混合背接觸（BC）硅太陽(yáng)能電池融合了TOPCon結(jié)構(gòu)的電子選擇性接觸、硅異質(zhì)結(jié)（SHJ）結(jié)構(gòu)的空穴選擇性接觸，以及交叉指式背接觸（IBC）的器件布局。盡管已有研究實(shí)現(xiàn)了27.8%的效率，但該架構(gòu)相較于傳統(tǒng)BC電池的深層優(yōu)勢(shì)尚未被充分揭示。本研究采用美能全光譜橢偏儀精確表征多層膜結(jié)構(gòu)，為梯度硼摻雜、a-SiOx鈍化及160μm厚度下的單向載流子輸運(yùn)設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵光學(xué)參數(shù)支撐。

本研究利用混合BC架構(gòu)的設(shè)計(jì)靈活性，采用多功能前表面層，同時(shí)實(shí)現(xiàn)陷光與鈍化功能；同時(shí)優(yōu)化了背面載流子選擇性接觸的載流子收集能力與工藝兼容性。研究表明，最優(yōu)晶體硅吸收層厚度可增加至160μm，最終實(shí)現(xiàn)了認(rèn)證效率達(dá)27.62%的產(chǎn)業(yè)化兼容晶體硅太陽(yáng)能電池。

混合BC電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)勢(shì)

Millennial Solar

(a)混合BC太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖。(b)掃描電子顯微鏡圖像。(c)測(cè)量電流-電壓特性以及理論計(jì)算結(jié)果。(d) SHJ太陽(yáng)能電池與本工作中混合BC太陽(yáng)能電池相對(duì)于理論極限的絕對(duì)效率損失

為協(xié)同發(fā)揮TOPCon、SHJ與IBC技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，本研究設(shè)計(jì)了混合BC太陽(yáng)能電池。在背面，采用TOPCon結(jié)構(gòu)（a-SiOx / n?-poly-Si）形成電子選擇性接觸，并采用SHJ結(jié)構(gòu)（i-a-Si / p-a-Si）形成空穴選擇性接觸。n?-poly-Si層具有良好的化學(xué)與熱穩(wěn)定性，可耐受后續(xù)激光開(kāi)槽與濕法刻蝕等工藝。正面則通過(guò)去除電極，并用雙層減反膜（SiOx / SiNx）結(jié)合n-nc-SiOx / i-a-Si / SiOx疊層結(jié)構(gòu)，最小化光學(xué)損失與表面復(fù)合。SiNx的高折射率與SiOx的低折射率相結(jié)合，改善了折射率匹配，增強(qiáng)了陷光效果。n-nc-SiOx層提供場(chǎng)效應(yīng)鈍化，進(jìn)一步降低表面復(fù)合。

該混合設(shè)計(jì)帶來(lái)多項(xiàng)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：（1）背面p型接觸中的梯度能帶結(jié)構(gòu)改善了空穴輸運(yùn)，降低串聯(lián)電阻，提升填充因子；（2）SiOx鈍化層應(yīng)用于正面和背面n型接觸，抑制了c-Si表面外延或?qū)\晶硅缺陷的形成，提升了開(kāi)路電壓；（3）正面無(wú)金屬柵線，減少了光學(xué)遮光損失，提升了短路電流密度。

梯度硼摻雜提升空穴收集

Millennial Solar

(a)混合BC電池中作為p型接觸層的SHJ衍生結(jié)構(gòu)。(b,c) p型接觸層的電子能量損失譜，以及p-a-Si層中從ITO側(cè)到i-a-Si側(cè)的梯度硼摻雜濃度空間分布。(d,e) 從器件模擬和第一性原理計(jì)算獲得的p型接觸層中的能帶彎曲，以及梯度硼摻雜誘導(dǎo)的p-a-Si層價(jià)帶頂工程，用于增強(qiáng)空穴輸運(yùn)。(f) 通過(guò)p-a-Si層梯度硼摻雜實(shí)現(xiàn)填充因子提升的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)在p-a-Si層中構(gòu)建硼濃度梯度，形成價(jià)帶頂梯度，誘導(dǎo)內(nèi)建電場(chǎng)方向與空穴輸運(yùn)方向一致，從而加速空穴漂移、縮短界面停留時(shí)間，降低復(fù)合概率。研究對(duì)比了均勻摻雜、低梯度摻雜與高梯度摻雜三種結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)與模擬一致表明，高梯度摻雜可使填充因子從85.8 %提升至87.7 %，串聯(lián)電阻從1.9 mΩ降至1.1 mΩ，效率絕對(duì)提升0.9 %。EELS分析證實(shí)了硼濃度的空間梯度分布。

