近日，上海微系统所微系统技术重点实验室技术中心刘正新团队在非晶硅/晶体硅(shj)太阳的掺杂非晶硅(a-si:h)薄膜中发现到反常staebler-wronski效应，并证明该反常效应是利用光注入提升shj太阳电池光电转换效率的物理本质。该成果于2022年5月13日以“light-induced activation of boron doping in hydrogenated amorphous silicon for over 25% efficiency silicon solar cells”为题发表在nature energy(https://doi.org/10.1038/s41560-022-01018-5，影响因子60.868)。
1977年，美国电气工程师大卫·l·施泰布勒(david l. staebler)和宾夕法尼亚州立大学的电气工程师、名誉教授克里斯托弗·r·朗斯基(christopher r. wronski)在实验室首次发现光照会降低a-si:h薄膜的暗电导率，这种现象后来被命名为“staebler-wronski效应”，该现象对非晶硅光电器件的可靠性造成了巨大的困扰，也影响了非晶硅薄膜太阳电池的开发利用。
非晶硅领域认为薄膜中h原子的主要存在形式是si-h共价键。2020年，刘文柱等人基于大量实验数据，发现上述结构模型并非永恒成立，结合ftir、sims、ta、sinton lifetime tester、keithley和dft等多种技术手段，证明掺杂a-si:h中存在数量密度高达1021 cm-3以上的桥键弱h原子，它们会“毒害”a-si:h网络中b、p原子的掺杂效率。当利用光照射(光注入)或者印加电场(电注入)给予大于0.88 ev的能量子时，这些弱h原子获得足够能量并在晶格中发生扩散或跳跃，进而重新激活b、p原子，b掺杂p型a-si:h薄膜的暗电导率显著上升，属于明显的“反常staebler-wronski效应”(图a)。撤去光照后，暗电导率逐渐衰减到光照前的初始值(图b)。我们发现该暗电导率的衰减行为可描述为debye衰减和williams-watts衰减的组合，前者表示h原子自由扩散，后者表示h原子在化学键之间跳跃(图c)。进一步比对太阳电池的性能参数，我们发现“反常staebler-wronski效应”可以定量描述shj太阳电池利用光注入提升光电转换效率和暗态衰减现象。借助于60倍标准太阳光的强光照射光注入工艺，在工业生产的大尺寸shj太阳电池上获得了25%以上的高转换效率(图d, e;德国、中国第三方独立认证)。
进一步研究发现，p掺杂的n型a-si:h在太阳光的照射下暗电导率可以提高100倍以上。因此，利用“反常staebler-wronski效应”，可以进一步研究提升shj太阳电池光电转换效率的物理机制和工艺技术。
该论文第一作者是刘文柱、石建华、张丽平和韩安军，通讯作者是刘文柱、刘正新，以上作者均就职于中科院上海微系统所。该研究得到了国家自然科学基金青年项目(62004208)、国家自然科学基金面上项目(62074153)和上海市科技创新行动(22zr1473200;19dz1207602)的支持。
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