隧道氧化層鈍化接觸（TOPCon）技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前高效晶體硅太陽能電池的重要技術(shù)路線之一，并在產(chǎn)業(yè)化中快速發(fā)展。盡管TOPCon電池在規(guī)模化生產(chǎn)中已展現(xiàn)出較高效率，但其在器件結(jié)構(gòu)方面仍存在進(jìn)一步優(yōu)化空間，特別是在前表面復(fù)合損失以及寄生光吸收方面。為進(jìn)一步提升TOPCon電池效率，研究人員提出多種結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，其中包括雙面TOPCon和指狀局部接觸結(jié)構(gòu)。通過優(yōu)化前后表面的鈍化接觸結(jié)構(gòu)，可以降低界面復(fù)合并減少寄生吸收，從而提高電池的開路電壓和光電轉(zhuǎn)換效率。美能鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測試儀采用AAA級LED太陽光模擬器作為老化光源，可通過多種方式對電池進(jìn)行控溫并控制電池所處的環(huán)境氛圍，進(jìn)行長期的穩(wěn)定性能測試。

本文系統(tǒng)研究了多種TOPCon結(jié)構(gòu)，包括傳統(tǒng)TOPCon、雙面TOPCon、指狀TOPCon以及雙面指狀TOPCon結(jié)構(gòu)，并通過器件仿真與實驗驗證相結(jié)合的方法，分析其效率潛力與損失機(jī)制。同時，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了高性能硅底電池，并進(jìn)一步與鈣鈦礦頂電池集成，實現(xiàn)高效率鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池。

不同TOPCon結(jié)構(gòu)的效率潛力模擬

a. 四種TOPCon電池架構(gòu)示意圖；b. 計算得到的PCE極限和功率損失分析

研究通過Quokka 3軟件模擬對比了四種TOPCon結(jié)構(gòu)的理論效率潛力：

傳統(tǒng)TOPCon結(jié)構(gòu)（正面全覆蓋硼發(fā)射極+背面全覆蓋n型TOPCon）

雙面TOPCon結(jié)構(gòu)（正反兩面全覆蓋n型和p型TOPCon）

指狀TOPCon結(jié)構(gòu)（正面圖案化n型TOPCon指+背面全覆蓋p型TOPCon）

雙面指狀TOPCon結(jié)構(gòu)（正反兩面均為圖案化TOPCon）

模擬結(jié)果顯示，傳統(tǒng)TOPCon的效率潛力最低，為26.75 %，主要受限來自正面p+發(fā)射極非接觸區(qū)域的復(fù)合。雙面TOPCon通過替換掉硼發(fā)射極，效率潛力提升至27.29 %，但正面全覆蓋的多晶硅(n+)即使減薄到10納米，仍存在明顯的寄生吸收。指狀TOPCon由于采用了圖案化設(shè)計，大幅降低了正面寄生吸收，效率潛力達(dá)到最高的27.67 %。有趣的是，雙面指狀TOPCon反而因為空穴收集效率下降和體復(fù)合增加，效率潛力降至27.13 %。

從損耗分析來看，隨著表面鈍化的不斷優(yōu)化，電池的主要損耗機(jī)制正逐漸轉(zhuǎn)向硅片的本征俄歇復(fù)合，這反映了當(dāng)前鈍化技術(shù)已接近材料物理極限。綜合比較，指狀TOPCon被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ慕Y(jié)構(gòu)。

指狀TOPCon電池的實驗結(jié)果

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a. 指狀TOPCon太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖。(b) 正面圖案化SiO?/多晶硅(n?) 和 (c) 背面雙層SiO?/多晶硅(p?) 鈍化接觸的SEM圖像。指狀TOPCon電池的認(rèn)證 (d) I-V和P-V曲線及 (e)EQE曲線。f. 多年來FBC TOPCon電池的PCE evolution圖。g. 指狀TOPCon電池的功率和自由能損失分析。封裝的單電池指狀TOPCon組件在(h)加速DH測試、(i) LID測試和(j) LeTID測試下的穩(wěn)定性

基于模擬指導(dǎo)，研究制備了工業(yè)尺寸（335.5平方厘米）的指狀TOPCon電池。其核心結(jié)構(gòu)是：正面絨面上通過紫外激光和堿刻蝕形成約210微米寬的圖案化SiOx/多晶硅(n+)指狀電極，覆蓋Al?O?/SiN?多層鈍化減反膜；背面拋光面上則是全覆蓋的雙層SiOx/多晶硅(p+)鈍化接觸。

