研究揭示了限制多晶碲化镉太阳能电池电压的因素

到目前为止，基于多晶碲化硒化镉(CdSeTe)的太阳能电池尽管制造成本低且质量优越，但仍表现出一些关键的局限性。最值得注意的是，这些太阳能电池比其他成熟的光伏技术(例如晶体硅)表现出更高的电压损耗，这大大损害了它们的性能和效率。

亚利桑那州立大学(ASU)、科罗拉多州立大学(CSU)、国家可再生能源实验室(NREL)和FirstSolarInc.的研究人员最近开展了一项研究，旨在更好地了解CdSeTe太阳能电池中观察到的电压不足的原因.他们的论文发表在NatureEnergy上，提供了新的见解，可以帮助工程师在未来提高这些太阳能电池的性能。

ASU助理研究教授ArthurOnno告诉TechXplore：“这个项目的想法是在我们之前与CSU的合作中产生的。”“我们的团队起源于硅光伏(PV)太阳能电池，他们习惯于解析损耗(包括电压损耗)来确定限制我们电池效率的问题并指导它们的优化(想想确定低悬“我们意识到CdSeTe社区没有类似的技术来系统地解析电压和效率损失，并且在尝试优化他们的太阳能电池时存在盲点。”

在回顾过去旨在制造CdSeTe太阳能电池的努力时，Onno和他的同事观察到，开发这些技术的工程师通常将电压损失与特定电池组件的故障或限制联系起来。然而，很少有研究试图清楚地确定观察到的电压损失背后的机制或量化它们的影响。

为了填补文献中的这一空白，研究人员使用了一种光学、非破坏性和非接触式技术，称为外部辐射效率(ERE)测量。ERE是一个有价值的指标，它描述了太阳能电池在开路时(当没有从中提取电流时)重新发射吸收的光的能力。因此，它量化了太阳能资源转化为电化学势的可逆性。

Onno和他的同事收集了在CSU开发的CdSeTe细胞的ERE测量值。有趣的是，他们发现限制其电压的主要机制不是像制造CdSeTe电池的工程师长期以来假设的那样，对电池主体内的缺陷进行重组，而是选择性问题。更具体地说，研究小组观察到细胞内不可忽略的一部分电子似乎向“错误”方向移动，因此在离开细胞时相互抵消了电荷。

“这一发现很重要，因为它有望拓宽CdSeTe社区(包括工业界)改进其设备的方法，更深入地了解为什么CdSeTe太阳能电池的电压不高，”Onno说。“这既是一个重大问题，也是一个重大机遇：截至目前，CdSeTe在电压损失方面落后于大多数成熟的太阳能电池技术，这是一个问题，但有最大的改进空间，这是一个机会。”

太阳能电池的结构由夹在半透膜(称为“触点”)之间的吸光材料组成。这些膜的关键功能是确保激发的电子仅从细胞中的两个电极中的一个离开吸收层，并且仅从另一个电极返回到细胞中。当这种情况没有发生时(即，如果电子从“错误的”电极离开或进入电池)，能量就会丢失。

“在吸收器中，束缚电子在吸收光子(光粒子)时被激发成自由电子-空穴对，”Onno解释说。“电子-空穴对最终需要回到束缚(基)态，我们不能用光无限期地将它们‘泵’到激发的自由电子-空穴对状态，存在并且必须有一个称为重组的互惠过程。这复合可以在吸收体中发生，在这种情况下，吸收的光子的能量会丢失，或者我们可以在电极处收集电子，使用一些电能形式的能量为负载供电，然后通过带回电子电池另一端的另一个电极将与自由孔重新结合。”

Onno和他的同事使用的实验方法允许他们访问CdSeTe电池的内部电压。电池的内部电压是吸收体中电子和空穴群之间的自由能(即化学势)差。

“如果电子和空穴通过吸收体主体或界面处的缺陷重新结合，这种内部电压就会降低，”Onno说。“因此，内部电压是衡量缺陷如何将电压从理想热力学极限降低的量度。另一方面，外部电压对应于内部电压减去由于半透膜不完美而导致的电压损失(即，由于电子从错误的电极退出或从错误的电极返回而造成的损失)。”

当细胞的半透膜完美运行时，其内部和外部电压匹配。但是，如果它们发生故障，则外部电压低于内部电压。

“在极端情况下，你可以想象一个对称结构，其中半透膜两侧相同，”Onno解释说。“在这种情况下，对称性表明电池两侧的电势相同，即使内部电压很高，外部电压也会为零。问题是外部电压可以很容易地用电压表测量，但内部电压更难获取。”

这组研究人员最近工作中最显着的成就之一是他们引入了一种简单的方法来测量太阳能电池的内部电压。这使他们能够更多地了解CdSeTe太阳能电池中电压损失的机制。

“在我们从美国能源部获得的150万美元研究资助的支持下，我们首先开发了这项技术，并证明它在硅上运行良好，这是一种众所周知的材料系统，我们可以轻松地在其上交叉检查我们的结果采用最先进的技术，”Onno补充道。“然后，我们与NREL和CSU的合作者开始研究在CSU制造的CdSeTe太阳能电池，目的是比较它们的内部和外部电压。经过3年的工作，制造了75个样品，并测量了近900个太阳能电池后来，我们得出了论文中概述的结论。”

研究人员还与美国最大的太阳能组件制造商FirstSolar合作。FirstSolar向他们发送了具有不同掺杂浓度的太阳能电池样品，他们可以用这些样品来验证他们的一些发现。

在他们的实验中，Onno和他的同事发现，与CdSeTe太阳能电池的接触不一定是完美的，正如许多研究人员所假设的那样，因为它们通常会导致设备中的电压损失。此外，他们的分析结果表明，这些电池中的大容量吸收剂非常有前景，但如果没有出色的半透膜，其性能无法完全实现。

“最后，我们发现Se和As合金化具有有害的材料效应，会限制可实现的电压，而与其他损耗源无关，”Onno说。“了解这个问题的根源并减轻它将是进一步推动CdSeTe技术的关键。”

将来，Onno和他的同事使用的方法可以被其他团队用来研究导致各种不同太阳能电池电压损失的因素。此外，本研究中收集的发现有助于设计基于CdSeTe的更高效电池。

研究人员目前正在努力将他们开发的技术提供给全球其他研究团队和公司，例如通过构建可供太阳能电池制造商使用的测量技术的复制品。他们的工作最近获得了亚利桑那州新经济倡议(NEI)的额外资助。

“我们现在计划将我们的研究扩展到其他光伏吸收体，例如钙钛矿，这是目前的热门研究课题，”Onno总结道。“我们还计划在硅太阳能电池上使用该技术，因为与其他类似的表征技术相比，我们的技术可用于任何类型的样品(例如，未完成的电池前体、成品设备、封装在模块中的电池等).例如，我们可以想象拿一个已经在该领域发电20年的模块并用我们的技术对其进行调查。

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