Staebler–Wronski-effekt

Staebler -Wronski-effekten (SWE) hänvisar till ljusinducerade metastabila förändringar i egenskaperna hos hydrerat amorft kisel .

Defektdensiteten hos hydrerat amorft kisel (a-Si:H) ökar med ljusexponering, vilket orsakar en ökning av rekombinationsströmmen och minskar effektiviteten av omvandlingen av solljus till elektricitet .

Det upptäcktes av David L. Staebler och Christopher R. Wronski 1977. De visade att den mörka strömmen och fotokonduktiviteten hos hydrerat amorft kisel kan reduceras avsevärt genom långvarig belysning med intensivt ljus. Men vid uppvärmning av proverna till över 150 °C kan de vända effekten.

Förklaring

Några experimentella resultat

• Fotokonduktivitet och mörkkonduktivitet minskar snabbt till en början innan de stabiliseras vid ett lägre värde.
• Avbrott i belysningen har ingen effekt på den efterföljande förändringshastigheten. När provet är belyst igen kommer fotokonduktiviteten att sjunka som om det inte fanns något avbrott.

Föreslagna förklaringar

Den exakta karaktären och orsaken till Staebler-Wronski-effekten är fortfarande inte välkänd. Nanokristallint kisel lider mindre av Staebler-Wronski-effekten än amorft kisel, vilket tyder på att störningen i det amorfa kisel Si-nätverket spelar en stor roll. Andra egenskaper som skulle kunna spela en roll är vätekoncentrationen och dess komplexa bindningsmekanism, samt koncentrationen av föroreningar.

Historiskt sett har den mest gynnade modellen varit vätebindningsväxlingsmodellen. Den föreslår att ett elektron-hål-par som bildas av det infallande ljuset kan rekombinera nära en svag Si-Si-bindning, vilket frigör tillräckligt med energi för att bryta bindningen. En angränsande H-atom bildar sedan en ny bindning med en av Si-atomerna och lämnar en hängande bindning . Dessa dinglande bindningar kan fånga elektron-hålpar, vilket minskar strömmen som kan passera igenom. Nya experimentella bevis ställer dock tvivel på denna modell. På senare tid H-kollisionsmodellen att två rumsligt separerade rekombinationshändelser orsakar emission av mobilt väte från Si-H-bindningar för att bilda två dinglande bindningar, med ett metastabilt parat H-tillstånd som binder väteatomerna på en avlägsen plats.

Effekter

Effektiviteten hos en solcell av amorf kisel sjunker vanligtvis under de första sex månaderna av drift. Denna minskning kan ligga i intervallet från 10 % upp till 30 % beroende på materialkvalitet och enhetsdesign. Det mesta av denna förlust kommer i fyllningsfaktorn i cellen. Efter detta initiala fall når effekten en jämvikt och orsakar liten ytterligare nedbrytning. Jämviktsnivån skiftar med driftstemperaturen så att modulernas prestanda tenderar att återhämta sig en del under sommarmånaderna och sjunka igen under vintermånaderna. De flesta kommersiellt tillgängliga a-Si-moduler har SWE-nedbrytning i intervallet 10–15 % och leverantörer anger vanligtvis effektivitet baserat på prestanda efter att SWE-nedbrytningen har stabiliserats. I en typisk amorf kiselsolcell minskar effektiviteten med upp till 30 % under de första 6 månaderna som ett resultat av Staebler-Wronski-effekten, och fyllningsfaktorn sjunker från över 0,7 till cirka 0,6. Denna ljusinducerade nedbrytning är den stora nackdelen med amorft kisel som ett fotovoltaiskt material.

Metoder för att minska SWE

• Använder nanokristallint kisel istället för amorft kisel
• Fungerar vid högre temperatur. Detta kan åstadkommas genom att integrera PV i en fotovoltaisk termisk hybrid solfångare (PVT).
• Stapling av ett eller flera tunnare lager av amorft kisel tillsammans med andra material för att bilda en multijunction solcell . Det högre elektriska fältet som gäller i de tunnare skikten verkar minska SWE.