該電池獲得了26.34 %的認(rèn)證效率，關(guān)鍵參數(shù)為：開路電壓743.2毫伏、填充因子85.0 %、短路電流密度41.69毫安/平方厘米。相比傳統(tǒng)的激光摻雜選擇性發(fā)射極TOPCon電池（25.4 %），指狀TOPCon實現(xiàn)了24.1毫伏的電壓增益和1.34個百分點的填充因子提升，這直接證實了正面復(fù)合得到有效抑制、載流子橫向輸運高效。

電流損失方面，0.55毫安/平方厘米的短路電流損失主要來自210微米寬的正面多晶硅指，與模擬預(yù)測的0.57毫安/平方厘米高度吻合。外量子效率曲線在短波（300-400納米）和長波（1000-1200納米）區(qū)域的下降也印證了這一損失來源。后續(xù)通過進(jìn)一步窄化和減薄正面多晶硅指，有望進(jìn)一步提升電流。

通過Quokka模擬進(jìn)行損耗分析，結(jié)果顯示正面區(qū)域的功率損耗極小（0.20毫瓦/平方厘米），證明了圖案化設(shè)計和鈍化疊層的有效性。第二大損耗來自背面雙層p型TOPCon接觸（0.52毫瓦/平方厘米），表明這是當(dāng)前的主要性能瓶頸。最大損耗（0.77毫瓦/平方厘米）來自硅體區(qū)的載流子輸運和復(fù)合，提示使用更高質(zhì)量的硅片將是進(jìn)一步提升效率的關(guān)鍵路徑。

穩(wěn)定性測試方面，封裝的指狀TOPCon組件表現(xiàn)優(yōu)異：濕熱測試（85°C/85%相對濕度）2000小時后效率衰減僅2.97%；光致衰減測試8個月后仍保持99.8 %的初始效率；高溫誘導(dǎo)衰減測試324小時后效率損失小于1.5%。紫外穩(wěn)定性也同樣出色。

正面n型TOPCon的優(yōu)化

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a. 圓滑金字塔的橫截面SEM圖像。 (b) 傳統(tǒng)熱場和(c)梯度熱場下制備的多晶硅的俯視SEM圖像。d. 梯度熱場下制備的多晶硅的橫截面SEM圖像。e. 有和無梯度熱場制備的多晶硅的拉曼光譜。f. 有和無梯度熱場制備的SiO?/多晶硅(n?)鈍化的絨面n型硅的注入水平依賴有效壽命。g. 電化學(xué)電容-電壓法測量的磷摻雜濃度分布。h. SiO?/多晶硅(n?)鈍化的絨面n型硅的J?和iVoc隨磷摻雜濃度的變化。i. 絨面n型硅上SiO?/多晶硅(n?)的ρc隨磷摻雜濃度的變化

在正面絨面制備高質(zhì)量的圖案化n型TOPCon，關(guān)鍵在于三個方面的優(yōu)化：絨面形貌、多晶硅結(jié)晶度和磷摻雜濃度。

傳統(tǒng)堿制絨形成的尖銳金字塔，其峰谷處缺陷密度高、膜層沉積不均勻，且金屬化時易受銀漿腐蝕。研究引入了一種工業(yè)兼容的圓滑金字塔絨面處理工藝，顯著降低了表面粗糙度，使SiOx/多晶硅(n+)沉積更均勻，同時有效防止了銀漿腐蝕。重要的是，配合優(yōu)化后的多層減反膜，圓滑化帶來的反射損失幾乎可以忽略。

針對多晶硅結(jié)晶度的提升，研究在低壓化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中開發(fā)了梯度熱場技術(shù)。相比傳統(tǒng)的單一熱場，梯度熱場大幅改善了爐管內(nèi)溫度均勻性，從而生長出晶粒更大、缺陷密度更低的多晶硅薄膜。拉曼光譜顯示，梯度熱場制備的多晶硅半高寬從11.9波數(shù)收窄至8.4波數(shù)，峰位向高波數(shù)移動表明內(nèi)應(yīng)力減小。相應(yīng)地，樣品的隱含開路電壓從718毫伏提升到742毫伏，暗復(fù)合參數(shù)從10.1飛安/平方厘米降至1.0飛安/平方厘米。

磷摻雜濃度的優(yōu)化則需要在鈍化和接觸性能之間取得平衡。通過調(diào)控擴(kuò)散參數(shù)，研究實現(xiàn)了1.5×102?到4.3×102?/立方厘米的摻雜濃度變化。隨著濃度從1.5×102?增加到3.3×102?/立方厘米，平均暗復(fù)合參數(shù)從7.2降至1.0飛安/平方厘米，隱含開路電壓從726升至740毫伏。這歸因于更高結(jié)晶度帶來的摻雜效率提升，增強(qiáng)了場效應(yīng)鈍化。當(dāng)濃度超過3.3×102?后，暗復(fù)合參數(shù)反而上升，可能是缺陷生成或高溫過程損傷了氧化硅界面層。接觸電阻率則隨摻雜濃度升高持續(xù)降低，在最佳濃度點達(dá)到0.61毫歐·平方厘米。綜合優(yōu)化后，正面非接觸區(qū)域的總暗復(fù)合參數(shù)低至0.6飛安/平方厘米，為743.2毫伏的高開路電壓奠定了基礎(chǔ)。

