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通讯作者：Armin Richter
通讯单位：德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所
晶体硅太阳能电池占据了光伏产业的主导地位。尽管指状交叉背接触(IBC)硅电池具有最高的效率，但双侧接触式（FBC）电池因更低的复杂性，成为工业生产的首选。德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所Armin Richter发现了省去用于提供横向载流子传输的前接触层是双侧接触式电池优异光电性能的关键，获得了26.0%的效率。与工业化标准电池的前侧p-n结相反，该电池在背表面以全域多晶硅钝化接触的形式产生了p-n结。详细的功率损失分析表明，该电池平衡了电子和空穴的输运损失以及普通的传输和重组损失。系统的模拟研究得出了未来超过26%效率硅太阳能电池的一些基本设计原则，并论证了这种背结式太阳能电池的潜力和优越性。
不同类型电池的性能
在过去，通过不同的电池设计（图1和2）已经实现了非常高的硅太阳能电池性能，这些电池可分为前结(FJ)或后结(BJ)的FBC电池和电极均在背面的IBC电池。
图1 几种硅太阳能电池的效率发展
在20世纪90年代，PERL电池实现了很大的效率提升，最高值达25%，在这种p型c-Si FJFBC电池中，非常小的局部接触电极由高质量的介电表面钝化（图2a）。尽管PERL电池具有出色的光学性能，但高的电学性能受到局部金属电极的复合限制，这是因为重掺杂会造成较差的钝化效果。
a-Si:H的硅异质结（SHJ）技术在正面和背面均具有全面积钝化接触，可防止金属电极处的局部复合损耗（图2b）。该技术获得了25.1％的FBC电池和26.7％的IBC电池（图2c）。SHJ电池具有非常高的电学性能（图1e）。然而，由于前表面上的全域a-Si:H层和横向电流传输所需的顶部的透明导电氧化物存在，FBC SHJ电池的光学性能很大程度上受到寄生吸收损失的限制。
如果将全域多晶硅钝化接触应用于前表面，也会造成类似的光学损耗。为了从全域钝化接触和透明的介电表面钝化中受益，作者开发了n型c-Si太阳能电池，其前表面具有硼扩散发射极，背面具有全域TOPCon （图2d）。TOPCon是掺杂多晶Si覆盖的超薄SiOx层，它具有高温耐受性，与标准丝网印刷金属化所需的掺杂扩散或烧制等工艺兼容。这些FJ电池效率高达25.8％，具有高的光学性能，但仍低于SHJ电池的电学性能，因为前侧发射极需要平衡复合和电流传输损失。
图2：不同硅太阳能电池的截面示意图
TOPCon BJ太阳能电池
为了在BJ电池上实现TOPCon技术，作者将n型Si FJ TOPCon (n-FJ)（图2d）应用在p型c-Si晶片上（图2e）。与n-FJ电池相反，在这种p型Si TOPCon BJ (p-BJ)器件中，背面的TOPCon作为全域接触的p-n结，使得发射极的横向电流传输失效。
n-FJ和p-BJ电池的光电参数汇总在图3中。p-BJ器件显示出非常高的VOC，高达732 mV，比n-FJ电池高5 mV以上，表明省略了前表面全区域硼扩散层的增益效果。1 Ω cm体电阻率的P-BJ电池[P-BJ(1)]填充因子为84.5％，比n-FJ器件高出1％的绝对值，证明了前表面的Al2O3和后表面的TOPCon具有很高的钝化效果，以及在c-Si体相内向局部前接触间具有足够高的空穴传导性。10 Ω cm p-BJ电池[P-BJ(10)]的FF比P-BJ(1)电池低2%的绝对值，表明电阻损耗非常严重。因此，p-BJ电池设计对c-Si体的空穴电导率敏感。1 Ω cm p-BJ电池的JSC最低（<42.1 mA cm–2），n-FJ电池和10 Ω cm p-BJ电池均显示约42.5 mA cm–2的值。总的来说，与10 Ω cm p-BJ电池（25.5％）和n-FJ电池（25.8％）相比，1 Ω cm p-BJ电池显示出最高的效率（26.0％）。1 Ω cm p-BJ电池的这种高效率为两面接触式硅太阳能电池的最高值之一，并且该电池的极高电学性能减小了与SHJ电池的差距（图1e）。
图3 所有制造太阳能电池的I–V参数
功率损耗分析（PLA）
为了更深入地了解这些电池设计中独特的电流传输和复合损耗，研究人员基于自由能量损耗分析（FELA）对所有电学和光学机制进行了系统的功率损耗分析（PLA ），图4c为最终的PLA以及最佳电池的模拟输出功率。
图4 最佳性能太阳能电池的PLA
关于光学损耗，p-BJ电池在正表面遮阳和反射上比n-FJ电池高〜0.3％损失，这是由非完美的ARC和金属栅格造成的。对于1 Ω cm p-BJ电池，非理想的正面损耗最高，这会造成低的JSC。由于背面的电池设计相同，所有电池的非理想背面损耗非常相似。
在电学损耗方面，c-Si体相复合损耗主要由俄歇复合构成，这在1 Ω cm p-BJ电池中最为明显。所有电池的表面复合损耗都由前表面决定，这对于1 Ω cm p-BJ电池最低，尤其是在非接触区域。10 Ω cm p-BJ电池在正面和TOPCon背面存在更高的损耗，这是由于在此电池上表面钝化质量略低。
由于暗周长、活性面积之外的硅晶片区域，所有电池都表现出相当可观的损耗，这对于10 Ω cm p-BJ电池最为明显，约为0.3％。如果通过增加太阳能电池的有效面积来消除这些边缘损耗，并且假设n-FJ电池具有更好的正面光学特性（更好的金属栅格和ARC），该模拟可预估1 Ω cm p-BJ电池的效率为26.6％。
最后作者从仿真模拟方面比较了不同的FJ和BJ电池，得出：BJ太阳能电池有潜力成为未来c-Si太阳能电池的最佳候选者，预计在未来的十年其效率可达27％的范围内。
Richter, A., Müller, R., Benick, J. et al. Design rules for high-efficiency both-sides-contacted silicon solar cells with balanced charge carrier transport and recombination losses. Nat Energy (2021). DOI:10.1038/s41560-021-00805-w
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