基于双面TOPCon底电池的全绒面钙钛矿/硅叠层太阳能电池实现30.6%转换效率

 

在钙钛矿/硅叠层太阳能电池研究中，硅异质结底电池目前占据主导地位并创造了最高效率纪录。然而，面向规模化生产的未来，隧穿氧化物钝化接触技术预计将成为市场主流，但其主流工业结构（正面扩散发射极+背面平面TOPCon）应用于叠层电池时需进行工艺调整。目前，一种更具集成潜力的双面TOPCon结构应运而生，但绝大多数研究集中于平面正面，未能与光伏产业中广泛采用的微米级随机金字塔绒面结构相兼容，这限制了其产业应用前景。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。

为解决这一问题，本研究系统探索了双面TOPCon²底电池在全绒面叠层器件中的应用，通过采用与绒面结构兼容的混合沉积工艺制备钙钛矿顶电池，并对比了不同设计方案的性能。研究证实，该方案能够实现与硅异质结底电池相当的电压水平，并首次在工业标准绒面TOPCon²底电池上实现了超过30%的转换效率，为叠层电池技术与产业主流硅电池技术的融合提供了有效路径。

核心实验方法概要

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SHJ底电池：p型FZ硅片，双面碱法制绒，PECVD沉积a-Si:H(i/p)与a-Si:H(i/n)叠层，溅射ITO，蒸镀金属栅线。

TOPCon²底电池：类似绒面硅片，热生长界面氧化层，PECVD沉积原位掺杂a-Si层，高温退火形成多晶硅TOPCon接触，根据设计进行氢化（SiNx或SiNx / AlOx退火）与背面金属化。

钙钛矿顶电池：采用混合沉积法。先沉积自组装单分子层空穴传输层，再依次热蒸发PbI₂/CsI无机支架、旋涂FAI/FABr有机盐溶液并退火结晶，随后沉积C₆₀电子传输层、SnOₓ缓冲层、ITO透明电极及金属栅线，最后蒸镀MgF₂减反层。

表征技术：包括标准电流-电压测试、光谱响应/反射率测量、光致发光PL成像、锁相热成像、以及Suns-Voc等先进诊断技术。

TOPCon²底电池的设计、制备与表征

 

本研究制备了四种TOPCon²底电池变体（基于p型 / n型硅片，搭配绒面 / 平面p-TOPCon背面），并以标准硅异质结底电池作为参照。

TOPCon层采用原位掺杂PECVD工艺沉积，并通过共退火形成。电池正面均采用标准随机金字塔绒面，背面形貌与金属化方案根据设计调整。

关键工艺步骤后（如氢化、ITO溅射及退火修复），通过光致发光成像监测隐含开路电压的变化。

(a) 具有绒面背面的TOPCon²底电池单结电池结构(b)具有平面背面的TOPCon²底电池单结电池结构(c)作为参考的硅异质结底电池(d)在n型衬底上制备的双面绒面TOPCon²单结太阳能电池的锁相热成像测量图(e)与(f)分别展示了在氢化、ITO 溅射以及溅射损伤修复等工艺步骤后，具有绒面背面和平面背面的 TOPCon² 底电池的隐含开路电压数据（根据经过寿命校准的光致发光图像计算得出）(g)显示了根据在不同光照强度下测得的开路电压图像计算出的底电池伪填充因子(h)显示了在单结太阳能电池上测得的相应并联电阻率

结果表明，双面绒面结构在ITO溅射后出现钝化损伤，但可通过低温退火有效恢复。最终，平面背面TOPCon²电池在n型硅片上隐含开路电压超过730 mV，与硅异质结电池相当；而绒面背面结构因p-TOPCon在绒面上的钝化质量稍逊，隐含开路电压略低。

电学测试发现，TOPCon²电池的并联电阻普遍低于硅异质结电池，其主要原因被归因于TOPCon层处理过程中可能引入的局部微短路点。

锁相热成像技术直观地揭示了这些缺陷的位置。值得注意的是，此问题被视为特定工艺条件下的优化挑战，并不构成TOPCon²技术的根本限制。

叠层电池集成与性能对比分析

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(a)硅异质结叠层太阳能电池和(c)TOPCon²叠层太阳能电池的电池结构设计，以及(b)在硅异质结欧姆硅衬底和(d)TOPCon²欧姆硅衬底上的钙钛矿单结太阳能电池结构

