到目前為止，基于多晶碲化硒化鎘(CdSeTe)的太陽能電池盡管制造成本低且質(zhì)量優(yōu)越，但仍表現(xiàn)出一些關(guān)鍵的局限性。最值得注意的是，這些太陽能電池比其他成熟的光伏技術(shù)(例如晶體硅)表現(xiàn)出更高的電壓損耗，這大大損害了它們的性能和效率。

亞利桑那州立大學(xué)(ASU)、科羅拉多州立大學(xué)(CSU)、國家可再生能源實驗室(NREL)和FirstSolarInc.的研究人員最近開展了一項研究，旨在更好地了解CdSeTe太陽能電池中觀察到的電壓不足的原因.他們的論文發(fā)表在NatureEnergy上，提供了新的見解，可以幫助工程師在未來提高這些太陽能電池的性能。

ASU助理研究教授ArthurOnno告訴TechXplore：“這個項目的想法是在我們之前與CSU的合作中產(chǎn)生的。”“我們的團隊起源于硅光伏(PV)太陽能電池，他們習(xí)慣于解析損耗(包括電壓損耗)來確定限制我們電池效率的問題并指導(dǎo)它們的優(yōu)化(想想確定低懸“我們意識到CdSeTe社區(qū)沒有類似的技術(shù)來系統(tǒng)地解析電壓和效率損失，并且在嘗試優(yōu)化他們的太陽能電池時存在盲點。”

在回顧過去旨在制造CdSeTe太陽能電池的努力時，Onno和他的同事觀察到，開發(fā)這些技術(shù)的工程師通常將電壓損失與特定電池組件的故障或限制聯(lián)系起來。然而，很少有研究試圖清楚地確定觀察到的電壓損失背后的機制或量化它們的影響。

為了填補文獻中的這一空白，研究人員使用了一種光學(xué)、非破壞性和非接觸式技術(shù)，稱為外部輻射效率(ERE)測量。ERE是一個有價值的指標，它描述了太陽能電池在開路時(當沒有從中提取電流時)重新發(fā)射吸收的光的能力。因此，它量化了太陽能資源轉(zhuǎn)化為電化學(xué)勢的可逆性。

Onno和他的同事收集了在CSU開發(fā)的CdSeTe細胞的ERE測量值。有趣的是，他們發(fā)現(xiàn)限制其電壓的主要機制不是像制造CdSeTe電池的工程師長期以來假設(shè)的那樣，對電池主體內(nèi)的缺陷進行重組，而是選擇性問題。更具體地說，研究小組觀察到細胞內(nèi)不可忽略的一部分電子似乎向“錯誤”方向移動，因此在離開細胞時相互抵消了電荷。

“這一發(fā)現(xiàn)很重要，因為它有望拓寬CdSeTe社區(qū)(包括工業(yè)界)改進其設(shè)備的方法，更深入地了解為什么CdSeTe太陽能電池的電壓不高，”Onno說。“這既是一個重大問題，也是一個重大機遇：截至目前，CdSeTe在電壓損失方面落后于大多數(shù)成熟的太陽能電池技術(shù)，這是一個問題，但有最大的改進空間，這是一個機會。”

太陽能電池的結(jié)構(gòu)由夾在半透膜(稱為“觸點”)之間的吸光材料組成。這些膜的關(guān)鍵功能是確保激發(fā)的電子僅從細胞中的兩個電極中的一個離開吸收層，并且僅從另一個電極返回到細胞中。當這種情況沒有發(fā)生時(即，如果電子從“錯誤的”電極離開或進入電池)，能量就會丟失。

“在吸收器中，束縛電子在吸收光子(光粒子)時被激發(fā)成自由電子-空穴對，”Onno解釋說。“電子-空穴對最終需要回到束縛(基)態(tài)，我們不能用光無限期地將它們‘泵’到激發(fā)的自由電子-空穴對狀態(tài)，存在并且必須有一個稱為重組的互惠過程。這復(fù)合可以在吸收體中發(fā)生，在這種情況下，吸收的光子的能量會丟失，或者我們可以在電極處收集電子，使用一些電能形式的能量為負載供電，然后通過帶回電子電池另一端的另一個電極將與自由孔重新結(jié)合。”

