研究背景
硅异质结（SHJ）太阳能电池因其卓越的光电转换效率、制造步骤少和低温系数在光伏产业中备受关注。然而，这些电池在长期运行中会面临性能下降的问题，特别是紫外线（UV）暴露会加速电池的衰减。过去的研究表明，UV暴露会导致光伏封装材料的劣化，并且会对太阳能电池本身产生不利影响，主要表现为开路电压（Voc）和填充因子（FF）的下降。
研究方法
研究中采用未封装的SHJ太阳能电池，进行加速UV老化测试，以探讨性能下降的可能因素。具体方法包括：
1. 制备双面n型SHJ太阳能电池，并进行一系列标准化制备工艺。
2. 在氮气环境中进行UV暴露实验，设定UV光强为200W/m²，温度为60℃。
3. 使用高温辅助的高强度光浸泡（LS）和暗退火（DA）方法，评估UV暴露后电池的光热稳定性。
4. 通过电学性能测试、红外光谱（FTIR）测量、少子寿命测试等手段，分析各层材料在UV暴露前后的变化。
结果与讨论
UV引起的性能下降行为
- UV暴露后，SHJ太阳能电池的Voc和FF显著下降，而短路电流密度（Jsc）变化较小，综合导致效率（Eff）显著下降。
- 主要衰减表现为系列电阻（Rs）增加，表明UV暴露对表面钝化和载流子传输的负面影响。
UV暴露后的光热稳定性
- 光浸泡处理能完全恢复UV暴露后的SHJ太阳能电池性能，而暗退火处理只能部分恢复。
- UV-LS循环实验显示，UV暴露和光浸泡引起的效率变化是可逆的，但经过多次循环后，电池性能的恢复效果会逐渐减弱。
根本原因分析
- UV暴露导致SHJ太阳能电池中n-μc-SiOx:H和i-a-Si:H层的Si-H键断裂，氢含量显著下降，空隙密度增加，从而在c-Si表面引入更多缺陷，导致表面钝化劣化。
- UV暴露后自由氢原子与P原子结合形成电子非活性P-H键，破坏了n-μc-SiOx:H层的有效掺杂，进一步增加了Rs，并降低了场效应钝化效果。
研究结论
- 紫外线暴露显著降低了SHJ太阳能电池的性能，主要通过增加载流子复合损失（降低Voc和pFF）和载流子传输损失（增加Rs）。
- 高温辅助的高强度光浸泡处理能有效恢复紫外线损伤的硅氢键配置，并打破电子非活性的P-H键，恢复SHJ太阳能电池的性能。
- 对于实际光伏电站中的SHJ太阳能电池，进一步研究其在实际光照和温度条件下的性能恢复情况仍是必要的。
图文解析
图1：SHJ太阳能电池在UV暴露期间电性能的相对变化
图1(a)-(d)：这些图展示了随着UV暴露时间增加，SHJ太阳能电池的各项电性能参数逐渐下降。具体表现为：
- Eff在20 kWh/m² UV暴露后下降了2.55%。
- Voc和FF分别下降了0.48%和1.76%。
- Jsc的降幅最小，仅为0.33%。
图1(e)-(f)：图中展示了在UV暴露期间，Rs显著增加，最终增加了13%。Rsh则没有明显变化，表明Rs的增加是FF下降的主要原因。
图2：SHJ太阳能电池在不同UV剂量下的光电流-电压（J-V）特性
图2展示了随着UV剂量的增加，SHJ太阳能电池的效率显著下降，Voc和FF也随之下降。与Sinha等人报告的结果一致，表明UV暴露后，SHJ太阳能电池的表面钝化劣化，载流子复合增加，导致性能下降。
图3：UV暴露和光浸泡循环期间SHJ太阳能电池的标准化性能变化
图3展示了在UV暴露和光浸泡循环过程中，SHJ太阳能电池的电性能变化。结果表明：
- UV暴露导致的效率下降和光浸泡导致的效率恢复是可逆的。
- 多次循环后，FF逐渐下降，可能由于金属接触损伤。
图4：SHJ太阳能电池的pFF和FF变化以及UV暴露期间的pFF损失和Rs相关FF损失比例
图4(a)展示了UV暴露期间，SHJ太阳能电池的pFF和FF变化。随着UV剂量的增加，pFF和FF逐渐下降，表明载流子复合和传输损失增加。
图4(b)显示了pFF损失和Rs相关FF损失在UV暴露期间的比例变化。随着UV剂量增加，pFF损失比例下降，而Rs相关FF损失比例上升，表明UV暴露主要导致载流子传输损失增加。
图5：UV暴露前后Ag电极和ITO薄膜的电学性能变化
- 图5(a)：Ag电极的电阻率变化
- 图5(b)-(d)：ITO薄膜的电阻率、载流子浓度、载流子迁移率变化
结果显示，UV暴露对Ag电极和ITO薄膜的影响较小，主要变化集中在n-μc-SiOx:H和i-a-Si:H层。
图6：n-μc-SiOx:H层的电阻率和载流子浓度、迁移率在UV暴露期间的变化
图6(a)显示了UV暴露期间n-μc-SiOx:H层的电阻率和SHJ太阳能电池Rs的变化。电阻率和Rs在UV暴露初期显著增加，但随着暴露时间的延长，电阻率趋于稳定，而Rs继续增加。
图6(b)显示了n-μc-SiOx:H层的载流子浓度和迁移率变化。初期迁移率下降导致电阻率增加，随后载流子浓度下降，进一步增加了界面接触电阻和Rs。
图7：UV暴露期间未金属化SHJ太阳能电池的有效少子寿命（τeff）和饱和电流密度（J0）变化
图7(a)展示了不同UV剂量下，未金属化SHJ太阳能电池在载流子注入密度为1×10¹⁵ cm⁻³时的τeff和J0变化。UV暴露导致τeff显著下降，J0增加，表明表面钝化质量下降。
图7(b)显示了不同注入载流子密度下的τeff曲线。UV剂量较低时，τeff在高注入水平下降更明显，表明化学钝化受损。随着UV剂量增加，低注入水平的τeff下降，表明场效应钝化劣化。
图8：n-μc-SiOx:H和i-a-Si:H层的FTIR光谱
图8(a)-(b)显示了UV暴露前后n-μc-SiOx:H和i-a-Si:H层中Si-H伸缩模式的红外吸收带。UV暴露后，这些层的Si-H伸缩模式吸收强度下降，表明Si-H键断裂，氢含量减少，空隙密度增加。
图9：n-μc-SiOx:H层中的总氢含量和P-H键变化
图9(a)-(c)显示了UV暴露前后n-μc-SiOx:H层和i-a-Si:H层的总氢含量和LSM、HSM中的氢含量变化。UV暴露后，总氢含量显著下降，n-μc-SiOx:H层的LSM和HSM中的氢含量均减少。
图9(d)显示了UV暴露前后n-μc-SiOx:H层中P-H键的红外吸收光谱。UV暴露后，P-H键吸收峰强度增加，随后光浸泡处理使其强度下降，表明P-H键断裂，P掺杂恢复。
原文链接：Jinli Yang, Yehua Tang, Chunlan Zhou, Sinuo Chen, Shangzhi Cheng, Lichun Wang, Su Zhou, Xiaojie Jia, Wenjing Wang, Xiaohua Xu, Jihong Xiao, Wenwen Wei. "Unveiling the mechanism of ultraviolet-induced degradation in silicon heterojunction solar cells." Solar Energy Materials & Solar Cells, vol. 276, 2024, p. 113062. Available online 28 July 2024. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2024.113062.
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