SiOx鈍化抑制界面缺陷

Millennial Solar

(a) 高角環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電子顯微鏡圖像顯示i-a-Si/c-Si界面處的外延硅和孿晶硅缺陷。(b) HAADF-STEM圖像呈現(xiàn)光滑的i-a-SiOX/c-Si界面形貌。(c, d) i-a-Si/c-Si界面的初始結(jié)構(gòu)以及微秒尺度分子動(dòng)力學(xué)模擬后產(chǎn)生外延硅和孿晶硅缺陷的結(jié)構(gòu)。(e, f) a-SiOX/c-Si界面的初始結(jié)構(gòu)以及微秒尺度分子動(dòng)力學(xué)模擬后保持光滑的界面形貌

i-a-Si/c-Si界面易形成外延硅或?qū)\晶硅缺陷，成為復(fù)合中心。本研究引入i-a-SiOx鈍化層，通過(guò)氧摻雜將界面勢(shì)壘提高0.2 eV，有效抑制非晶硅的晶化轉(zhuǎn)變。HAADF-STEM與分子動(dòng)力學(xué)模擬顯示，a-SiOx/c-Si界面在長(zhǎng)時(shí)間模擬后仍保持光滑，少子壽命從2.5 ms提升至3.4 ms。由于a-SiOx帶有固定正電荷可能阻礙空穴輸運(yùn)，故僅用于正面與n型接觸層，背面p型接觸仍保留i-a-Si鈍化。

最優(yōu)厚度提升至160μm

Millennial Solar

(a-d)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的混合BC電池JSC、VOC、FF和效率隨c-Si厚度的變化。(e-h)器件模擬結(jié)果顯示混合BC電池JSC、VOC、FF和效率隨c-Si厚度的變化。(i, k) 混合BC電池與SHJ電池的載流子輸運(yùn)路徑對(duì)比。(j, l) 混合BC電池與SHJ電池的電流密度分布隨c-Si厚度的變化對(duì)比

混合BC電池的最優(yōu)c-Si厚度為160μm，高于SHJ的125μm。其原因在于載流子輸運(yùn)機(jī)制不同：SHJ中電子需往返前后表面，增加遷移距離與體復(fù)合風(fēng)險(xiǎn)；而混合BC中電子與空穴均在背面收集，形成單向輸運(yùn)路徑，縮短遷移距離，允許使用更厚的吸收層以增強(qiáng)光子吸收。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，160μm厚器件實(shí)現(xiàn)27.62 %效率（JSC = 42.54 mA/cm2，VOC = 740 mV，F(xiàn)F = 87.73%），優(yōu)于120μm器件的26.95%與SHJ基準(zhǔn)的26.81%。模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合，效率提升主要來(lái)自光學(xué)損失降低與電阻損失減少。

混合BC電池在IBC架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了TOPCon與SHJ技術(shù)的突破性集成，為晶體硅光伏器件中的載流子提取機(jī)制提供了新見(jiàn)解。其單向載流子收集機(jī)制克服了SHJ器件的厚度限制，縮短了電子輸運(yùn)路徑，抑制了體復(fù)合，使得更厚的c-Si吸收層（160μm）得以應(yīng)用，從而提升了光子吸收效率。憑借27.62%的認(rèn)證效率，混合BC電池代表了突破28%效率壁壘的最具產(chǎn)業(yè)化前景的技術(shù)路徑。未來(lái)在界面鈍化、摻雜精度和光子管理等方面的進(jìn)一步優(yōu)化，將有望持續(xù)提升其性能。

美能全光譜橢偏儀

Millennial Solar

全光譜橢偏儀擁有高靈敏度探測(cè)單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門(mén)用于測(cè)量和分析光伏領(lǐng)域中單層或多層納米薄膜的層構(gòu)參數(shù)（如厚度）和物理參數(shù)（如折射率n、消光系數(shù)k）

先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器測(cè)量技術(shù)：無(wú)測(cè)量死角問(wèn)題

粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測(cè)量：先進(jìn)的光能量增強(qiáng)技術(shù)，高信噪比的探測(cè)技術(shù)

秒級(jí)的全光譜測(cè)量速度：全光譜測(cè)量典型5-10秒

原子層量級(jí)的檢測(cè)靈敏度：測(cè)量精度可達(dá)0.05 nm

美能全光譜橢偏儀精確表征多層膜光學(xué)參數(shù)，為梯度硼摻雜能帶調(diào)控、a-SiOx界面鈍化優(yōu)化及160μm厚度下的單向載流子輸運(yùn)設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。該技術(shù)助力混合背接觸電池實(shí)現(xiàn)27.62%的認(rèn)證效率，突破了傳統(tǒng)SHJ器件的厚度限制，為商業(yè)化高效晶體硅光伏器件確立了新的技術(shù)路徑。

原文參考：Maximizing carrier extraction in hybrid back–contact silicon solar cells

*特別聲明：「美能光伏」公眾號(hào)所發(fā)布的原創(chuàng)及轉(zhuǎn)載文章，僅用于學(xué)術(shù)分享和傳遞光伏行業(yè)相關(guān)信息。未經(jīng)授權(quán)，不得抄襲、篡改、引用、轉(zhuǎn)載等侵犯本公眾號(hào)相關(guān)權(quán)益的行為。內(nèi)容僅供參考，若有侵權(quán)，請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系我司進(jìn)行刪除。