全球光伏新突破：SHJ电池降解高达77%可恢复，抗UV挑战有解！

光伏行业资深研究揭示：异质结（SHJ）太阳能电池紫外线（UV）诱导降解机制及可逆性

核心要点洞察

• 异质结（SHJ）太阳能电池的紫外线诱导降解（UVID）主要源于其正面（本征/n型）非晶硅层，其中氢相关效应导致载流子寿命和钝化性能的下降。
• 磷化氢（PH₃）掺杂浓度的提高虽然能增强初始钝化效果，但显著降低了电池的紫外线稳定性；在长时间的UVA暴露下，重掺杂样品表现出严重的载流子寿命损失。
• 光照处理能在一定程度上恢复紫外线诱导的性能损失，然而其恢复程度受到紫外光谱的具体影响。

在当前全球能源转型的大背景下，高效太阳能电池技术的发展成为业界关注的焦点。其中，硅异质结（SHJ）太阳能电池因其卓越的转换效率，被广泛认为是极具前景的主流技术之一。然而，对于其在长期紫外线（UV）照射下的稳定性问题，行业内一直存在深入探讨的需求。一项题为《理解SHJ太阳能电池紫外线诱导降解机制及其可逆性：氢与掺杂的作用》（"Understanding UV-Induced Degradation Mechanisms in SHJ Solar Cells and Their Reversibility: The Role of Hydrogen and Doping"）的最新研究报告指出，紫外线诱导降解（UVID）确实会导致异质结电池开路电压（Voc）和载流子寿命的显著下降。

紫外线诱导降解的深层剖析

该项研究致力于探明SHJ太阳能电池发生UVID的根本原因。研究团队在严格控制的UVA和UVB暴露条件下，对电池的透明导电氧化物（TCO）层以及氢化非晶硅层的影响进行了深入分析。为确保实验结果能够真实反映实际组件在运行中的状况，研究中充分考虑了商业玻璃和封装材料的滤光效应，并对紫外线老化测试进行了精确校准。

新媒网跨境获悉，研究结果表明，正面的TCO层在UVB暴露下确实会因其特定的吸收特性而发挥一定作用。然而，导致电池性能下降的主要因素并非TCO，而是电池正面的（本征/n型）氢化非晶硅（a-Si:H）层。这一发现为理解SHJ电池的长期可靠性提供了关键线索。

钝化损失与掺杂浓度的关联

为了量化紫外线暴露对电池表面钝化效果的影响，研究人员对少数载流子寿命进行了详尽的测量。少数载流子寿命是评估半导体材料表面和体缺陷对载流子复合影响的重要参数，其值越高，表明材料的钝化效果越好，载流子复合损失越小，从而电池性能越优。

测量结果清晰地揭示了显著的钝化损失，特别是在正面非晶硅层中磷化氢（PH₃）掺杂浓度较高的样品中。掺杂浓度，即在非晶硅材料中引入少量磷原子以调节其电导率和费米能级位置的工艺，对于电池的电学性能至关重要。研究发现，在相当于60 kWh/m²的UVA暴露下，重掺杂样品经历的载流子寿命衰减超过60%，而非本征层（未掺杂或轻掺杂的层）的降解则相对轻微。研究人员指出，载流子寿命衰减程度与掺杂浓度之间存在的这种强烈依赖关系，明确指示了SHJ器件中的UVID现象与氢原子及电活性掺杂剂之间的相互作用密切相关。

降解机制：氢与掺杂剂的相互作用

通过傅里叶变换红外光谱（Fourier-transform infrared spectroscopy, FTIR）技术，研究团队进一步揭示了UVID的微观机制。FTIR是一种通过分析材料对红外光的吸收特性来识别其化学键结构和官能团的强大工具。研究结果显示，紫外线暴露选择性地减少了高伸缩模式下的Si-Hₙ键。这类Si-Hₙ键通常与位于材料中弱结合或富含空隙区域的氢原子有关。这些键的断裂导致了移动性氢原子的释放。

被释放的移动性氢原子随后与磷掺杂剂发生相互作用，形成了电学上不活泼的P-H复合体。这意味着原本贡献于电池导电性的磷原子被氢原子“钝化”，从而失去了其电活性。这一过程的直接后果是：首先，在晶体硅（c-Si）与非晶硅（a-Si）界面处的化学钝化效果显著降低；其次，由于有效掺杂剂活性的减少，电场效应钝化也相应减弱。化学钝化是指通过在材料表面形成特定结构或引入特定原子来减少表面缺陷，从而降低载流子复合率的过程；而电场效应钝化则是通过在界面处形成内建电场来排斥少数载流子，阻止其与缺陷复合。两种钝化机制的协同作用对于SHJ电池的高效性能至关重要，而UVID则同时削弱了这两方面。

电导率测量与恢复的可行性

为了进一步验证上述机制，研究人员对掺杂非晶硅层进行了电导率测量。电导率是衡量材料导电性能的指标，与材料中自由载流子的浓度和迁移率直接相关。紫外线暴露后，这些掺杂非晶硅层的电导率急剧下降，这一结果与掺杂剂失活的假设高度吻合。

随后的光照处理（light-soaking）实验则部分恢复了材料的电导率，这表明在热能和光子能量的协同作用下，氢原子可以重新分布，被钝化的掺杂剂也能重新激活。然而，值得注意的是，这种恢复能力并非一成不变，其程度与紫外线暴露的剂量和光谱特性密切相关。这提示了实际应用中，电池所处的紫外线环境会对其性能恢复能力产生重要影响。

不同紫外光谱下的恢复差异

研究发现，光照处理在逆转UVB诱导的降解方面效果显著优于UVA诱导的降解。具体数据显示，高达77%的UVB相关iVoc损失（本征开路电压损失）可以被恢复，而在高剂量UVA暴露后，仅观察到约35%的恢复。这暗示着存在一个与光子剂量相关的阈值：一旦紫外线诱导的损伤超过这个阈值，其可逆性将逐渐降低，尤其是在长时间的高光子通量UVA暴露下。这意味着，不同波长和强度的紫外线对SHJ电池造成的损伤性质可能有所不同，且某些类型的损伤更难通过简单的光照处理来修复。

对SHJ电池设计与产业实践的启示

这项研究的发现清晰表明，SHJ太阳能电池的UVID并非仅仅由Si-H键的断裂引起，更关键的是后续氢原子的迁移及其与掺杂原子之间的相互作用。这意味着，在提高电池效率的同时，需要更加精细地管理非晶硅层中的氢键构型和掺杂剂浓度。

从工业应用的角度来看，这些研究成果强调了在SHJ器件前端选择层设计中，妥善处理氢键配置和掺杂剂浓度的重要性，同时，组件层面的UV过滤技术也不可或缺。虽然诸如纳米晶硅和氧化硅合金等新兴选择层材料在电学性能上展现出优势，但其富氢的特性可能使其在紫外线应力下暴露出类似的脆弱性。因此，在开发新一代高效SHJ电池材料时，需充分考量其长期紫外线稳定性，以确保产品的可靠性和持久性。

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本文来源：新媒网 https://nmedialink.com/posts/global-pv-shj-uv-deg-77-recovery.html