Onno和他的同事使用的實驗方法允許他們訪問CdSeTe電池的內(nèi)部電壓。電池的內(nèi)部電壓是吸收體中電子和空穴群之間的自由能(即化學(xué)勢)差。

“如果電子和空穴通過吸收體主體或界面處的缺陷重新結(jié)合，這種內(nèi)部電壓就會降低，”Onno說。“因此，內(nèi)部電壓是衡量缺陷如何將電壓從理想熱力學(xué)極限降低的量度。另一方面，外部電壓對應(yīng)于內(nèi)部電壓減去由于半透膜不完美而導(dǎo)致的電壓損失(即，由于電子從錯誤的電極退出或從錯誤的電極返回而造成的損失)。”

當細胞的半透膜完美運行時，其內(nèi)部和外部電壓匹配。但是，如果它們發(fā)生故障，則外部電壓低于內(nèi)部電壓。

“在極端情況下，你可以想象一個對稱結(jié)構(gòu)，其中半透膜兩側(cè)相同，”Onno解釋說。“在這種情況下，對稱性表明電池兩側(cè)的電勢相同，即使內(nèi)部電壓很高，外部電壓也會為零。問題是外部電壓可以很容易地用電壓表測量，但內(nèi)部電壓更難獲取。”

這組研究人員最近工作中最顯著的成就之一是他們引入了一種簡單的方法來測量太陽能電池的內(nèi)部電壓。這使他們能夠更多地了解CdSeTe太陽能電池中電壓損失的機制。

“在我們從美國能源部獲得的150萬美元研究資助的支持下，我們首先開發(fā)了這項技術(shù)，并證明它在硅上運行良好，這是一種眾所周知的材料系統(tǒng)，我們可以輕松地在其上交叉檢查我們的結(jié)果采用最先進的技術(shù)，”Onno補充道。“然后，我們與NREL和CSU的合作者開始研究在CSU制造的CdSeTe太陽能電池，目的是比較它們的內(nèi)部和外部電壓。經(jīng)過3年的工作，制造了75個樣品，并測量了近900個太陽能電池后來，我們得出了論文中概述的結(jié)論。”

研究人員還與美國最大的太陽能組件制造商FirstSolar合作。FirstSolar向他們發(fā)送了具有不同摻雜濃度的太陽能電池樣品，他們可以用這些樣品來驗證他們的一些發(fā)現(xiàn)。

在他們的實驗中，Onno和他的同事發(fā)現(xiàn)，與CdSeTe太陽能電池的接觸不一定是完美的，正如許多研究人員所假設(shè)的那樣，因為它們通常會導(dǎo)致設(shè)備中的電壓損失。此外，他們的分析結(jié)果表明，這些電池中的大容量吸收劑非常有前景，但如果沒有出色的半透膜，其性能無法完全實現(xiàn)。

“最后，我們發(fā)現(xiàn)Se和As合金化具有有害的材料效應(yīng)，會限制可實現(xiàn)的電壓，而與其他損耗源無關(guān)，”Onno說。“了解這個問題的根源并減輕它將是進一步推動CdSeTe技術(shù)的關(guān)鍵。”

將來，Onno和他的同事使用的方法可以被其他團隊用來研究導(dǎo)致各種不同太陽能電池電壓損失的因素。此外，本研究中收集的發(fā)現(xiàn)有助于設(shè)計基于CdSeTe的更高效電池。

研究人員目前正在努力將他們開發(fā)的技術(shù)提供給全球其他研究團隊和公司，例如通過構(gòu)建可供太陽能電池制造商使用的測量技術(shù)的復(fù)制品。他們的工作最近獲得了亞利桑那州新經(jīng)濟倡議(NEI)的額外資助。

“我們現(xiàn)在計劃將我們的研究擴展到其他光伏吸收體，例如鈣鈦礦，這是目前的熱門研究課題，”Onno總結(jié)道。“我們還計劃在硅太陽能電池上使用該技術(shù)，因為與其他類似的表征技術(shù)相比，我們的技術(shù)可用于任何類型的樣品(例如，未完成的電池前體、成品設(shè)備、封裝在模塊中的電池等).例如，我們可以想象拿一個已經(jīng)在該領(lǐng)域發(fā)電20年的模塊并用我們的技術(shù)對其進行調(diào)查。

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