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隐藏在光照效应背后的科学：太阳能电池是如何改变性能的？
随着可再生能源的需求日益增加，太阳能技术不断进步。然而，许多人可能未意识到太阳能电池在光照下性能的变化，这一现象称为光照效应（light soaking），会影响电池的功率产出，且效应的具体影响因电池类型而异。本文将深入探讨光照效应的科学基础、商业薄膜技术的应用，以及未来新兴技术的潜力。
光照效应的基础
光照效应是指在光照后太阳能电池的功率输出变化，依情况不同可能会增加或减少。造成这一现象的原因可以是电气特性或结构特性。电气效应的表现因光照、电压和温度而异，而结构效应则是材料结构的改变，通常会对性能产生永久性的影响。
光照效应在提高太阳能电池效率方面起着关键作用，但稳定性对于太阳能电池及其连接的设备至关重要。
观察到的影响
在太阳能电池中，电流-电压（I-V）特性曲线提供了设备的电气特性信息。从这一关系中，我们可以得出填充因子，即效率的指标。在不少因光照而提高效率的太阳能电池中，I-V曲线的典型变形（常称为S形或扭结形状）在照射之前即已出现。经过光照后，短路电流密度和开路电压将上升，从而导致填充因子增加。
光照效应的变化可以是可逆的，也就是说，电池在黑暗环境中或施加电压后，可以恢复到低效率状态。
商业薄膜技术
薄膜太阳能电池在多种技术中得到商业应用。主要有三种薄膜模组，包括碲化镉（CdTe）、铜铟镓硒（CIGS）和非晶薄膜矽（a-Si）。所有类型的薄膜技术在长时间的光照下，都会表现出性能变化。
非晶矽太阳能电池（a-Si）
a-Si电池所用的半导体材料是非晶矽。这种电池在光照下产生的效应会导致效率降低，约10-30%降幅可出现在最初的几百小时曝光后。这一现象被称为史塔布勒-罗朗斯基效应（SWE），其根本原因在于弱的Si-Si键发生断裂。尽管如此，该效应的微观机制尚未完全明确。
CIS/CIGS太阳能电池
铜铟硒（CIS）和铜铟镓（CIGS）在这些模组中表现出不错的效应。经过光照后，这类电池可提高约5%的效率。光照优化后电池的恢复时间在3-16小时不等，主要的机制与硒化铜的缺陷以及能级的变化有关。
CdTe太阳能电池
在CdTe电池中，性能变化取决于设备结构和层次组成。实验表明，某些CdTe模组效率增加约6-8%，而有些则下降7-15%。这主要与导通层中的铜元素有关，铜的扩散速率在高温下显著增加。
新兴薄膜技术
有几种有前途的新型太阳能电池，包括有机太阳能电池、钙钠钙钛矿太阳能电池及染料敏化太阳能电池。这些技术都是相对较新的，光照效应的起源尚不完全清晰。
有机太阳能电池
有机太阳能电池在光照下的功率输出增强，I-V曲线中的扭结形状会随着照射消失。这一现象是由于表面陷阱状态的填充导致能量障碍减小，使得电子能够更顺利地进入电极。
钙钛矿太阳能电池
在钙钛矿太阳能电池中，光照后可观察到多种影响。这些效应既可以是可逆的，也可以是永久的，膜的颗粒大小与形态对性能变化有重要影响。正向变化与氧空位的增加以及提高的导电性有关。
染料敏化太阳能电池
这些电池在经过20-30分钟的光照后，其性能会有所提升，主要表现为开路电压保持基本稳定，但电流增加。这一效果与因光照引起的激发状态可快速生成自由电子有关。
总结而言，光照效应的多样性与复杂性反映出太阳能电池在未来仍有很大的研究空间。科学社群能够如何在这个领域中推进以改善能源效率，将决定我们对可再生能源的依赖程度有多深？
