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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%
日期:2026-03-13浏览量:20
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
联系电话:400-0086-690
美能钙钛矿复合式MPPT测试仪采用A+AA+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。
Ø 3A+光源,光源寿命10000h+,真实还原各场景实际光照条件
Ø 可选配恒温恒湿箱,满足IS0S标准
Ø 多型号电子负载可选,多通道独立运行
Ø 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
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