隆基再发Nature：混合背接触硅太阳能电池实现27.81%效率

 

晶体硅太阳能电池作为可持续能源核心组件，量产效率已达26%，在光伏领域应用领先且光电转换效率优于化石燃料，但行业面临技术迭代快于产业投资、效率提升受填充因子制约的问题。填充因子与复合及电阻损失相关，却缺乏与内在因素的物理推导关联，现有模型和理想因子应用也存在局限。采用美能全光谱椭偏仪对薄膜厚度及寄生吸收行为进行精密表征，协同优化了钝化性能与光学损失之间的矛盾。

本文开发了混合交叉背接触太阳能电池（HIBC），通过结合全表面钝化技术与激光处理的隧穿接触，在保持高开路电压和短路电流的同时，显著提升了填充因子。该设计采用高低温整合工艺，实现了载流子复合的有效抑制和接触性能的优化，最终获得了27.81 %的认证效率（达理论极限95%）和87.55 %的填充因子（达理论极限98%）。本文建立的理想因子模型进一步阐明了载流子损失机制，为高效硅光伏技术的发展提供了新的实验基础和理论指引。

核心技术：载流子收集与全面钝化

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a 电池结构示意图；b 不同掺杂浓度n型接触的掺杂分布与复合电流；c,d 边缘钝化技术对高/低阻硅片效率与伪填充因子的提升效果；e 边缘钝化对电池边缘区域电流-电压特性的改善；f 激光处理区域的截面图与等效电路；g 冠军电池的电流-电压与功率-电压特性曲线

a在双侧对称钝化的样品上测得的有效寿命；b 从有效寿命测试中提取的复合前置因子J₀；c 两种前表面结构的反射率曲线；d光学常数（折射率与消光系数）测量

前表面与接触优化：在电池织构化的前表面，本文采用 AlOₓ / SiNₓ 叠层 进行钝化，实现了仅为 0.93 fA/cm² 的低复合电流密度，性能媲美氢化非晶硅且无寄生吸收。同时，本文将n型多晶硅层的磷掺杂浓度降低十倍，大幅减少了掺杂剂向硅片本体的扩散，将复合电流密度从4.02 fA/cm²成功降至冠军电池的0.89 fA/cm²。为了补偿因低掺杂导致的导电性下降，本文引入了氧化铟锡层来增强横向电流收集。

原位边缘钝化技术：本文开发了名为 IPET 的创新工艺，通过在制造过程中结合高低温步骤，实现了对电池边缘的原位钝化。该技术能显著提升“伪填充因子”，尤其在较高电阻率的硅片上效果更为明显，带来了最高0.55 %的绝对效率提升。模拟分析证实，未经钝化的边缘是强复合区域，会导致电池在较高电压下出现显著的电流损失。

电池结构与性能

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27.81%与27.63%效率电池的正面与背面视图

本文的 HIBC 电池结构集成了钝化隧穿接触与介质钝化层。其核心是一个类似齐纳二极管的 p-i-n 结。为了避免该结在运行中进入正向偏压，研究刻意保持了p型和n型端子之间的高电阻。为了平衡高电阻要求与有效的空穴收集，本文创新性地对p型非晶硅接触区域进行了激光处理，以局部提升其导电性。最终，冠军电池在166.10 cm²的全面积上实现了27.63 %的转换效率，其开路电压为746 mV，短路电流密度为42.71 mA/cm²，填充因子达到86.77 %。

激光诱导晶化：精准调控接触特性

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a 激光处理区域示意图（金字塔尖顶）；b 透射电镜确认非晶硅转变为纳米晶硅；c 模拟显示激光热效应集中于金字塔尖顶；d 载流子传输路径在激光处理后的变化；e 激光处理使接触电阻率降低一个数量级

为了在保证 p-i-n 结完美覆盖的同时，解决厚本征非晶硅层导致的高接触电阻问题，本文采用了532 nm纳秒脉冲激光对接触区域进行选择性处理。激光能量被优先吸收在金字塔尖顶的非晶硅层，使其局部转化为纳米晶硅。

