26.34%！新一代双面TOPCon电池诞生，并推动钙钛矿/TOPCon叠层电池效率突破32.73%

隧道氧化层钝化接触TOPCon技术已经成为当前高效晶体硅太阳能电池的重要技术路线之一并在产业化中快速发展。尽管TOPCon电池在规模化生产中已展现出较高效率但其在器件结构方面仍存在进一步优化空间特别是在前表面复合损失以及寄生光吸收方面。为进一步提升TOPCon电池效率研究人员提出多种结构改进方案其中包括双面TOPCon和指状局部接触结构。通过优化前后表面的钝化接触结构可以降低界面复合并减少寄生吸收从而提高电池的开路电压和光电转换效率。美能钙钛矿复合式MPPT测试仪采用AAA级LED太阳光模拟器作为老化光源可通过多种方式对电池进行控温并控制电池所处的环境氛围进行长期的稳定性能测试。本文系统研究了多种TOPCon结构包括传统TOPCon、双面TOPCon、指状TOPCon以及双面指状TOPCon结构并通过器件仿真与实验验证相结合的方法分析其效率潜力与损失机制。同时在此基础上构建了高性能硅底电池并进一步与钙钛矿顶电池集成实现高效率钙钛矿/硅叠层太阳能电池。不同TOPCon结构的效率潜力模拟a. 四种TOPCon电池架构示意图b. 计算得到的PCE极限和功率损失分析研究通过Quokka 3软件模拟对比了四种TOPCon结构的理论效率潜力传统TOPCon结构正面全覆盖硼发射极背面全覆盖n型TOPCon双面TOPCon结构正反两面全覆盖n型和p型TOPCon指状TOPCon结构正面图案化n型TOPCon指背面全覆盖p型TOPCon双面指状TOPCon结构正反两面均为图案化TOPCon模拟结果显示传统TOPCon的效率潜力最低为26.75%主要受限来自正面p发射极非接触区域的复合。双面TOPCon通过替换掉硼发射极效率潜力提升至27.29%但正面全覆盖的多晶硅(n)即使减薄到10纳米仍存在明显的寄生吸收。指状TOPCon由于采用了图案化设计大幅降低了正面寄生吸收效率潜力达到最高的27.67%。有趣的是双面指状TOPCon反而因为空穴收集效率下降和体复合增加效率潜力降至27.13%。从损耗分析来看随着表面钝化的不断优化电池的主要损耗机制正逐渐转向硅片的本征俄歇复合这反映了当前钝化技术已接近材料物理极限。综合比较指状TOPCon被认为是最具发展潜力的结构。指状TOPCon电池的实验结果a. 指状TOPCon太阳能电池结构示意图。(b) 正面图案化SiOₓ/多晶硅(n⁺) 和 (c) 背面双层SiOₓ/多晶硅(p⁺) 钝化接触的SEM图像。指状TOPCon电池的认证 (d) I-V和P-V曲线及 (e)EQE曲线。f. 多年来FBC TOPCon电池的PCE evolution图。g. 指状TOPCon电池的功率和自由能损失分析。封装的单电池指状TOPCon组件在(h)加速DH测试、(i) LID测试和(j) LeTID测试下的稳定性基于模拟指导研究制备了工业尺寸335.5平方厘米的指状TOPCon电池。其核心结构是正面绒面上通过紫外激光和碱刻蚀形成约210微米宽的图案化SiOx / 多晶硅(n)指状电极覆盖Al₂O₃ / SiNₓ多层钝化减反膜背面抛光面上则是全覆盖的双层SiOx / 多晶硅(p)钝化接触。该电池获得了26.34%的认证效率关键参数为开路电压743.2毫伏、填充因子85.0%、短路电流密度41.69毫安/平方厘米。相比传统的激光掺杂选择性发射极TOPCon电池25.4%指状TOPCon实现了24.1毫伏的电压增益和1.34个百分点的填充因子提升这直接证实了正面复合得到有效抑制、载流子横向输运高效。电流损失方面0.55毫安/平方厘米的短路电流损失主要来自210微米宽的正面多晶硅指与模拟预测的0.57毫安/平方厘米高度吻合。外量子效率曲线在短波300-400纳米和长波1000-1200纳米区域的下降也印证了这一损失来源。后续通过进一步窄化和减薄正面多晶硅指有望进一步提升电流。通过Quokka模拟进行损耗分析结果显示正面区域的功率损耗极小0.20毫瓦/平方厘米证明了图案化设计和钝化叠层的有效性。第二大损耗来自背面双层p型TOPCon接触0.52毫瓦/平方厘米表明这是当前的主要性能瓶颈。