迈向27.51%效率，非晶/微晶材料在HBC太阳能电池中的应用

 

太阳能光伏行业正寻求通过创新制造工艺、新型材料、太阳能电池设计和模块配置来提高模块性能。SHJ 太阳能电池具高 PCE、简化制造工艺和低制造成温等优点，但存在Jsc较低和原材料成本较高等局限，IBC技术有望提升硅太阳能电池PCE。SHJ太阳能电池利用非晶硅层进行有效钝化，并通过掺杂的非晶硅层形成钝化接触。

 

 

SHJ太阳能电池和SHJ-IBC太阳能电池

两种太阳能电池的结构示意图

 

SHJ太阳能电池结构：从上到下的结构依次为：银/ITO/(n+i)层/(n) c-Si/(i+p)层/ITO/银。其中，银（Ag）作为电极材料，ITO（氧化铟锡）作为透明导电氧化物层。(n+i)层表示n型掺杂的非晶硅层与本征非晶硅层的组合，(n) c-Si表示n型掺杂的晶体硅层，(i+p)层表示本征非晶硅层与p型掺杂的非晶硅层的组合。这种结构利用非晶硅层进行有效钝化，并通过掺杂的非晶硅层形成钝化接触，以提高电池的效率。SHJ-IBC太阳能电池结构：电池背面分为三个区域：ESC、HSC和一个分隔它们的间隙。在SHJ-IBC太阳能电池中，电子选择性接触（ESC）和空穴选择性接触（HSC）都位于电池的背面，这有助于减少前表面的遮挡，提高光的利用率。

数字孪生中使用的参数

 

 

这些参数对于准确模拟SHJ太阳能电池的性能至关重要，因为它们影响载流子的传输、复合和电池的整体效率。通过精确设置这些参数，研究人员可以创建出能够准确反映实际电池性能的数字孪生体，进而评估和优化电池设计。

接触电阻模拟

评估具有非晶硅（p-a-Si:H）和纳米晶硅（p-nc-Si:H）空穴选择性接触（HSC）层的SHJ太阳能电池在最大功率点（MPP）的功率损失。

SHJ太阳能电池在最大功率点（MPP）的功率损失和系列电阻的分析

 

 

功率损耗分析：对比了具有 p - a - Si:H 空穴选择接触（HSC）层和 p - nc - Si:H HSC 层的 SHJ 太阳能电池在最大功率点处的功率损耗情况，表明电池性能增强主要源于背面 HSC 层。串联电阻构成：将 Rs 分解为多个组成部分，包括体相内部的本征成分、前后表面透明导电氧化物（TCO）和电极指区域的载流子传输电阻以及电子选择接触（ESC）和 HSC 的接触电阻率（ρESC 和 ρHSC）。

图中可看出 ρESC 虽略有降低但变化不大，而 ρHSC 从 102 降至 4mΩ cm²，显著减小，这表明在提升电池性能方面，降低 HSC 层接触电阻率具有重要意义。

 

 

SHJ太阳能电池接触电阻率（ρC）模拟

 

 

TLM模拟结构示意图：这个结构包括两个相同的接触堆叠，每个宽度为1000微米，位于c-Si基底上，并通过可变间隙隔开。

 

J-V特性曲线：在暗条件下（电压范围为-0.2至0.2伏特）对不同接触垫间距的电子选择性接触（ESC）进行评估的J-V（电流-电压）特性曲线。这些曲线用于计算接触电阻率ρC。

 

不同接触垫间距的总电阻RT：不同接触垫间距下ESC的总电阻RT，这些数据用于通过TLM方法计算接触电阻率ρC。

 

接触电阻率ρC的计算：图中可以计算接触电阻率ρC，使用公式ρC = RC - LT / W，其中RC是接触电阻的一半，LT是有效转移长度的一半，W是TLM模拟中默认的接触长度（1微米）。

 

掺杂浓度对接触电阻率的影响：通过TLM模拟确定的p层的掺杂浓度，图中突出显示了p-a-Si:H HSC和p-nc-Si:H HSC的点。通过增加掺杂浓度，可以显著降低ρHSC。

 

SHJ太阳能电池数字孪生体的电气性能比较

 

 

短路电流：使用p-nc-Si:H HSC的太阳能电池的Jsc略高于使用p-a-Si:H HSC的电池，这表明纳米晶硅层可以提高电池的短路电流。

 