这一转变带来了三大好处：

能带优化：纳米晶硅具有更小的带隙和价带偏移。

掺杂激活：高温过程促进了硼杂质的扩散与激活，使得本征层有效厚度减薄。

新导电通路：载流子不再垂直穿越整个叠层，而是先横向流向高导电的金字塔尖顶，再被收集。

最终，激光处理使p型接触的电阻率降低了一个数量级。当然，导电性的提升也伴随着钝化质量的轻微下降，这主要源于高温对硅-氢键的破坏。因此，需要在工艺中精细平衡激光参数与非晶硅层性质。

功率损耗分析

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功率损耗分布

通过对27.63 %效率的电池进行仿真量化，本文发现：

体复合是最大的复合损耗来源，占总复合损失的74 %，其中俄歇复合约占一半。

表面复合的损耗程度依然高于体区的缺陷复合，凸显了先进表面钝化的不可替代性。

总体而言，三分之二的损耗来自复合，另外三分之一来自载流子传输电阻。其中，p型接触的电阻损耗比n型高出50 %，是未来需要重点优化的方向。

填充因子与理想因子特性

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a 不同技术路线电池性能对比，背接触设计实现最高效率；b 接触性能对填充因子的影响：隧穿接触钝化优，扩散接触电阻低；c 不同复合机制下理想因子随载流子浓度的变化规律；d 电池局部理想因子特性，边缘处理可使其降至1以下；e 高效硅电池的五个关键特征示意图

电池的最终效率由开路电压、短路电流和填充因子共同决定。背接触设计的优势在于能同时优化光学和电学性能。本文的分析表明，在接触电阻率已经较低（ <100 mΩ·cm² ）时，进一步降低复合电流密度对提升填充因子的效果比继续降低电阻更为显著。

本文提出了一个明确的物理模型来解释理想因子：

在表面和接触区域，通过重掺杂或介质层电荷诱导，形成多数载流子富集区，使得理想因子在最大功率点附近趋近于1。

在电池体区，采用低掺杂、高寿命的硅片，使俄歇复合成为主导。而俄歇复合的理想因子趋近于2/3。

当电池边缘被物理覆盖或完美钝化时，其行为更接近体区，因此整体理想因子得以降至1以下，这正是本文实现超高填充因子的物理本质。

本研究通过在133.63 cm²的指定面积上实现27.81 %的效率和87.55 %的填充因子，证明了HIBC技术的巨大潜力。这项成果得益于激光诱导晶化、原位边缘钝化和优化表面处理等多项技术的集成。最终提炼出高效硅太阳能电池的五项共性特征：低掺杂、高寿命的硅片体区（理想因子~2/3）；多数载流子富集的浅表面层（理想因子~1）；具备钝化和减反功能的织构前表面；有效的边缘钝化。高性能的钝化隧穿接触。这五项特征共同构成了通向硅太阳能电池理论效率极限的技术蓝图。

美能全光谱椭偏仪

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全光谱椭偏仪拥有高灵敏度探测单元和光谱椭偏仪分析软件，专门用于测量和分析光伏领域中单层或多层纳米薄膜的层构参数（如厚度）和物理参数（如折射率n、消光系数k）

• 先进的旋转补偿器测量技术：无测量死角问题。
• 粗糙绒面纳米薄膜的高灵敏测量：先进的光能量增强技术，高信噪比的探测技术。
• 秒级的全光谱测量速度：全光谱测量典型5-10秒。
• 原子层量级的检测灵敏度：测量精度可达0.05nm。

通过美能全光谱椭偏仪精确解析薄膜的折射率（n）与消光系数（k），为优化表面钝化堆叠的光学性能、降低寄生吸收提供了定量依据，从而在保障优异表面钝化的同时，协同提升了器件的光电流输出，为实现27.81%的高效率奠定了关键的光学设计基础。

原文参考：Silicon solar cells with hybrid back contacts

 

 

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