最大损耗0.77毫瓦/平方厘米来自硅体区的载流子输运和复合提示使用更高质量的硅片将是进一步提升效率的关键路径。稳定性测试方面封装的指状TOPCon组件表现优异湿热测试85°C/85%相对湿度2000小时后效率衰减仅2.97%光致衰减测试8个月后仍保持99.8%的初始效率高温诱导衰减测试324小时后效率损失小于1.5%。紫外稳定性也同样出色。正面n型TOPCon的优化a. 圆滑金字塔的横截面SEM图像。 (b) 传统热场和(c)梯度热场下制备的多晶硅的俯视SEM图像。d. 梯度热场下制备的多晶硅的横截面SEM图像。e. 有和无梯度热场制备的多晶硅的拉曼光谱。f. 有和无梯度热场制备的SiOₓ/多晶硅(n⁺)钝化的绒面n型硅的注入水平依赖有效寿命。g. 电化学电容-电压法测量的磷掺杂浓度分布。h. SiOₓ/多晶硅(n⁺)钝化的绒面n型硅的J₀和iVoc随磷掺杂浓度的变化。i. 绒面n型硅上SiOₓ/多晶硅(n⁺)的ρc随磷掺杂浓度的变化在正面绒面制备高质量的图案化n型TOPCon关键在于三个方面的优化绒面形貌、多晶硅结晶度和磷掺杂浓度。传统碱制绒形成的尖锐金字塔其峰谷处缺陷密度高、膜层沉积不均匀且金属化时易受银浆腐蚀。研究引入了一种工业兼容的圆滑金字塔绒面处理工艺显著降低了表面粗糙度使SiOx/多晶硅(n)沉积更均匀同时有效防止了银浆腐蚀。重要的是配合优化后的多层减反膜圆滑化带来的反射损失几乎可以忽略。针对多晶硅结晶度的提升研究在低压化学气相沉积系统中开发了梯度热场技术。相比传统的单一热场梯度热场大幅改善了炉管内温度均匀性从而生长出晶粒更大、缺陷密度更低的多晶硅薄膜。拉曼光谱显示梯度热场制备的多晶硅半高宽从11.9波数收窄至8.4波数峰位向高波数移动表明内应力减小。相应地样品的隐含开路电压从718毫伏提升到742毫伏暗复合参数从10.1飞安/平方厘米降至1.0飞安/平方厘米。磷掺杂浓度的优化则需要在钝化和接触性能之间取得平衡。通过调控扩散参数研究实现了1.5×10²⁰到4.3×10²⁰/立方厘米的掺杂浓度变化。随着浓度从1.5×10²⁰增加到3.3×10²⁰/立方厘米平均暗复合参数从7.2降至1.0飞安/平方厘米隐含开路电压从726升至740毫伏。这归因于更高结晶度带来的掺杂效率提升增强了场效应钝化。当浓度超过3.3×10²⁰后暗复合参数反而上升可能是缺陷生成或高温过程损伤了氧化硅界面层。接触电阻率则随掺杂浓度升高持续降低在最佳浓度点达到0.61毫欧·平方厘米。综合优化后正面非接触区域的总暗复合参数低至0.6飞安/平方厘米为743.2毫伏的高开路电压奠定了基础。背面p型TOPCon的工程化设计a. 双层SiOₓ/多晶硅(p⁺)结构的HAADF和EDX元素分布图像。b. 热生长SiOₓ厚度对双层SiOₓ/多晶硅(p⁺)钝化的平面n型硅iVoc的影响。c. 有和无预退火处理的硼扩散多晶硅薄膜的拉曼光谱。双层SiOₓ/多晶硅(p⁺)钝化的平面n型硅iVoc随多晶硅(p⁺)(d)结晶度和(e)硼掺杂浓度的变化。f. 双层SiOₓ/多晶硅(p⁺)的ρc随银浆中碱金属氧化物含量的变化。g. 火接触后双层SiOₓ/多晶硅(p⁺)结构的横截面SEM图像背面p型TOPCon的制备难度远高于n型主要是硼原子容易在氧化硅层中富集损伤界面钝化。研究设计了一种双层结构SiOx/多晶硅(p)/SiOx/多晶硅(p)核心是在两层多晶硅之间插入一层约1纳米厚的原位氧化SiOx中间层用于抑制后续火过程中银结晶的穿刺。系统优化表明650°C原位热氧化生长的SiOx质量最佳归因于其致密、近化学计量比的特性能有效阻挡硼原子向界面扩散。SiOx厚度从1.4纳米增加到1.8纳米时样品的隐含开路电压从733毫伏提升至745.4毫伏超过2纳米后因硼扩散减弱、场效应钝化下降电压回落。预退火处理对多晶硅结晶度的影响显著。1050°C预退火后多晶硅结晶度大幅提升且硼扩散后仍保持良好结晶性。相应地样品隐含开路电压从698.9毫伏跃升至745.7毫伏主要归因于高结晶度带来的掺杂效率提升增强了场效应钝化。此外高温预退火可能改善了氧化硅的化学计量并形成适度针孔提供了额外的载流子传输路径减轻硼对氧化硅的损伤。