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米测MeLab

2025-11-14

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

编辑丨风云

一、研究背景

硅太阳能电池对于可持续能源至关重要，并且在现场应用中引领所有太阳能技术。当前，晶体硅（c-Si）太阳能电池在生产中已能实现26%的功率转换效率。随着全球能源需求的上升，硅光伏技术具有补充传统能源系统的良好定位。

二、关键问题

高效率硅太阳能电池的研究主要存在以下问题：

1、填充因子（FF）的效率瓶颈

硅太阳能电池的效率损失仍然受限于填充因子，FF是与复合和电阻损耗相关的持续性效率瓶颈。

2、理想因子缺乏明确的物理联系

尽管FF是一个关键指标，但它仍然缺乏与这些潜在物理因素（复合和电阻损耗）的明确物理关联。同样，长期以来被认为是描述载流子复合过程的理想因子（m）的表达式也一直是隐含的，限制了其在诊断载流子耗散方面的实用性。

三、新思路

有鉴于此，隆基绿能中央研究院李振国、徐希翔、 方亮、薛朝伟联合兰州大学贺德衍教授、中山大学高平奇教授等人开发了一种混合叉指背接触太阳能电池，它将先进的全表面钝化与激光处理的隧穿接触相结合。该方法实现了27.81%的功率转换效率，接近理论极限的95%。通过整合高低温工艺，抑制了复合并提高了接触性能，实现了理论极限的87.55%-接近98%的填充因子。模型将理想因子与载波损耗机制联系起来，阐明了载流子在体和表面的复合，并阐明了由于复合而导致的关键填充因子损失。这些创新为可扩展的、高效的硅光致发光提供了实验和理论上的进展。

技术方案：

1、设计了HIBC电池并探究了其性能

HIBC电池结合高低温工艺，实现n型和p型接触，通过降低磷掺杂和原位钝化边缘技术，显著降低复合前因子，提高电池效率。

2、开发了激光诱导结晶工艺

研究开发了激光工艺局部结晶a-Si层，降低电阻率并保持钝化，虽改善接触电阻但钝化质量略有下降。

3、量化分析了电池的电功率损耗

Quokka3分析27.63%效率电池，复合损耗占主导，表面复合损耗高于体缺陷损耗，p型接触电阻损耗高于n型。

4、优化了接触并提升了钝化性能

高填充因子表明低损耗，隧穿接触提供优异钝化但电阻率高。通过载流子注入等手段，可优化表面和体硅复合，提升了器件性能。

技术优势：

1、实现了破纪录的电池性能与工艺集成

本文通过集成多项先进技术实现了认证效率27.81%和87.55%的FF，包括用于降低接触电阻的激光诱导结晶以及用于抑制边缘复合的原位钝化边缘技术。这些技术协同作用，将器件的理想因子降低到最大功率点以下的水平。

2、建立了理论分析与高效率设计原则

作者提出了理想因子（m）与载流子复合机制相联系的数学模型，为诊断载流子耗散提供了工具。此外，文章总结了构成高效率硅太阳能电池的五个基本特征，为指导未来高效率硅光伏技术发展提供了明确的物理指导。

技术细节

电池制造与性能

HIBC电池设计结合了高温和低温工艺，以在n型硅晶圆上创建n型和p型接触。核心特点包括全表面和边缘钝化，以及用于有效载流子收集的钝化隧穿接触。通过将n型多晶硅（n-poly-Si）层中的磷掺杂降低十倍，将复合前因子J₀从4.02 fA cm⁻²降低到1.58 fA cm⁻²。原位钝化边缘技术（iPET）提高了伪填充因子（pFF），特别在高电阻率晶圆上实现了更高的PCE增益和pFF。数值模拟显示，边缘钝化不足会在高于0.65 V的电压下增加复合，从而降低pFF。

图  HIBC电池的关键光电性能

激光诱导结晶

为了解决增加i-a-Si层厚度以防止漏电所导致的接触电阻率升高问题，研究开发了一种激光工艺，用于局部结晶a-Si层，目标是降低电阻率并保持钝化。使用532 nm纳秒脉冲激光，将热效应限制在金字塔尖端。透射电子显微镜证实，i-p堆栈在金字塔尖端转化为纳米晶硅（nc-Si）。激光处理后，载流子路径发生改变，转为横向传输到金字塔尖端后再穿过c-Si/i-a-Si/p-nc-Si/ITO堆栈。这种纳米尺度的改性使接触电阻率降低了一个数量级，但代价是钝化质量有所下降（J₀增加）。

图  激光处理对HIBC电池I-a-Si/p-a-Si叠层的影响

功率损耗分析

作者使用Quokka3对27.63%效率电池的电功率损耗进行了量化分析。复合损耗占总电损耗的三分之二。体复合占总复合损耗的74%，其中俄歇（Auger）过程约占一半。表面复合损耗（0.25 mW cm⁻²）比体缺陷损耗（0.16 mW cm⁻²）高约50%，突显了先进表面钝化对提高PCE的重要性。在载流子传输损耗中，p型接触的电阻损耗比n型接触高出50%，表明p型接触电阻率仍需进一步改进。

图  HIBC电池的功率损耗分析

填充因子与理想因子

填充因子（FF）越高，表明复合和电阻损耗越低。隧穿接触通常提供优异的表面钝化（较低的J₀），但接触电阻率通常高于扩散接触。文章表明，通过载流子注入或介质层中的固定电荷，可以在Si表面附近保持高多数载流子密度（高于1×10¹⁷ cm⁻³），从而使表面复合理想因子m_SRH维持在1附近。在体硅中，减少掺杂会使俄歇复合占主导地位，理想因子接近2/3，从而有助于提高器件性能。最终，带有iPET的HIBC电池在VMPP处的局部理想因子(m_local)为1.10，而覆盖边缘后m_local可降至1以下。

图  高效硅太阳电池的研究进展及理论分析

五、展望

总之，本研究展示了133.63平方厘米的HIBC结构硅太阳能电池实现了27.81%的认证效率和87.55%的填充因子（FF）。这一成果得益于集成激光诱导结晶、原位边缘钝化和优化表面处理等先进技术，将最大功率点（MPP）下的理想因子降低到1以下。研究还确定了支持高效率的五个基本器件特性：低掺杂高寿命的Si晶片体、富含多数载流子的次表面层、带涂层的纹理化前表面、有效的边缘钝化以及钝化的隧道接触。这些特性对实现高FF和整体电池效率至关重要。

参考文献：

Wang, G., Yu, M., Wu, H. et al. Silicon solar cells with hybrid back contacts. Nature 647, 369–374 (2025).

 https://doi.org/10.1038/s41586-025-09681-w