提升光电转换效率是光伏产业发展的核心驱动力，组件外观也日益受到市场重视。背接触硅太阳能电池正面无栅线，兼具最高理论效率与优异外观，但设备投资高、制造成本大，双面率长期偏低，制约了产业化推广。硅片薄片化对陷光结构提出更高要求，蛾眼、黑硅等方案在增强光吸收的同时引入严重载流子复合损失，难以兼顾光学增益与电学性能。美能大平台钙钛矿电池PL测试仪通过无接触式测试，监测各个工艺段中的异常，了解单节叠层钙钛矿电池的缺陷分布信息。

本研究在TBC太阳能电池上开发双面光管理策略：受光面构建分级微/亚微米复合织构金字塔（HMS）降低反射，背面间隙区域构建纳米结构抛光面（NPS）增强陷光与钝化，两者协同在350.0 cm²商业尺寸单结硅电池上实现27.03%总面积效率世界纪录，双面率突破80%。

光管理策略设计

 (a)器件结构示意图(b)总面积效率世界纪录达27.03%的350.0 cm²电池的电流-电压（I-V）和功率-电压（P-V）曲线(c)本研究涉及的不同织构工艺和表面结构示意图(d)基于CMS、HMS和HMNS的量产TBC太阳能电池的效率分布(e)Jsc（左）、Voc（中）和FF（右）的统计分布

研究对比了三种表面织构方案：常规微织构结构（CMS）、分级微/亚微米织构结构（HMS）以及HMS与纳米结构抛光面的协同结构（HMNS）。CMS通过一步碱腐蚀获得；HMS在CMS基础上，借助含羰基聚合物添加剂的动态吸附-脱附机制，经温和碱腐蚀在金字塔表面形成阶梯状亚微米结构；HMNS则在差异化腐蚀的基础上，利用无机钙盐在间隙区域SiO₂膜上形成保护层实现选择性腐蚀，先在正面形成金字塔织构、间隙区域形成抛光面，再经温和腐蚀在正面构建HMS、在抛光面上同步形成球冠状纳米结构（NPS）。

量产线统计结果显示，CMS、HMS和HMNS基电池的平均效率分别为26.25%、26.41%和26.49%，HMNS基电池的Jsc最高，Voc也有轻微提升，效率增益主要来自陷光能力的增强。

HMS表面的减反射机制

 (a, b) CMS和HMS金字塔的俯视（左）和截面（右）SEM图像(c)HMS硅表面的形成过程(d)CMS和HMS表面在正入射条件下的反射率光谱(e, f)基于CMS和HMS的量产TBC太阳能电池的EQE光谱和光学损失分析

HMS金字塔底角从CMS的约52°增大到约60°，提高了多次反射概率。表面的亚微米结构尺寸与入射光波长相当，通过增强光散射将光有效耦合进硅衬底。HMS表面平均反射率（300—1180 nm）为13.47%，低于CMS的17.24%。光学损失分析表明，正面反射造成的Jsc损失从CMS基电池的0.84 mA·cm⁻²降至HMS基电池的0.42 mA·cm⁻²。模拟显示，底角增大仅贡献0.24 mA·cm⁻²的反射损失降低，亚微米结构的贡献同样不可忽视，两者协同作用。HMS基电池的积分Jsc达到41.80 mA·cm⁻²，高于CMS基电池的41.32 mA·cm⁻²。HMS表面电池外观更深、更均匀，不同视角下的颜色变化极小。

NPS表面的陷光与钝化

(a)形成机制(b)俯视（左）和截面（右）SEM图像(c)等效折射率梯度示意图(d, e)基于HMS和HMNS的电池间隙区域的总吸收和光学损失分析

NPS表面的球冠状亚波长结构（30—250 nm）可用有效介质理论解释，等效为折射率从硅到空气连续渐变的介质，避免了界面折射率突变。光学损失分析显示，HMNS基样品的逃逸损失最低（2.65 mA·cm⁻²），正面反射损失也降至0.42 mA·cm⁻²。

(a)经Al₂O₃/SiNₓ叠层钝化的CMS和HMS表面硅片的稳态光致发光（PL）强度(b)基于CMS、HMS和NPS样品的iVoc(c)CMS、HMS和NPS表面硅片的实测寿命(d)不同织构硅片在MPP注入水平下表面复合、本征复合和SRH复合占比的比较(e)CMS和NPS硅片表面积比随底角的变化(f)CMS和NPS硅片在相同注入水平下的表面复合速率比较

钝化方面，当Al₂O₃的ALD沉积超过43圈（约6 nm）时，CMS和HMS表面的钝化差异可忽略。NPS表面的J₀明显更低，iVoc更高，表面复合速率不到CMS表面的三分之一。在MPP注入水平下，NPS表面的表面复合占比也最低，证明所设计的陷光结构表面损伤低，光滑表面结构具有更好的钝化优势。

双面率与效率的同步提升

(a)基于HMNS器件的双面率预测(b)基于HMNS器件的效率预测(c)已制备TBC器件的效率统计分布(d)p型区160 μm、n型区90 μm的HMS和HMNS基TBC太阳能电池电学损失分量的逐项对比

背接触电池双面率偏低主要受重掺杂多晶硅寄生吸收、栅线遮挡和背面形貌影响。模拟和实验结果表明，收窄p型和n型区域宽度可将双面率提升至80%以上，因为间隙区域增宽后p型和n型区域的寄生吸收大幅降低。基于HMNS的量产TBC电池效率预计可达27.06%，高于HMS基（26.90%）和CMS基（26.72%），三者双面率均在80%左右。

HMNS基电池在区域宽度收窄时的效率增幅（约0.15%）明显高于CMS和HMS基电池（约0.05—0.07%）。差异源于间隙区域的表面结构：CMS或HMS表面会因表面复合和电荷收集损失增加而导致FF下降，而NPS表面凭借优异的钝化和陷光能力，随间隙区域变宽可显著降低整体复合损失和光学损失，效率增幅更大。电学损失分析也证实HMNS基电池间隙区域的表面复合损失明显更低。

本研究通过简便的双面光管理策略，在TBC太阳能电池上实现了商业尺寸单结硅电池27.03%的总面积效率世界纪录。正面低损伤微/亚微米复合结构抑制反射、改善外观；背面间隙区域的纳米结构抛光面增强内部陷光和钝化效果。背接触电池固有的低双面率问题也得以克服，双面率突破80%。该成果表明，充分发挥TBC电池的结构特征并设计合理的表面光管理方案，可以实现效率与双面率的同步提升，为背接触技术的产业化推广提供了可行路径。

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原文参考：Total-area world-record efficiency of 27.03% for 350.0 cm² commercial-sized single junction silicon solar cells