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隱藏在光照效應背後的科學：太陽能電池是如何改變性能的？
隨著可再生能源的需求日益增加，太陽能技術不斷進步。然而，許多人可能未意識到太陽能電池在光照下性能的變化，這一現象稱為光照效應（light soaking），會影響電池的功率產出，且效應的具體影響因電池類型而異。本文將深入探討光照效應的科學基礎、商業薄膜技術的應用，以及未來新興技術的潛力。
光照效應的基礎
光照效應是指在光照後太陽能電池的功率輸出變化，依情況不同可能會增加或減少。造成這一現象的原因可以是電氣特性或結構特性。電氣效應的表現因光照、電壓和溫度而異，而結構效應則是材料結構的改變，通常會對性能產生永久性的影響。
光照效應在提高太陽能電池效率方面起著關鍵作用，但穩定性對於太陽能電池及其連接的設備至關重要。
觀察到的影響
在太陽能電池中，電流-電壓（I-V）特性曲線提供了設備的電氣特性信息。從這一關係中，我們可以得出填充因子，即效率的指標。在不少因光照而提高效率的太陽能電池中，I-V曲線的典型變形（常稱為S形或扭結形狀）在照射之前即已出現。經過光照後，短路電流密度和開路電壓將上升，從而導致填充因子增加。
光照效應的變化可以是可逆的，也就是說，電池在黑暗環境中或施加電壓後，可以恢復到低效率狀態。
商業薄膜技術
薄膜太陽能電池在多種技術中得到商業應用。主要有三種薄膜模組，包括碲化鎘（CdTe）、銅銦鎵硒（CIGS）和非晶薄膜矽（a-Si）。所有類型的薄膜技術在長時間的光照下，都會表現出性能變化。
非晶矽太陽能電池（a-Si）
a-Si電池所用的半導體材料是非晶矽。這種電池在光照下產生的效應會導致效率降低，約10-30%降幅可出現在最初的幾百小時曝光後。這一現象被稱為史塔布勒-羅朗斯基效應（SWE），其根本原因在於弱的Si-Si鍵發生斷裂。儘管如此，該效應的微觀機制尚未完全明確。
CIS/CIGS太陽能電池
銅銦硒（CIS）和銅銦鎵（CIGS）在這些模組中表現出不錯的效應。經過光照後，這類電池可提高約5%的效率。光照優化後電池的恢復時間在3-16小時不等，主要的機制與硒化銅的缺陷以及能級的變化有關。
CdTe太陽能電池
在CdTe電池中，性能變化取決於設備結構和層次組成。實驗表明，某些CdTe模組效率增加約6-8%，而有些則下降7-15%。這主要與導通層中的銅元素有關，銅的擴散速率在高溫下顯著增加。
新興薄膜技術
有幾種有前途的新型太陽能電池，包括有機太陽能電池、鈣鈉鈣鈦礦太陽能電池及染料敏化太陽能電池。這些技術都是相對較新的，光照效應的起源尚不完全清晰。
有機太陽能電池
有機太陽能電池在光照下的功率輸出增強，I-V曲線中的扭結形狀會隨著照射消失。這一現象是由於表面陷阱狀態的填充導致能量障礙減小，使得電子能夠更順利地進入電極。
鈣鈦礦太陽能電池
在鈣鈦礦太陽能電池中，光照後可觀察到多種影響。這些效應既可以是可逆的，也可以是永久的，膜的顆粒大小與形態對性能變化有重要影響。正向變化與氧空位的增加以及提高的導電性有關。
染料敏化太陽能電池
這些電池在經過20-30分鐘的光照後，其性能會有所提升，主要表現為開路電壓保持基本穩定，但電流增加。這一効果與因光照引起的激發狀態可快速生成自由電子有關。
光照效應的多樣性與複雜性反映出太陽能電池在未來仍有很大的研究空間。科学社群能夠如何在這個領域中推進以改善能源效率，將決定我們對可再生能源的依賴程度有多深？
