26.34%！新一代双面TOPCon电池诞生，并推动钙钛矿/TOPCon叠层电池效率突破32.73%

隧道氧化层钝化接触（TOPCon）技术已经成为当前高效晶体硅太阳能电池的重要技术路线之一，并在产业化中快速发展。尽管TOPCon电池在规模化生产中已展现出较高效率，但其在器件结构方面仍存在进一步优化空间，特别是在前表面复合损失以及寄生光吸收方面。为进一步提升TOPCon电池效率，研究人员提出多种结构改进方案，其中包括双面TOPCon和指状局部接触结构。通过优化前后表面的钝化接触结构，可以降低界面复合并减少寄生吸收，从而提高电池的开路电压和光电转换效率。美能钙钛矿复合式MPPT测试仪采用AAA级LED太阳光模拟器作为老化光源，可通过多种方式对电池进行控温并控制电池所处的环境氛围，进行长期的稳定性能测试。

本文系统研究了多种TOPCon结构，包括传统TOPCon、双面TOPCon、指状TOPCon以及双面指状TOPCon结构，并通过器件仿真与实验验证相结合的方法，分析其效率潜力与损失机制。同时，在此基础上构建了高性能硅底电池，并进一步与钙钛矿顶电池集成，实现高效率钙钛矿/硅叠层太阳能电池。

不同TOPCon结构的效率潜力模拟

 

 

a. 四种TOPCon电池架构示意图；b. 计算得到的PCE极限和功率损失分析

研究通过Quokka 3软件模拟对比了四种TOPCon结构的理论效率潜力：

传统TOPCon结构（正面全覆盖硼发射极+背面全覆盖n型TOPCon）

双面TOPCon结构（正反两面全覆盖n型和p型TOPCon）

指状TOPCon结构（正面图案化n型TOPCon指+背面全覆盖p型TOPCon）

双面指状TOPCon结构（正反两面均为图案化TOPCon）

模拟结果显示，传统TOPCon的效率潜力最低，为26.75 %，主要受限来自正面p+发射极非接触区域的复合。双面TOPCon通过替换掉硼发射极，效率潜力提升至27.29 %，但正面全覆盖的多晶硅(n+)即使减薄到10纳米，仍存在明显的寄生吸收。指状TOPCon由于采用了图案化设计，大幅降低了正面寄生吸收，效率潜力达到最高的27.67 %。有趣的是，双面指状TOPCon反而因为空穴收集效率下降和体复合增加，效率潜力降至27.13 %。

从损耗分析来看，随着表面钝化的不断优化，电池的主要损耗机制正逐渐转向硅片的本征俄歇复合，这反映了当前钝化技术已接近材料物理极限。综合比较，指状TOPCon被认为是最具发展潜力的结构。

指状TOPCon电池的实验结果

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a. 指状TOPCon太阳能电池结构示意图。(b) 正面图案化SiOₓ/多晶硅(n⁺) 和 (c) 背面双层SiOₓ/多晶硅(p⁺) 钝化接触的SEM图像。指状TOPCon电池的认证 (d) I-V和P-V曲线及 (e)EQE曲线。f. 多年来FBC TOPCon电池的PCE evolution图。g. 指状TOPCon电池的功率和自由能损失分析。封装的单电池指状TOPCon组件在(h)加速DH测试、(i) LID测试和(j) LeTID测试下的稳定性

基于模拟指导，研究制备了工业尺寸（335.5平方厘米）的指状TOPCon电池。其核心结构是：正面绒面上通过紫外激光和碱刻蚀形成约210微米宽的图案化SiOx / 多晶硅(n+)指状电极，覆盖Al₂O₃ / SiNₓ多层钝化减反膜；背面抛光面上则是全覆盖的双层SiOx / 多晶硅(p+)钝化接触。

该电池获得了26.34 %的认证效率，关键参数为：开路电压743.2毫伏、填充因子85.0 %、短路电流密度41.69毫安/平方厘米。相比传统的激光掺杂选择性发射极TOPCon电池（25.4 %），指状TOPCon实现了24.1毫伏的电压增益和1.34个百分点的填充因子提升，这直接证实了正面复合得到有效抑制、载流子横向输运高效。

电流损失方面，0.55毫安/平方厘米的短路电流损失主要来自210微米宽的正面多晶硅指，与模拟预测的0.57毫安/平方厘米高度吻合。外量子效率曲线在短波（300-400纳米）和长波（1000-1200纳米）区域的下降也印证了这一损失来源。后续通过进一步窄化和减薄正面多晶硅指，有望进一步提升电流。

通过Quokka模拟进行损耗分析，结果显示正面区域的功率损耗极小（0.20毫瓦/平方厘米），证明了图案化设计和钝化叠层的有效性。第二大损耗来自背面双层p型TOPCon接触（0.52毫瓦/平方厘米），表明这是当前的主要性能瓶颈。最大损耗（0.77毫瓦/平方厘米）来自硅体区的载流子输运和复合，提示使用更高质量的硅片将是进一步提升效率的关键路径。

