背接触(BC)电池内旁路二极管设计：兼顾高效与耐遮阴

局部遮阴是光伏组件在户外应用中常见的工况，会导致严重的功率损失和热斑损伤。现有外部解决方案（如旁路二极管、特殊互连等）在效果与成本之间难以兼顾，无法为每块电池提供独立保护。美能光伏即将带来全新的非接触式IV测试解决方案，助力电池提效迈上新台阶。

本文提出在太阳能电池内部集成具有反向导通功能的电池内旁路二极管。通过在背接触电池的p-n结附近引入空间均匀分布的“n型晶硅/电子传输层/空穴传输层”堆叠结构，实现了偏压依赖的开关特性，使电池在反向偏置下具备导通能力，且不影响光电转换效率。实验制备的组件在局部遮阴条件下表现出优异的热管理和功率输出稳定性。该设计兼具可靠性、成本效益和集成度，为下一代光伏技术提供了新思路。

实验方法：电池制备

电池制备在LONGI商业研发线上的背接触电池工艺平台上完成。采用半片M10 n型直拉单晶硅片（电阻率8~12 Ω·cm，厚度140 μm）作为衬底。电池正面进行制绒处理，并覆盖AlOₓ/SiNₓ叠层，以降低表面复合和光反射。

背面钝化接触结构如下：

空穴传输层：通过等离子体增强化学气相沉积依次沉积本征氢化非晶硅层和p型氢化非晶硅层。

电子传输层：通过热氧化制备隧穿氧化层，随后通过低压化学气相沉积沉积n型多晶硅层。

空穴传输层和电子传输层在背面通过激光图形化形成交叉指状图案。在图形化过程中，有意将空穴传输层沉积到与电子传输层部分重叠的区域，形成局部“n型晶硅/电子传输层/空穴传输层”堆叠结构。

随后通过磁控溅射沉积透明导电氧化物（以氧化铟锡为靶材），并在此步骤中有意将部分p区透明导电氧化物沉积在堆叠结构上，从而将堆叠结构从p-n结侧引入电池。最后，通过丝网印刷和烧结工艺制备银电极。

实验结果：电池性能

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用于耐遮阴组件的大阳能电池设计

通过调整透明导电氧化物的图形化模板，可以控制局部堆叠结构的引入比例。实验制备了三种样品：

e0：p区透明导电氧化物未覆盖堆叠结构（对照组）。

e1：引入较高比例的堆叠结构。

e2：引入较低比例的堆叠结构。

结果表明，引入局部堆叠结构的电池（e1、e2）表现出与外部并联旁路电池相当的反向导通行为。同时，e1和e2均保持高效率，与e0相比无显著效率损失。采用所提结构的太阳能电池获得了27.49 %的认证光电转换效率。

反向电流机制

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太阳能电池的工作机理

仿真分析显示，反向偏置下电流在电池中经历了“电子电流→空穴电流→电子电流”的依次转换过程。这一过程发生在“n型晶硅/电子传输层/空穴传输层”堆叠区域，通过两次带间隧穿实现。电子传输层/空穴传输层界面处的窄耗尽区形成了类似Esaki二极管的能带构型，使带间隧穿能够在较低反向偏置电压下发生。

反向电流可分为三种输运路径：

路径A：两次转换提前发生，电流通过透明导电氧化物横向输运。

路径B：电流通过晶硅衬底横向输运至堆叠区域边缘再发生转换。

路径C：电流通过衬底输运，中间借助空穴传输层诱导的反型层横向传导。

其中路径A最为理想，因为电流分布在堆叠区域上，不易产生局部过热。路径B和C的电流集中在间隙区域边缘，存在热斑风险。实验建议对边缘进行电绝缘处理，以确保反向电流主要通过堆叠结构输运。

正向偏置行为

 

正向偏置下，堆叠区域存在扩散电流和隧穿电流。扩散电流随电压增加而增加；隧穿电流源于反向导通通道，随正向偏置增加而逐渐关闭。只要在最大功率点电压处通过堆叠的电流不超过p-n结区的扩散电流，堆叠区域就不会降低电池效率。通过调制可以确保隧穿电流主要来自带间隧穿，同时抑制陷阱辅助隧穿，从而在不牺牲效率的前提下保持足够的反向导通能力。

组件级验证

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光伏组件的验证与比较

将所提电池制成的组件与基准组件（无工程化反向导通通道）进行对比。两种组件均由6个电池串组成（3串联-2并联），每串含24个半片电池。基准组件中每对并联电池串共用一个旁路二极管。

热斑测试：基准组件遮阴区域温度稳定在约190°C，而本工作组件稳定在约90°C。红外热成像显示基准组件热量更集中，电致发光中观察到多个永久性热损伤点，而本工作组件未出现。

小面积遮阴：基准组件功率输出随遮阴比例增加呈比例下降，单个电池完全遮阴导致功率损失近一半。本工作组件表现出显著改善的耐受性，功率输出仅有限下降。

大面积遮阴：在各种常见的大面积遮阴条件下（尤其是短边遮阴），本工作组件均表现出较低的工作温度。

本研究所提电池组成的光伏组件在局部遮阴下具有明显的热管理和功率输出稳定性优势。本文的设计原则、导通通道引入机制和调制策略，也可为其他钝化接触方案的背接触太阳能电池提供参考。电池内集成设计通过降低成本、提高可靠性以及实现系统级功能集成，展示了应用潜力。随着材料科学和制造技术的进步，这一方法有望成为未来光伏技术发展的重要方向。