%下降到18%左右。百分之二的絕對效率下降似乎不是什么大問題，但是當(dāng)你考慮到這些太陽能電池板現(xiàn)在在全球能源需求中所占的比例呈指數(shù)級增長時，這是發(fā)電能力的重大損失。全球太陽能裝機容量10億千瓦缺口所造成的能源成本，相當(dāng)于英國15座核電站總產(chǎn)能的總和。

因此，太陽能的短缺必須由其他可持續(xù)性較差的能源來填補，例如燃燒化石燃料。研究人員采用的多學(xué)科實驗和理論方法確定了光誘導(dǎo)降解(LID)機制。該團隊結(jié)合了一種被稱為“深層瞬態(tài)光譜學(xué)”(deep-level transient, DLTS)的特殊光電技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了一種材料缺陷的存在，這種缺陷最初潛伏在用于制造電池的硅材料中。硅太陽能電池內(nèi)部的電荷在陽光下被轉(zhuǎn)化，這是其能量產(chǎn)生過程的一部分。

研究小組發(fā)現(xiàn)，這種轉(zhuǎn)變涉及一個非常有效的“陷阱”，可以阻止光產(chǎn)生的載流子(電子)流動。Iain Crowe博士說：這種電子的流動決定了太陽能電池向電路傳輸電流大小，任何阻礙它的東西都會有效地降低太陽能電池效率，以及在給定的陽光水平下可以產(chǎn)生的電量，現(xiàn)在我們已經(jīng)證明了缺陷的存在，現(xiàn)在需要的是工程修復(fù)。

用于確定硅材料質(zhì)量的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)測量了載流子壽命，高質(zhì)量材料的載流子壽命更長，“陷阱”更少。曼徹斯特大學(xué)Matthew Halsall教授領(lǐng)導(dǎo)的研究人員發(fā)現(xiàn)，觀察結(jié)果與電荷載體壽命有很強的相關(guān)性，在光照下缺陷轉(zhuǎn)化后，電荷載體的壽命顯著降低。這種效果是可逆的，當(dāng)材料在黑暗中加熱時，壽命再次增加，這是一種通常用來消除“陷阱”的過程。其研究成果發(fā)表在《應(yīng)用物理學(xué)》上。

博科園｜研究/來自：曼徹斯特大學(xué)

參考期刊《Journal of Applied Physics》

DOI: 10.1063/1.5091759

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