选取性能最优的p型基材平面p-TOPCon背面电池进行叠层集成。采用混合沉积工艺（先蒸镀无机支架，再溶液渗透有机组分并退火）在绒面上制备钙钛矿顶电池，以确保良好的覆盖性。

为全面评估，同时制备了硅异质结基叠层电池、以及分别生长在两种底电池欧姆衬底上的钙钛矿单结电池作为参照。

两种叠层太阳能电池（上图）以及在欧姆硅异质结与 TOPCon 硅衬底上的钙钛矿单结太阳能电池的电流-电压参数图。每个图的纵坐标最小值被设定为各自最大值的 88%，以便直接比较各电流-电压参数及其对电池效率的影响

 (a)反射率与(b)外量子效率测量结果的对比，以深入分析两种叠层太阳能电池的光学性能

电性能测试显示，两种叠层电池的开路电压（~1920 mV）与短路电流（~19.7 mA/cm²）水平相当，冠军TOPCon²基叠层电池效率达30.6%。钙钛矿单结电池的电流输出更高，证实叠层电池的电流受限于硅底电池。

光学测量（反射谱与量子效率谱）表明，两者在短波区的光学行为高度一致，长波区（>1000 nm）的微小差异主要源于背面金属结构与光陷阱效果的细微不同。

对各组中性能最佳的叠层太阳能电池进行的隐含开路电压分析，包含通过子电池选择性光照光致发光测量确定的底电池与顶太阳能电池的隐含开路电压图像 (a)-(d)。(e)中绘制了开路电压、两个子电池的空间平均隐含开路电压，以及定义为开路电压与隐含开路电压之和之间差值的“选择性损失”

在(a) 硅异质结叠层电池和(b) TOPCon²叠层电池上进行的填充因子损失分析(c)和(d)分别展示了从硅异质结叠层电池和TOPCon²叠层电池提取的Suns-PL隐含填充因子、Suns-Voc 伪填充因子以及电流-电压测量的填充因子(e)和(f)分别显示了硅异质结叠层电池和 TOPCon²叠层电池的空间分辨隐含填充因子图像

通过先进的光致发光成像技术对损失机制进行剖析：TOPCon²底电池的隐含开路电压较硅异质结底电池低约10 mV，但钙钛矿顶电池在两种衬底上性能相同。叠层电池的“选择性损失”仅为10 mV，属于次要损失通道。

填充因子损失分析进一步揭示，两种叠层电池都具有超过84%的高隐含填充因子潜力，实际填充因子下降主要归因于钙钛矿顶电池的串联电阻，且两者程度相近。

本工作成功将具有工业标准绒面的TOPCon²底电池集成至全绒面钙钛矿/硅叠层电池中，并实现了超过30%的效率，证明了该技术路线的可行性。系统性的对比研究表明，基于TOPCon与基于硅异质结的叠层电池在效率潜力与损失机制上并无根本区别，钙钛矿顶电池的性能不受底层硅电池技术类型的影响。当前TOPCon²电池面临的局部短路问题属于工艺优化范畴，可通过后续工程改进解决。未来，研究工作将聚焦于将此项技术移植至成本更低的工业级直拉硅片上，并进一步优化TOPCon界面与钙钛矿沉积工艺，推动高效钙钛矿/硅叠层电池的产业化进程。

美能大平台钙钛矿电池PL测试仪

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大平台钙钛矿电池PL测试仪通过非接触、高精度、实时反馈等特性，系统性解决了太阳能电池生产中的速度、良率、成本、工艺优化与稳定性等核心痛点，并且结合AI深度学习，实现全自动缺陷识别与工艺反馈。

PL高精度成像：采用线扫激光，成像精度＜75um/pix（成像精度可定制）

支持 16bit 颜色灰度：同时清晰呈现高亮区域（如无缺陷区）与低亮区域（如缺陷暗斑）

高速在线PL检测缺陷：检测速度 ≤ 2s，漏检率 < 0.1%；误判率 < 0.3%

AI缺陷识别分类训练：实现全自动缺陷识别与工艺反馈

美能大平台钙钛矿电池PL测试仪采用无接触式测试方式，可实时监测钙钛矿电池各工艺段中的薄膜质量异常，精准定位单结及叠层电池中的缺陷分布。

 

 

原文参考：Fully-Textured Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells Exceeding 30% Efficiency on Both Side Tunnel Oxide Passivating Contacted Bottom Cells

 

 

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