开路电压：p-nc-Si:H HSC的太阳能电池的Voc也略高于p-a-Si:H HSC的电池，这可能是由于纳米晶硅层更好的载流子选择性，减少了载流子的复合损失。

 

填充因子：p-nc-Si:H HSC的太阳能电池的FF同样略高于p-a-Si:H HSC的电池，这表明纳米晶硅层可以提高电池的整体性能。

 

功率转换效率：p-nc-Si:H HSC的太阳能电池的PCE高于p-a-Si:H HSC的电池，这与Jsc、Voc和FF的提高相一致。

 

与LONGi太阳能电池的比较：数字孪生体的模拟结果与LONGi公司的实验结果非常接近，这验证了数字孪生体模型的准确性和可靠性。

 

使用纳米晶硅（p-nc-Si:H）作为HSC层的SHJ太阳能电池在电气性能上优于使用非晶硅（p-a-Si:H）的电池。

SHJ和SHJ-IBC太阳能电池的数字孪生体创建

SHJ-IBC太阳能电池的电气性能

HSC宽度与VOC的关系：随着HSC宽度的增加，开路电压（VOC）提高。使用p-nc-Si:H HSC的电池相比使用p-a-Si:H HSC的电池展现出更高的VOC，这归因于p-nc-Si:H更高的掺杂浓度，导致在c-Si中的能带弯曲更强，复合损失减少。HSC宽度与FF的关系：填充因子（FF）随着HSC宽度的增加而提高。p-nc-Si:H HSC的电池由于其更高的载流子收集能力，相比p-a-Si:H HSC的电池展现出更高的FF。HSC宽度与JSC的关系：短路电流（JSC）随着HSC宽度的增加而提高。减少的复合损失和增强的载流子收集能力有助于提升JSC。HSC宽度与PCE的关系：功率转换效率（PCE）随着HSC宽度的增加而提高，但存在一个最佳点，超过这个宽度后效率会开始下降。

短路电流：三种情况下的JSC都接近42.5 mA cm-2，表明光生电流密度在不同设计间保持一致。

 

开路电压：使用纳米晶硅（nc-Si:H）HSC的电池展现出比非晶硅（a-Si:H）HSC的电池更高的VOC。将间隙宽度从80微米减少到20微米，进一步略微提高了使用nc-Si:H HSC的电池的VOC。

 

填充因子：使用nc-Si:H HSC的电池展现出比使用a-Si:H HSC的电池更高的FF。减少间隙宽度进一步提高了使用nc-Si:H HSC的电池的FF。功率转换效率：使用a-Si:H HSC的电池的PCE为27.01%。使用nc-Si:H HSC的电池的PCE为27.38%。将间隙宽度从80微米减少到20微米，将使用nc-Si:H HSC的电池的PCE提高到27.51%。通过创建高效硅异质结（SHJ）太阳能电池的数字孪生模型，评估了 SHJ - IBC太阳能电池的实际效率极限，SHJ - IBC 电池采用非晶 HSC 效率可达 27.01%，纳米晶 HSC 时可达 27.38%，将间隙宽度从80μm减至20μm可使效率提升至 27.51%。

美能晶化率测试仪

 

美能晶化率测试仪拥有极佳的紫外灵敏度和优异的光谱重复性。采用325激光器，同时优化紫外光路设计，提高光谱稳定性，高效率利用325激光与样品拉曼信号，实现了5nm以上非晶/微晶材料的原位测试，是表征"微晶一异质结"电池的最优选择。

• 行业最佳，紫外灵敏度硅一阶峰的信号计数优于1000 (1秒积分时间)
• 光谱重复性：单晶硅校准后，≤520±0.02cm-1
• 光栅刻线数：≤2400 gr/mm；≤1800 gr/mm

随着非晶/微晶材料在HBC太阳能电池中的关键作用日益凸显，美能晶化率测试仪以其卓越的紫外灵敏度和光谱重复性，成为了这一领域不可或缺的工具。该测试仪采用的325纳米激光器和优化的紫外光路设计，不仅提高了光谱稳定性，还实现了对5nm以上非晶/微晶材料的原位测试，为“微晶-异质结”电池的表征提供了强有力的技术支持。

原文出处：Evaluating the Practical Efficiency Limit of Silicon Heterojunction–Interdigitated Back Contact Solar Cells by Creating Digital Twins of Silicon Heterojunction Solar Cells with Amorphous Silicon and Nanocrystalline Silicon HoleContact Layers

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