稳定性测试方面，封装的指状TOPCon组件表现优异：湿热测试（85°C/85%相对湿度）2000小时后效率衰减仅2.97%；光致衰减测试8个月后仍保持99.8 %的初始效率；高温诱导衰减测试324小时后效率损失小于1.5%。紫外稳定性也同样出色。

正面n型TOPCon的优化

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a. 圆滑金字塔的横截面SEM图像。 (b) 传统热场和(c)梯度热场下制备的多晶硅的俯视SEM图像。d. 梯度热场下制备的多晶硅的横截面SEM图像。e. 有和无梯度热场制备的多晶硅的拉曼光谱。f. 有和无梯度热场制备的SiOₓ/多晶硅(n⁺)钝化的绒面n型硅的注入水平依赖有效寿命。g. 电化学电容-电压法测量的磷掺杂浓度分布。h. SiOₓ/多晶硅(n⁺)钝化的绒面n型硅的J₀和iVoc随磷掺杂浓度的变化。i. 绒面n型硅上SiOₓ/多晶硅(n⁺)的ρc随磷掺杂浓度的变化

在正面绒面制备高质量的图案化n型TOPCon，关键在于三个方面的优化：绒面形貌、多晶硅结晶度和磷掺杂浓度。

传统碱制绒形成的尖锐金字塔，其峰谷处缺陷密度高、膜层沉积不均匀，且金属化时易受银浆腐蚀。研究引入了一种工业兼容的圆滑金字塔绒面处理工艺，显著降低了表面粗糙度，使SiOx/多晶硅(n+)沉积更均匀，同时有效防止了银浆腐蚀。重要的是，配合优化后的多层减反膜，圆滑化带来的反射损失几乎可以忽略。

针对多晶硅结晶度的提升，研究在低压化学气相沉积系统中开发了梯度热场技术。相比传统的单一热场，梯度热场大幅改善了炉管内温度均匀性，从而生长出晶粒更大、缺陷密度更低的多晶硅薄膜。拉曼光谱显示，梯度热场制备的多晶硅半高宽从11.9波数收窄至8.4波数，峰位向高波数移动表明内应力减小。相应地，样品的隐含开路电压从718毫伏提升到742毫伏，暗复合参数从10.1飞安/平方厘米降至1.0飞安/平方厘米。

磷掺杂浓度的优化则需要在钝化和接触性能之间取得平衡。通过调控扩散参数，研究实现了1.5×10²⁰到4.3×10²⁰/立方厘米的掺杂浓度变化。随着浓度从1.5×10²⁰增加到3.3×10²⁰/立方厘米，平均暗复合参数从7.2降至1.0飞安/平方厘米，隐含开路电压从726升至740毫伏。这归因于更高结晶度带来的掺杂效率提升，增强了场效应钝化。当浓度超过3.3×10²⁰后，暗复合参数反而上升，可能是缺陷生成或高温过程损伤了氧化硅界面层。接触电阻率则随掺杂浓度升高持续降低，在最佳浓度点达到0.61毫欧·平方厘米。综合优化后，正面非接触区域的总暗复合参数低至0.6飞安/平方厘米，为743.2毫伏的高开路电压奠定了基础。

背面p型TOPCon的工程化设计

 

a. 双层SiOₓ/多晶硅(p⁺)结构的HAADF和EDX元素分布图像。b. 热生长SiOₓ厚度对双层SiOₓ/多晶硅(p⁺)钝化的平面n型硅iVoc的影响。c. 有和无预退火处理的硼扩散多晶硅薄膜的拉曼光谱。双层SiOₓ/多晶硅(p⁺)钝化的平面n型硅iVoc随多晶硅(p⁺)(d)结晶度和(e)硼掺杂浓度的变化。f. 双层SiOₓ/多晶硅(p⁺)的ρc随银浆中碱金属氧化物含量的变化。g. 火接触后双层SiOₓ/多晶硅(p⁺)结构的横截面SEM图像

背面p型TOPCon的制备难度远高于n型，主要是硼原子容易在氧化硅层中富集，损伤界面钝化。研究设计了一种双层结构：SiOx / 多晶硅(p+) / SiOx / 多晶硅(p+)，核心是在两层多晶硅之间插入一层约1纳米厚的原位氧化SiOx中间层，用于抑制后续火过程中银结晶的穿刺。

系统优化表明，650°C原位热氧化生长的SiOx质量最佳，归因于其致密、近化学计量比的特性，能有效阻挡硼原子向界面扩散。SiOx厚度从1.4纳米增加到1.8纳米时，样品的隐含开路电压从733毫伏提升至745.4毫伏；超过2纳米后，因硼扩散减弱、场效应钝化下降，电压回落。

预退火处理对多晶硅结晶度的影响显著。1050°C预退火后，多晶硅结晶度大幅提升，且硼扩散后仍保持良好结晶性。相应地，样品隐含开路电压从698.9毫伏跃升至745.7毫伏，主要归因于高结晶度带来的掺杂效率提升，增强了场效应钝化。此外，高温预退火可能改善了氧化硅的化学计量并形成适度针孔，提供了额外的载流子传输路径，减轻硼对氧化硅的损伤。

