目前工业上使用的主流光伏技术在量产时的功率转换效率超过23%，但进一步的重大改进仍具有挑战性。研究人员现在证明，通过在双面接触的太阳能电池上实现钝化接触，效率为26%。
目前，晶硅(c-Si)光伏产品占世界光伏市场份额的95%以上。所谓的钝化发射极和后部电池(PERC)技术是当今工业太阳能电池制造的标准，在大规模生产中，其平均效率超过23%。虽然到目前为止，PERC的绝对效率每年提高了约0.5%，但其饱和率可能仅略高于24%。但是，它的生产已经非常划算了。在像阿布扎比这样阳光充足的地区，这项技术使电力成本(LCOE)降至0.0135 kWh-1的历史最低水平。虽然LCOE的进一步降低将加速光伏技术的部署，但在工业太阳能电池制造中，是否有另一种技术能够达到更低的LCOE值并取代PERC尚不清楚。一个有效的杠杆将是能源转换效率的一个重大改进。钝化接触方案是最有希望的方法，以使进一步提高效率。在多晶硅/SiOx或非晶Si:H/c-Si异质结钝化接触的指叉背接触(IBC)太阳能电池上，效率分别为26.1%和26.7%。然而，在双面接触电池，效率尚未达到26%。
在《自然能源》杂志上，来自弗劳恩霍夫太阳能系统研究所和弗莱堡阿尔伯特路德维希大学的阿明*里希特和他的同事们通过实验证明，采用钝化多硅/SiOx接点的双面接触硅太阳能电池的能量转换效率达到了创记录的26%。由于双面接触太阳能电池被认为比IBC太阳能电池更具有挑战性，因此该结果更清楚地强调了钝化接触的有益效果。这一重要里程碑将进一步推动具有钝化触点的硅太阳能电池的发展，并有助于降低LCOE。
Richter和他的同事们优化了设备结构，以最大限度地减少运输和重组损失。图1以一种非常简单的方式比较了三种器件设计的复合损耗:基于p型太阳能电池结构的当前行业标准PERC+器件(图1a);工业新兴的n型硅结构，其背面为全区域电子收集polo si/ SiOx，正面为全区域扩散空穴收集结(图1b);以及Richter等人研究的p型结构，其前端没有全面积的高掺杂区域(图1c)。
图1不同器件设计中的|复合损耗。a - c双面PERC+电池中所需(实线)和不需要(虚线)电子和空穴路径示意图(a)，带有p+和npolo si/SiOx层的n型前置结电池(b)和不含p+和npolo si硅/SiOx层的p型背结电池(c)。面板c中的结构是Richter和同事研究的结构。由于钝化多硅/ SiOx接触的更高选择性，以及由于金属栅线之间没有扩散的p+ c-Si层，运营商越来越少提取在错误的位置(虚线)在设备面板c对电池板的a和b。这就是为什么26%的优秀记录效率实现结构c所示。注意,这个例子非常简化的因为只有少数重组损失,没有交通工具并指出了光学损耗。如Richter等人所述，为了深入了解设备物理，需要进行全面的损耗分析。
理想情况下，每个触点应该只提取一种载体类型(图1中实线箭头表示“所需的颗粒流”)。然而，由于有限的选择性，“非钝化”扩散或合金触点也会部分收集错误的载体类型(“不需要的颗粒流”，“非钝化”扩散或合金触点)。图1中虚线箭头所示)。这些载波由于在触点内重组而丢失。图1b中一个极性的钝化polo si/SiOx触点的引入已经抑制了图1a中出现的一些不需要的复合电流。然而，图1b所示结构前部的全区域扩散空穴收集结仍然意味着在半导体/金属界面和金属指间区域的复合损耗。研究人员通过将空穴收集结限制在栅线区域来减轻这些损失(图1c)。吸收器单独提供了将孔洞输送到这些局部接触点的过程。
Richter等人提出的26%的记录效率在多大程度上可以从实验室转移到工业生产，取决于单个组件的质量与实验室单元的质量有多大的差异。例如，模拟研究表明，当使用thin等现有行业组件时，效率潜力可能会下降到略低于25% Czochralski晶片，合金Al为空穴收集p+掺杂区域的前金属化和丝网印刷技术的接触。然而，这些模拟研究的结果很大程度上依赖于输入参数，而输入参数随着技术的不断改进而随时间变化。在这种情况下，令人鼓舞的是，n型硅太阳能电池的工业记录效率比小型实验室电池的记录效率低不到1%。n型硅太阳能电池的背面采用了全区域电子收集SiOx/poly-Si钝化接触。
然而，在Richter和他的同事提出的细胞结构的工业版本的开发过程中，还会出现其他困难，这些困难即使不是真正的基础，也不容易解决。这包括，例如，在p掺杂的Si中，过量的载流子寿命更容易受到金属杂质的影响。尽管p型起始材料的质量不断提高，但在工业太阳能电池制造过程中会引入杂质，对载流子扩散长度造成不利影响。在背结结构中，少数载流子(电子)需要从前面附近的区域扩散到后面的n+多晶硅/SiOx接触点(它们被收集的地方)。为了避免复合损耗，扩散长度必须大于晶片厚度。这使得背结设计对扩散长度的减小更加敏感，这意味着在电池加工过程中避免污染对于Richter等人研究的太阳能电池结构工业化至关重要。
光伏领域的竞争非常激烈。对于批量生产的PERC电池，改进的余地似乎很窄。许多研究人员甚至认为，如果PERC之后还会出现什么，那就是叠层太阳能电池。虽然目前叠层太阳能电池领域的发展非常有前景，但仍有许多挑战需要解决，短期内没有市场准备。在这种情况下，钝化触点已经在许多器件设计中证明了其性能优于PERC电池的潜力，例如根据Richter等人的报道，IBC配置原则上可以使效率超过27%，现在，双面触点设计的效率至少达到26%。通过他们的研究，研究人员进一步强调了碳硅技术的潜力，以实现更高的效率，从而降低LCOE。钝化触点现在更有可能使下一个可行的c-Si后继技术成为可能，在PERC和叠层太阳能电池之前。
Robby Peibst 1,2
1Institute for Electronic Materials and Devices,
Leibniz University Hannover, Hannover, Germany.
2Institute for Solar Energy Research Hamelin (ISFH),
Emmerthal, Germany.
e-mail: peibst@isfh.de
Published online: 13 April 2021
https://doi.org/10.1038/s41560-021-00822-9
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