背面p型TOPCon的工程化設(shè)計

a. 雙層SiO?/多晶硅(p?)結(jié)構(gòu)的HAADF和EDX元素分布圖像。b. 熱生長SiO?厚度對雙層SiO?/多晶硅(p?)鈍化的平面n型硅iVoc的影響。c. 有和無預(yù)退火處理的硼擴(kuò)散多晶硅薄膜的拉曼光譜。雙層SiO?/多晶硅(p?)鈍化的平面n型硅iVoc隨多晶硅(p?)(d)結(jié)晶度和(e)硼摻雜濃度的變化。f. 雙層SiO?/多晶硅(p?)的ρc隨銀漿中堿金屬氧化物含量的變化。g. 火接觸后雙層SiO?/多晶硅(p?)結(jié)構(gòu)的橫截面SEM圖像

背面p型TOPCon的制備難度遠(yuǎn)高于n型，主要是硼原子容易在氧化硅層中富集，損傷界面鈍化。研究設(shè)計了一種雙層結(jié)構(gòu)：SiOx / 多晶硅(p+) / SiOx / 多晶硅(p+)，核心是在兩層多晶硅之間插入一層約1納米厚的原位氧化SiOx中間層，用于抑制后續(xù)火過程中銀結(jié)晶的穿刺。

系統(tǒng)優(yōu)化表明，650°C原位熱氧化生長的SiOx質(zhì)量最佳，歸因于其致密、近化學(xué)計量比的特性，能有效阻擋硼原子向界面擴(kuò)散。SiOx厚度從1.4納米增加到1.8納米時，樣品的隱含開路電壓從733毫伏提升至745.4毫伏；超過2納米后，因硼擴(kuò)散減弱、場效應(yīng)鈍化下降，電壓回落。

預(yù)退火處理對多晶硅結(jié)晶度的影響顯著。1050°C預(yù)退火后，多晶硅結(jié)晶度大幅提升，且硼擴(kuò)散后仍保持良好結(jié)晶性。相應(yīng)地，樣品隱含開路電壓從698.9毫伏躍升至745.7毫伏，主要歸因于高結(jié)晶度帶來的摻雜效率提升，增強(qiáng)了場效應(yīng)鈍化。此外，高溫預(yù)退火可能改善了氧化硅的化學(xué)計量并形成適度針孔，提供了額外的載流子傳輸路徑，減輕硼對氧化硅的損傷。

硼摻雜濃度的優(yōu)化同樣呈現(xiàn)火山型曲線：從4×101?增至1×102?/立方厘米時，隱含開路電壓從725升至745.7毫伏；超過此濃度后，俄歇復(fù)合和硼相關(guān)缺陷導(dǎo)致性能下降。相比單層結(jié)構(gòu)，雙層結(jié)構(gòu)由于能有效阻擋硼內(nèi)擴(kuò)散、減輕界面損傷，鈍化性能顯著提升：隱含開路電壓從734提升至747毫伏，暗復(fù)合參數(shù)從6降至2.2飛安/平方厘米。

接觸性能方面，研究開發(fā)了專用銀漿。通過在玻璃粉中摻入堿金屬氧化物，降低了熔點、改善了流動性，使接觸電阻率逐步降低，在4%摻量時達(dá)到0.82毫歐·平方厘米。引入粗糙銀粉后，進(jìn)一步降至0.55毫歐·平方厘米。更關(guān)鍵的是，雙層結(jié)構(gòu)有效抑制了銀結(jié)晶穿刺：掃描電鏡圖像顯示，銀結(jié)晶僅穿透外層多晶硅，被中間氧化硅層阻擋；而單層結(jié)構(gòu)則觀察到銀大量穿透進(jìn)入硅體。Quokka模擬估算背面接觸暗復(fù)合參數(shù)僅5飛安/平方厘米，為高開路電壓做出重要貢獻(xiàn)。

鈣鈦礦/TOPCon疊層電池

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a. 鈣鈦礦/TOPCon疊層電池結(jié)構(gòu)示意圖。b. 認(rèn)證的J-V曲線。冠軍器件的 (c) 穩(wěn)定功率輸出和(d)EQE曲線。e. 鈣鈦礦/TOPCon疊層電池的PCE evolution圖。f. 封裝的疊層電池在室溫、氮氣氛圍、連續(xù)光照下的長期MPP跟蹤