硼掺杂浓度的优化同样呈现火山型曲线从4×10¹⁹增至1×10²⁰/立方厘米时隐含开路电压从725升至745.7毫伏超过此浓度后俄歇复合和硼相关缺陷导致性能下降。相比单层结构双层结构由于能有效阻挡硼内扩散、减轻界面损伤钝化性能显著提升隐含开路电压从734提升至747毫伏暗复合参数从6降至2.2飞安/平方厘米。接触性能方面研究开发了专用银浆。通过在玻璃粉中掺入碱金属氧化物降低了熔点、改善了流动性使接触电阻率逐步降低在4%掺量时达到0.82毫欧·平方厘米。引入粗糙银粉后进一步降至0.55毫欧·平方厘米。更关键的是双层结构有效抑制了银结晶穿刺扫描电镜图像显示银结晶仅穿透外层多晶硅被中间氧化硅层阻挡而单层结构则观察到银大量穿透进入硅体。Quokka模拟估算背面接触暗复合参数仅5飞安/平方厘米为高开路电压做出重要贡献。钙钛矿/TOPCon叠层电池a. 钙钛矿/TOPCon叠层电池结构示意图。b. 认证的J-V曲线。冠军器件的 (c) 稳定功率输出和(d)EQE曲线。e. 钙钛矿/TOPCon叠层电池的PCE evolution图。f. 封装的叠层电池在室温、氮气氛围、连续光照下的长期MPP跟踪叠层电池的效率受限于底电池的开路电压和短路电流。传统TOPCon底电池开路电压偏低而平面结构因陷光差导致电流受限。研究采用双面TOPCon作为底电池——正面全覆盖n型TOPCon、背面双层p型TOPCon该底电池本身已实现24%的效率开路电压741.3毫伏且正面为绒面结构有利于陷光。基于此研究制备了单片钙钛矿/TOPCon叠层电池。冠军器件1平方厘米获得32.73%的认证效率迟滞可忽略最大功率点跟踪稳定输出32.3%。关键参数为开路电压1.961伏、填充因子81.83%、短路电流密度20.40毫安/平方厘米。外量子效率测试显示钙钛矿顶电池贡献21.38毫安/平方厘米TOPCon底电池贡献20.46毫安/平方厘米与认证电流吻合。从电压贡献来看钙钛矿顶电池约贡献1.24伏则底电池贡献0.72伏。1.961伏的总电压高于此前报道的钙钛矿/TOPCon叠层与钙钛矿/硅异质结叠层相当。32.73%的效率也超越了现有已发表结果。但电流仍受限光学模拟显示底电池正面和背面多晶硅分别造成0.97和0.49毫安/平方厘米的寄生吸收损失这是后续优化的重点。稳定性方面封装的叠层电池在连续光照、室温、氮气氛围下进行最大功率点MPP跟踪2000小时后仍保持80%的初始效率展现出良好的运行稳定性。本研究成功开发了指状TOPCon太阳能电池通过正面图案化n型TOPCon指和背面全覆盖双层p型TOPCon的结构设计实现了26.34%的认证效率。743.2毫伏的开路电压和85.0%的填充因子证实了优异的载流子选择性湿热、光致衰减、高温诱导衰减测试均显示出色的可靠性。未来进一步提升的方向包括继续窄化和减薄正面图案化n型TOPCon指以降低寄生吸收背面采用局域减薄的p型TOPCon结构进一步降低复合损失。有望在量产中实现接近27%的效率。更重要的是将双面TOPCon作为底电池研究实现了32.73%的认证效率的钙钛矿/TOPCon叠层电池且具有良好的运行稳定性。这一技术路线与现有工业生产线高度兼容为下一代高效光伏技术提供了可规模化的解决方案。钙钛矿复合式MPPT测试仪美能钙钛矿复合式MPPT测试仪采用AAA级LED太阳光模拟器作为老化光源以其先进的技术和多功能设计为钙钛矿太阳能电池的研究提供了强有力的支持。3A光源光源寿命10000h真实还原各场景实际光照条件可选配恒温恒湿箱满足IS0S标准多型号电子负载可选多通道独立运行不同波段光谱输出可调350-400 nm/400-750 nm/750-1150 nm均独立可控美能钙钛矿复合式MPPT测试仪主要应用于成品钙钛矿单结叠层成品电池稳定性测试。由于钙钛矿电池的输出特性易受光照、温度等环境因素影响其最大功率点会频繁波动。MPPT控制器通过实时追踪并锁定最大功率点能确保系统始终以最优功率输出。这不仅能最大化发电量还能提升整个光伏系统的工作稳定性和经济性。原文参考Bifacial tunnel oxide passivating contacts for silicon and perovskite/silicon tandem solar cells with improved efficiency