1. 研究背景
本文聚焦于硅异质结（SHJ）太阳能电池的光照浸泡（light soaking, LS）效应，并探讨其在提高光伏效率方面的潜力。SHJ太阳能电池具有较高的功率转换效率（PCE）、较高的开路电压（VOC）以及较低的温度系数等优势。文章提到，Staebler-Wronski效应（SWE）在氢化非晶硅（a-Si:H）中首次被提出，并解释了光照浸泡对电池性能的影响。光照浸泡可通过激发氢原子的运动改善掺杂效率，从而提高SHJ电池的性能。然而，光照浸泡也可能导致非晶硅薄膜的退化，尤其是在长时间的光照下。因此，文章的研究目的是探索光照浸泡条件（如辐照强度、温度和持续时间）对SHJ太阳能电池性能的影响，并提出热辅助光照浸泡的必要性。
2. 研究思路
该研究综合考虑了辐照强度、温度和时间持续性对光照浸泡效应的影响。研究者提出，热辅助光照浸泡不仅能提供更多的声子辅助氢原子的运动，还能减少非晶硅薄膜的无序结构和缺陷密度。具体来说：
- 辐照强度
较高的辐照强度能促进氢原子的扩散和迁移，激活更有效的掺硼（B）/磷（P）掺杂。 - 温度
增加温度能提供更多的声子，帮助氢原子在硅薄膜中的运动和扩散。 - 时间持续性
短时间的光照浸泡能有效提高SHJ电池的性能，但长时间的光照浸泡可能会导致电池性能下降。
通过这些实验，研究者希望找到一种最佳的光照浸泡条件，从而有效提高SHJ太阳能电池的功率转换效率。
3. 结果与讨论
3.1 辐照强度对光照浸泡改善的影响
实验表明，在不同辐照强度下，SHJ电池的功率转换效率（PCE）表现出了明显的改善。辐照强度为2000 W/m²时，电池性能略有提升，而随着辐照强度增加至7000 W/m²时，PCE的改善达到了饱和状态。在辐照强度达到7000 W/m²时，PCE的提高为0.27%abs，并且填充因子（FF）提高了0.76%abs。这些变化主要归因于光照浸泡促使更多的氢原子迁移并激活有效的掺杂，从而改善了场效应和电导性。
3.2 环境温度对光照浸泡改善的影响
在不同温度下进行光照浸泡实验时，作者发现温度对PCE的提升有显著影响。随着温度从25°C增加到135°C，PCE的提高从0.193%abs增加到0.328%abs。然而，当温度进一步提高时，PCE的增益开始下降，如在165°C时，PCE增益为0.257%abs。研究表明，温度的提高有助于为光照浸泡过程提供更多的声子，从而激活氢原子在薄膜中的运动，促进掺杂效率的提升。
3.3 时间持续性对光照浸泡改善的影响
在考虑时间持续性时，研究表明，在7000 W/m²的辐照强度下，光照浸泡的最佳时间为60秒。在超过60秒后，PCE和FF的增益开始逐渐下降。这表明，短时间的热辅助光照浸泡可以有效地提高PCE，而过长时间的光照浸泡则可能导致性能的下降。
3.4 温度对SHJ太阳能电池的影响
实验中还发现，光照浸泡过程中，随着辐照强度的增加，SHJ电池的温度也有所上升。在20000 W/m²的高辐照强度下，电池温度升高至200°C，超过了电极烧结的温度。温度的增加使得薄膜的氢原子发生迁移，从而影响电池的性能。尽管如此，低温下的光照浸泡仍能有效提高PCE，说明异常的SWE在165°C以下仍占主导地位。
3.5 掺杂层的微观结构变化
通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，作者研究了光照浸泡过程对掺杂a-Si:H薄膜内氢键合配置的影响。实验结果表明，随着温度的升高，薄膜中的弱键合氢浓度减少，薄膜的微观结构趋于更有序，这有助于提高电导性。然而，过高的温度或持续的加热会导致典型的Si-H键断裂，从而降低化学钝化效果，并增加缺陷密度，最终导致电池性能下降。
3.6 a-Si:H材料的性能
作者还研究了掺杂a-Si:H薄膜的暗导电性（σdark）。实验显示，经过热辅助光照浸泡后，n型a-Si:H薄膜的σdark显著提高，从5.18 × 10⁻⁴ S/cm增加到2.27 × 10⁻³ S/cm，而p型a-Si:H薄膜的σdark也有所提高。这表明热辅助光照浸泡显著改善了掺杂a-Si:H薄膜的电学性能，并增强了场效应。