疊層電池的效率受限于底電池的開路電壓和短路電流。傳統(tǒng)TOPCon底電池開路電壓偏低，而平面結(jié)構(gòu)因陷光差導(dǎo)致電流受限。研究采用雙面TOPCon作為底電池——正面全覆蓋n型TOPCon、背面雙層p型TOPCon，該底電池本身已實現(xiàn)24%的效率，開路電壓741.3毫伏，且正面為絨面結(jié)構(gòu)有利于陷光。

基于此，研究制備了單片鈣鈦礦 / TOPCon疊層電池。冠軍器件（1平方厘米）獲得32.73 %的認(rèn)證效率，遲滯可忽略，最大功率點跟蹤穩(wěn)定輸出32.3 %。關(guān)鍵參數(shù)為：開路電壓1.961伏、填充因子81.83 %、短路電流密度20.40毫安/平方厘米。

外量子效率測試顯示鈣鈦礦頂電池貢獻(xiàn)21.38毫安/平方厘米，TOPCon底電池貢獻(xiàn)20.46毫安/平方厘米，與認(rèn)證電流吻合。

從電壓貢獻(xiàn)來看，鈣鈦礦頂電池約貢獻(xiàn)1.24伏，則底電池貢獻(xiàn)0.72伏。1.961伏的總電壓高于此前報道的鈣鈦礦 / TOPCon疊層，與鈣鈦礦/硅異質(zhì)結(jié)疊層相當(dāng)。32.73%的效率也超越了現(xiàn)有已發(fā)表結(jié)果。

但電流仍受限：光學(xué)模擬顯示，底電池正面和背面多晶硅分別造成0.97和0.49毫安/平方厘米的寄生吸收損失，這是后續(xù)優(yōu)化的重點。

穩(wěn)定性方面，封裝的疊層電池在連續(xù)光照、室溫、氮氣氛圍下進(jìn)行最大功率點MPP跟蹤，2000小時后仍保持80 %的初始效率，展現(xiàn)出良好的運行穩(wěn)定性。

本研究成功開發(fā)了指狀TOPCon太陽能電池，通過正面圖案化n型TOPCon指和背面全覆蓋雙層p型TOPCon的結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了26.34 %的認(rèn)證效率。743.2毫伏的開路電壓和85.0 %的填充因子證實了優(yōu)異的載流子選擇性，濕熱、光致衰減、高溫誘導(dǎo)衰減測試均顯示出色的可靠性。未來進(jìn)一步提升的方向包括：繼續(xù)窄化和減薄正面圖案化n型TOPCon指以降低寄生吸收；背面采用局域減薄的p型TOPCon結(jié)構(gòu)進(jìn)一步降低復(fù)合損失。有望在量產(chǎn)中實現(xiàn)接近27%的效率。更重要的是，將雙面TOPCon作為底電池，研究實現(xiàn)了32.73 %的認(rèn)證效率的鈣鈦礦/TOPCon疊層電池，且具有良好的運行穩(wěn)定性。這一技術(shù)路線與現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)線高度兼容，為下一代高效光伏技術(shù)提供了可規(guī)模化的解決方案。

鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測試儀

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美能鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測試儀采用A+AA+級LED太陽光模擬器作為老化光源，以其先進(jìn)的技術(shù)和多功能設(shè)計，為鈣鈦礦太陽能電池的研究提供了強(qiáng)有力的支持。

• 3A+光源，光源壽命10000h+，真實還原各場景實際光照條件

可選配恒溫恒濕箱，滿足IS0S標(biāo)準(zhǔn)

多型號電子負(fù)載可選，多通道獨立運行

不同波段光譜輸出可調(diào)：350-400nm/400-750nm/750-1150nm均獨立可控

美能鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測試儀主要應(yīng)用于成品鈣鈦礦單結(jié)，疊層成品電池穩(wěn)定性測試。由于鈣鈦礦電池的輸出特性易受光照、溫度等環(huán)境因素影響，其最大功率點會頻繁波動。MPPT控制器通過實時追蹤并鎖定最大功率點，能確保系統(tǒng)始終以最優(yōu)功率輸出。這不僅能最大化發(fā)電量，還能提升整個光伏系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

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

*特別聲明：「美能光伏」公眾號所發(fā)布的原創(chuàng)及轉(zhuǎn)載文章，僅用于學(xué)術(shù)分享和傳遞光伏行業(yè)相關(guān)信息。未經(jīng)授權(quán)，不得抄襲、篡改、引用、轉(zhuǎn)載等侵犯本公眾號相關(guān)權(quán)益的行為。內(nèi)容僅供參考，若有侵權(quán)，請及時聯(lián)系我司進(jìn)行刪除。