Nature Energy：26.0%！晶硅電池迎來終極結構設計！

第一作者：Armin Richter

通訊作者：Armin Richter

通訊單位：德國弗勞恩霍夫太陽能系統研究所

晶體硅太陽能電池占據了光伏產業的主導地位。盡管指狀交叉背接觸(IBC)硅電池具有最高的效率，但雙側接觸式（FBC）電池因更低的復雜性，成為工業生產的首選。德國弗勞恩霍夫太陽能系統研究所Armin Richter發現了省去用于提供橫向載流子傳輸的前接觸層是雙側接觸式電池優異光電性能的關鍵，獲得了26.0%的效率。與工業化標準電池的前側p-n結相反，該電池在背表面以全域多晶硅鈍化接觸的形式產生了p-n結。詳細的功率損失分析表明，該電池平衡了電子和空穴的輸運損失以及普通的傳輸和重組損失。系統的模擬研究得出了未來超過26%效率硅太陽能電池的一些基本設計原則，并論證了這種背結式太陽能電池的潛力和優越性。

不同類型電池的性能

在過去，通過不同的電池設計（圖1和2）已經實現了非常高的硅太陽能電池性能，這些電池可分為前結(FJ)或后結(BJ)的FBC電池和電極均在背面的IBC電池。

圖1 幾種硅太陽能電池的效率發展

在20世紀90年代，PERL電池實現了很大的效率提升，最高值達25%，在這種p型c-Si FJFBC電池中，非常小的局部接觸電極由高質量的介電表面鈍化（圖2a）。盡管PERL電池具有出色的光學性能，但高的電學性能受到局部金屬電極的復合限制，這是因為重摻雜會造成較差的鈍化效果。

a-Si:H的硅異質結（SHJ）技術在正面和背面均具有全面積鈍化接觸，可防止金屬電極處的局部復合損耗（圖2b）。該技術獲得了25.1％的FBC電池和26.7％的IBC電池（圖2c）。SHJ電池具有非常高的電學性能（圖1e）。然而，由于前表面上的全域a-Si:H層和橫向電流傳輸所需的頂部的透明導電氧化物存在，FBC SHJ電池的光學性能很大程度上受到寄生吸收損失的限制。

如果將全域多晶硅鈍化接觸應用于前表面，也會造成類似的光學損耗。為了從全域鈍化接觸和透明的介電表面鈍化中受益，作者開發了n型c-Si太陽能電池，其前表面具有硼擴散發射極，背面具有全域TOPCon （圖2d）。TOPCon是摻雜多晶Si覆蓋的超薄SiOx層，它具有高溫耐受性，與標準絲網印刷金屬化所需的摻雜擴散或燒制等工藝兼容。這些FJ電池效率高達25.8％，具有高的光學性能，但仍低于SHJ電池的電學性能，因為前側發射極需要平衡復合和電流傳輸損失。

圖2：不同硅太陽能電池的截面示意圖

TOPCon BJ太陽能電池

為了在BJ電池上實現TOPCon技術，作者將n型Si FJ TOPCon (n-FJ)（圖2d）應用在p型c-Si晶片上（圖2e）。與n-FJ電池相反，在這種p型Si TOPCon BJ (p-BJ)器件中，背面的TOPCon作為全域接觸的p-n結，使得發射極的橫向電流傳輸失效。

n-FJ和p-BJ電池的光電參數匯總在圖3中。p-BJ器件顯示出非常高的VOC，高達732 mV，比n-FJ電池高5 mV以上，表明省略了前表面全區域硼擴散層的增益效果。1 Ω cm體電阻率的P-BJ電池[P-BJ(1)]填充因子為84.5％，比n-FJ器件高出1％的絕對值，證明了前表面的Al2O3和后表面的TOPCon具有很高的鈍化效果，以及在c-Si體相內向局部前接觸間具有足夠高的空穴傳導性。10 Ω cm p-BJ電池[P-BJ(10)]的FF比P-BJ(1)電池低2%的絕對值，表明電阻損耗非常嚴重。因此，p-BJ電池設計對c-Si體的空穴電導率敏感。1 Ω cm p-BJ電池的JSC最低（<42.1 mA cm–2），n-FJ電池和10 Ω cm p-BJ電池均顯示約42.5 mA cm–2的值?？偟膩碚f，與10 Ω cm p-BJ電池（25.5％）和n-FJ電池（25.8％）相比，1 Ω cm p-BJ電池顯示出最高的效率（26.0％）。1 Ω cm p-BJ電池的這種高效率為兩面接觸式硅太陽能電池的最高值之一，并且該電池的極高電學性能減小了與SHJ電池的差距（圖1e）。

圖3 所有制造太陽能電池的I–V參數

功率損耗分析（PLA）

為了更深入地了解這些電池設計中獨特的電流傳輸和復合損耗，研究人員基于自由能量損耗分析（FELA）對所有電學和光學機制進行了系統的功率損耗分析（PLA ），圖4c為最終的PLA以及最佳電池的模擬輸出功率。

圖4 最佳性能太陽能電池的PLA

關于光學損耗，p-BJ電池在正表面遮陽和反射上比n-FJ電池高?0.3％損失，這是由非完美的ARC和金屬柵格造成的。對于1 Ω cm p-BJ電池，非理想的正面損耗最高，這會造成低的JSC。由于背面的電池設計相同，所有電池的非理想背面損耗非常相似。

在電學損耗方面，c-Si體相復合損耗主要由俄歇復合構成，這在1 Ω cm p-BJ電池中最為明顯。所有電池的表面復合損耗都由前表面決定，這對于1 Ω cm p-BJ電池最低，尤其是在非接觸區域。10 Ω cm p-BJ電池在正面和TOPCon背面存在更高的損耗，這是由于在此電池上表面鈍化質量略低。

由于暗周長、活性面積之外的硅晶片區域，所有電池都表現出相當可觀的損耗，這對于10 Ω cm p-BJ電池最為明顯，約為0.3％。如果通過增加太陽能電池的有效面積來消除這些邊緣損耗，并且假設n-FJ電池具有更好的正面光學特性（更好的金屬柵格和ARC），該模擬可預估1 Ω cm p-BJ電池的效率為26.6％。

最后作者從仿真模擬方面比較了不同的FJ和BJ電池，得出：BJ太陽能電池有潛力成為未來c-Si太陽能電池的最佳候選者，預計在未來的十年其效率可達27％的范圍內。

Richter, A., Müller, R., Benick, J. et al. Design rules for high-efficiency both-sides-contacted silicon solar cells with balanced charge carrier transport and recombination losses. Nat Energy (2021). DOI:10.1038/s41560-021-00805-w