近日,，我校材料科學與工程學院李志剛教授團隊與特拉華大學魏秉慶教授團隊合作，在國際知名期刊《Advanced Materials》發(fā)表了題為“Doubling Power Conversion Efficiency of Si Solar Cells”的最新研究成果,。

太陽能電池的光電轉換效率(PCE),，是太陽能電池的關鍵指標。根據(jù)Shockley–Queisser(S-Q)理論,，單節(jié)太陽能電池的PCE被限制在33%以內,，有超過50%的能量以熱損耗的形式浪費掉，進而限制了電池PCE的提升,。如何克服S-Q理論極限,，大幅度提升太陽能電池的PCE，是學術界目前面臨的難題之一,。大量研究通過降低溫度抑制熱損耗來提升太陽能電池的PCE,，但是當溫度低于150-200K時，受載流子凍析等效應影響,，太陽能電池的PCE將會隨著溫度的降低而快速下降,。

該論文通過不同的單色激光和AM1.5，系統(tǒng)研究了溫度變化對單節(jié)單晶硅太陽能電池PCE的影響,。通過對熱損耗的抑制,，在超低溫條件下首次實現(xiàn)50%—60%太陽能轉換效率，是室溫轉換效率的2.7倍,，突破了傳統(tǒng)S-Q理論極限,。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)光穿透深度可以有效改善載流子凍結效應，并突破性地將太陽能電池的工作溫度范圍拓展到10K(-263℃) 甚至更低,。

圖1：樣品非標測試示意圖,。通過抑制熱損耗，n-type單節(jié)硅太陽能電池PCE首次達到了創(chuàng)紀錄的50%-60%,。此外,，波長相關的光穿透深度可以有效克服載流子凍析效應，將載流子的工作溫度拓展到10K,。

研究成果要點一：高能光子的溫度-光電特性

單色激光可以確保光生載流子具有相同的能量,，為研究抑制熱損耗的機制提供了理想條件。因此,，研究人員利用波長為450,、520、635和980納米的激光來評估硅太陽能電池的溫度-光電特性,。這些激光可以分為兩類：一類是高能光子,，如450、520和635nm,，其DE(光子能量減去硅帶隙)分別為1.64, 1.26和0.83電子伏,；另一類是低能光子，如980nm其DE為0.15電子伏,。高能光子以520nm為例,，進行重點說明。

圖2. 520 nm光波長溫度相關光電特性,。(A)開路電壓(V_OC)和 短路電流(J_SC), (B)填充因子(FF)和PCE. (C) 室溫和50K(最大PCE溫度附近)是I-V/P-V曲線對比, (D)樣品穩(wěn)定性測試,。

從圖2(A)中可以看到，隨著溫度的降低,Voc近似線性增加,，直到其逼近硅的帶隙Eg, 而Jsc在50K以上,，變化不大。高能光子室溫和低溫下,，樣品的PCE相差約2.5倍（圖2C）,，圖2(D)顯示，樣品的穩(wěn)定性非常好,。

研究成果要點二：高能光子熱損耗滿足聲學波

實驗測量了520nm光照下樣品的磁電阻和霍爾電阻,，并用雙帶模型擬合了樣品的載流子遷移率和濃度，見圖3(A),。圖3(A)中顯示,，在50K以上，載流子濃度和遷移率隨溫度變化較為緩慢,；50K以下,，載流子濃度和遷移率隨溫度變化較為陡峭,。

圖3：520 nm光照下，樣品的遷移率和載流子濃度隨溫度變化情況(A), 載流子遷移率和溫度關系(B),。

圖3(B)結果表明,，在溫度50-300K范圍內，樣品光照下載流子的遷移率近似正比于T^-3/2,，這意味著光照下硅載流子的遷移率滿足聲學波模型,。根據(jù)德拜-愛因斯坦模型，載流子的聲子數(shù)滿足N=[exp(??/k_BT)^-1]^-1 (k_B為布爾茲曼常數(shù)),。低溫下，聲子數(shù)N隨溫度降低,，近似呈指數(shù)減小,。

這將意味著，傳統(tǒng)太陽能電池理論中,，電子吸收高能光子后形成的熱電子空穴對,，通過釋放大量聲子而迅速冷卻到導帶底和價帶頂?shù)倪^程，在低溫下由于缺乏足夠的聲子容納空間,，而不再適用,，新的太陽能理論亟需探索！

研究成果要點三：低能光子和AM1.5

為了與高能光子對比,，低能光子和AM1.5的光電子特性也被表征,，見圖4。

圖4. 980 nm和AM1.5溫度相關的光學特性,。(A) 不同光波PCE隨溫度變化, (B)典型的J_SC隨溫度變化,。

圖4(A)顯示980nm的PCE曲線存在兩個峰值，其中第一個峰值對應樣品電導率最大值,，第二個峰值對應低溫熱損耗被抑制的結果,。AM1.5表明，當溫度位于50-150K時,，樣品的PCE隨溫度降低而下降,，與文獻報道一致。而在30K時,，其PCE可達51%,，約比同溫度下S-Q理論極限的PCE（42.4%）高20%。

圖4(B)顯示樣品的J_SC在接近最大PCE溫度點附近時,，會迅速的增強,。如980nm的J_SC從50K時的4.1mAcm^-2增加到10.4mAcm^-2，增加了約2.5倍,。高能光子也存在類似變化,，但在最大PCE溫度點附近不明顯,，而是存在于一個較寬的溫度范圍，見圖4(B),。這種電流（或外量子效率）的反常增加,，對低溫下樣品PCE突破了傳統(tǒng)S-Q理論極限，起到了關鍵作用,。具體機理還有待于進一步完善,。

研究成果要點四：克服低溫載流子凍析效應

所謂載流子凍析效應，即低溫下部分載流子會被凍析在能級上,，對導電沒有貢獻,，溫度越低效果越顯著。該效應會導致低溫下太陽能電池的PCE,，由于缺少足夠的傳導載流子而迅速下降,，導致電池無法工作。本實驗研究表明,，該效應僅能影響雜質或缺陷產生的載流子,，而光電效應產生的光生載流子不受該效應的影響。

圖5： 低溫下載流子凍析效應,。(A)光穿透深度與PCE之間關系,，(B) 光生載流子濃度變化示意圖。

光生載流子的濃度與變化與光的穿透深度有關,，圖5(A)顯示不同光波長的穿透深度,，以及光穿透深度變化對樣品PCE(10K)以及最大PCE對應溫度的影響。圖5(B)是光生載流子的濃度變化示意圖：圖中太陽能硅片從上到下可分為很多層,，每一層都會產生濃度不同的光生載流子,，最底層的濃度最小。此時,，太陽能電池的最大電流密度就由最底層所能容納的最大電流密度決定,。因此，研究團隊通過改變光的穿透深度或光強,，可以有效的改變太陽能電池的J_SC, 進而調控它的PCE,，使得太陽能電池可以在低溫下應用。將太陽能電池工作溫度拓展到極低溫(10K), 對太陽能電池在外太空或星球上的應用,，提供了巨大的便利,。

該研究得到了國家自然科學基金項目（No. 52371197, 51671139）和浙江省自然基金（No. LY21F050001）經(jīng)費支持。

文章鏈接：

Doubling Power Conversion Efficiency of Si Solar Cells. Adv. Mater. 2024, 2405724.

https://doi.org/10.1002/adma.202405724