硼掺杂浓度的优化同样呈现火山型曲线：从4×10¹⁹增至1×10²⁰/立方厘米时，隐含开路电压从725升至745.7毫伏；超过此浓度后，俄歇复合和硼相关缺陷导致性能下降。相比单层结构，双层结构由于能有效阻挡硼内扩散、减轻界面损伤，钝化性能显著提升：隐含开路电压从734提升至747毫伏，暗复合参数从6降至2.2飞安/平方厘米。

接触性能方面，研究开发了专用银浆。通过在玻璃粉中掺入碱金属氧化物，降低了熔点、改善了流动性，使接触电阻率逐步降低，在4%掺量时达到0.82毫欧·平方厘米。引入粗糙银粉后，进一步降至0.55毫欧·平方厘米。更关键的是，双层结构有效抑制了银结晶穿刺：扫描电镜图像显示，银结晶仅穿透外层多晶硅，被中间氧化硅层阻挡；而单层结构则观察到银大量穿透进入硅体。Quokka模拟估算背面接触暗复合参数仅5飞安/平方厘米，为高开路电压做出重要贡献。

钙钛矿/TOPCon叠层电池

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a. 钙钛矿/TOPCon叠层电池结构示意图。b. 认证的J-V曲线。冠军器件的 (c) 稳定功率输出和(d)EQE曲线。e. 钙钛矿/TOPCon叠层电池的PCE evolution图。f. 封装的叠层电池在室温、氮气氛围、连续光照下的长期MPP跟踪

叠层电池的效率受限于底电池的开路电压和短路电流。传统TOPCon底电池开路电压偏低，而平面结构因陷光差导致电流受限。研究采用双面TOPCon作为底电池——正面全覆盖n型TOPCon、背面双层p型TOPCon，该底电池本身已实现24%的效率，开路电压741.3毫伏，且正面为绒面结构有利于陷光。

基于此，研究制备了单片钙钛矿 / TOPCon叠层电池。冠军器件（1平方厘米）获得32.73 %的认证效率，迟滞可忽略，最大功率点跟踪稳定输出32.3 %。关键参数为：开路电压1.961伏、填充因子81.83 %、短路电流密度20.40毫安/平方厘米。

外量子效率测试显示钙钛矿顶电池贡献21.38毫安/平方厘米，TOPCon底电池贡献20.46毫安/平方厘米，与认证电流吻合。

从电压贡献来看，钙钛矿顶电池约贡献1.24伏，则底电池贡献0.72伏。1.961伏的总电压高于此前报道的钙钛矿 / TOPCon叠层，与钙钛矿/硅异质结叠层相当。32.73%的效率也超越了现有已发表结果。

但电流仍受限：光学模拟显示，底电池正面和背面多晶硅分别造成0.97和0.49毫安/平方厘米的寄生吸收损失，这是后续优化的重点。

稳定性方面，封装的叠层电池在连续光照、室温、氮气氛围下进行最大功率点MPP跟踪，2000小时后仍保持80 %的初始效率，展现出良好的运行稳定性。

本研究成功开发了指状TOPCon太阳能电池，通过正面图案化n型TOPCon指和背面全覆盖双层p型TOPCon的结构设计，实现了26.34 %的认证效率。743.2毫伏的开路电压和85.0 %的填充因子证实了优异的载流子选择性，湿热、光致衰减、高温诱导衰减测试均显示出色的可靠性。未来进一步提升的方向包括：继续窄化和减薄正面图案化n型TOPCon指以降低寄生吸收；背面采用局域减薄的p型TOPCon结构进一步降低复合损失。有望在量产中实现接近27%的效率。更重要的是，将双面TOPCon作为底电池，研究实现了32.73 %的认证效率的钙钛矿/TOPCon叠层电池，且具有良好的运行稳定性。这一技术路线与现有工业生产线高度兼容，为下一代高效光伏技术提供了可规模化的解决方案。

钙钛矿复合式MPPT测试仪

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美能钙钛矿复合式MPPT测试仪采用A+AA+级LED太阳光模拟器作为老化光源，以其先进的技术和多功能设计，为钙钛矿太阳能电池的研究提供了强有力的支持。

• 3A+光源，光源寿命10000h+，真实还原各场景实际光照条件

可选配恒温恒湿箱，满足IS0S标准

 

 

多型号电子负载可选，多通道独立运行

 

 

不同波段光谱输出可调：350-400nm/400-750nm/750-1150nm均独立可控

 

 

美能钙钛矿复合式MPPT测试仪主要应用于成品钙钛矿单结，叠层成品电池稳定性测试。由于钙钛矿电池的输出特性易受光照、温度等环境因素影响，其最大功率点会频繁波动。MPPT控制器通过实时追踪并锁定最大功率点，能确保系统始终以最优功率输出。这不仅能最大化发电量，还能提升整个光伏系统的工作稳定性和经济性。

原文参考：Bifacial tunnel oxide passivating contacts for silicon and perovskite/silicon tandem solar cells with improved efficiency

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