4. 图文解析
图1：SHJ太阳能电池结构示意图与实际照片
图1展示了SHJ太阳能电池的结构和实际照片。结构图显示了该电池的层次结构，包括N型单晶硅（n-c-Si）基片、氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜层以及其他材料如ITO层等。
图2：不同辐照强度下的电流-电压（IV）参数
图2展示了SHJ太阳能电池在不同辐照强度下，光照浸泡（LS）前后，功率转换效率（PCE）、填充因子（FF）、短路电流（ISC）和开路电压（VOC）的变化。
实验在不同辐照强度下（如2000 W/m²、7000 W/m²等）进行了LS，图中展示了LS过程对这些参数的改善效果。
PCE和FF的提升主要归因于VOC的增加和系列电阻（Rs）的减少，而ISC几乎没有变化。这表明光照浸泡主要通过改善界面钝化效应和减少漏电流来增强电池性能。
图中显示，当辐照强度达到7000 W/m²时，PCE的提升达到饱和，表明光照浸泡的效应在达到一定强度后趋于稳定。
图3：不同温度下光照浸泡对PCE的影响
图3展示了在不同温度下，SHJ太阳能电池的PCE提升（ΔPCE）。随着温度的升高，PCE提升逐渐增大，但当温度超过135°C后，PCE的增益开始减少。
图中具体展示了从25°C到165°C的不同温度下，光照浸泡对PCE的提升效果。
该图表明，温度对光照浸泡效果有显著影响。随着温度的升高，光照浸泡提供更多的声子（phonons），促进了氢原子的扩散和迁移，从而改善了掺杂效率和界面钝化。
然而，当温度过高时，PCE增益减少，这可能是因为高温破坏了氢硅键（Si-H），导致化学钝化效果下降。
图4：光照浸泡持续时间对PCE和FF的影响
图4展示了在7000 W/m²的辐照强度下，光照浸泡的持续时间对PCE和FF的影响。随着时间的增加，PCE和FF的增益逐渐减小。
60秒时，PCE和FF的增益达到饱和，而持续时间超过60秒后，增益逐渐下降。
该图表明，短时间光照浸泡能够有效提升PCE和FF，而过长时间的光照浸泡则可能导致电池性能的下降。
这也表明，光照浸泡的时间是影响其效果的重要因素，找到最佳的光照浸泡时间对于提高电池效率至关重要。
图5：SHJ电池在光照浸泡过程中的温度变化
图5展示了不同辐照强度下，SHJ太阳能电池的温度变化。图中显示了在不同辐照强度（2000 W/m²、7000 W/m²和20000 W/m²）下，电池表面温度的变化。
另外，图中还展示了不同环境温度下，光照浸泡对电池温度的影响。
该图表明，在高辐照强度下，电池温度显著升高，甚至超过了电极烧结的温度（200°C）。这表明光照浸泡过程不仅依赖于辐照强度，还与电池本身的热管理密切相关。
温度的升高可能会影响材料的性能，因此控制温度是确保光照浸泡效果的关键因素。
图6：FTIR光谱分析掺杂层的变化
图6展示了掺杂的n型和p型a-Si:H薄膜在不同实验温度下的FTIR吸收光谱。重点关注的是640 cm⁻¹的吸收峰，这一峰代表了氢化硅薄膜中的Si-H弯曲键合模式。
还展示了Si-H伸展模式（位于1980-2030 cm⁻¹），这些信息有助于了解光照浸泡过程中的微观结构变化。
FTIR结果显示，随着温度的升高，n型和p型薄膜中氢的浓度有所变化，尤其是n型样品的氢浓度下降更多，这与薄膜的无序程度减少和氢原子重新分布有关。
这些微观结构的变化有助于解释光照浸泡过程如何通过改变薄膜的氢键配置，改善SHJ太阳能电池的电学性能。
图7：a-Si:H薄膜的暗电导性（σdark）变化
图7展示了n型和p型a-Si:H薄膜在光照浸泡（L-S）和热辅助光照浸泡（TALS）前后的暗电导性（σdark）变化。
实验结果表明，TALS相比L-S更有效地提高了电导性，特别是在n型a-Si:H薄膜中，电导性得到了显著增强。
暗电导性（σdark）的提升反映了掺杂a-Si:H薄膜电学性能的增强。TALS通过提供额外的声子帮助氢原子运动，从而激活更高效的掺杂，提高了薄膜的电导性。
