【前沿科技】高效太阳能电池获最新进展（多晶硅载流子选择钝化接触）

黄金小神兽 2017-11-16

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太长不看

· N型多晶硅钝化接触电池转换效率25.7%

· P型多晶硅钝化接触电池转换效率24%

· N型多晶硅钝化全背接触电池是一个很好的思路，但是p和n型区域必须有效分离。目前有23.7%的转换效率

（Richter Progress in Photovoltaics, 2017）

价值何在？

高效太阳能电池技术的关键是减少载流子的复合从而提高电池的开路减压。可以治疗的复合由体复合、表面复合和金属接触复合构成。体复合就是用更好的半导体材料或者用体钝化技术修复；表面符合需要表面钝化解决；接触复合的解决方案一般是接触钝化和减少接触面积。高效太阳能电池，特别是硅基太阳能电池的设计思路几乎都在这个框架之内——商业化最成功的高效电池技术PERC就是表面钝化和减少金属接触面积的结合体；最高效的载流子选择钝化接触（HIT+IBC，26.7%）是表面钝化和接触钝化的结合体；金属杂质吸附和氢钝化则属于体钝化技术范畴。

一般的局域接触方案因为有导电性和钝化效果的折中所以受限于较低的填充因子；载流子选择钝化接触技术则绕开了局域接触的这一矛盾可以直接实现全接触，因为“钝化接触”顾名思义，这层薄膜材料本身就具有钝化和接触的双重功能。要具有这双重功能，这层材料必须对少数载流子有极佳的钝化效果，而对多数载流子具有极佳的导电性，也就是所谓的“载流子选择性”。最广为人知的HIT是用非晶硅来实现的；澳洲国立大学开发了一系列的过渡金属氧化物载流子选择材料；而当今最红的载流子选择技术，则非德国夫琅禾费太阳能系统研究所的TOPCON莫属了。

TOPCON技术之前兔子也介绍过，它是由n或者p掺杂多晶硅加上氧化硅隧穿层构成。具体原理略有争议，但一般认为多晶硅提供场效应钝化，而氧化硅遂穿层提供化学钝化。

N型TOPCON

早期的TOPCON（2013, 2014年Feldman发表了一系列文章）几乎是想要对飙HIT，上下两层均采用多晶硅+隧穿氧化硅叠层，其中上层加上了ITO。可惜效果不甚理想，这个叠层的透光导电钝化性能比起HIT的非晶硅还是有相当的差距。于是夫琅禾费转而主攻全钝化接触背钝化层，对飙局域接触的PERC。2014年就取得了24.4%的效率技惊四座。今年2017更是达到了25.7%的惊人效率，无论是开路电压（725对706 mV）还是填充因子（83.3对82.8%）都超越了PERC。

（Richter, SOLMAT, 2017）

P型TOPCON

硼扩散是大家都讨厌的，如果还要进一步的做硼选择性发射极大家就更讨厌了，于是夫琅禾费一直都有做P型的线路。思路也很明确，用原来做N型电池背场的N型TOPCON来做P型电池的发射极。当然同样是因为不适合于放在前面的原因，P型发射极做在了背面。去掉硼扩散就意味着必须去掉正电场（FSF），技术上有这个可能性么？看样子是可能的，因为作为基极，多数载流子收集效率比发射极高得多，所以几乎不怎么需要覆盖整个正表面的FSF（PERL和PERT就是最好的类比）。Ritchter今年发表的没有FSF的P型电池也达到了23.9%的可观效率，比有FSF的24.3%低不了多少。如果再用激光掺杂等技术，取代硼扩散是还是很有希望的。

（Richter, Progress in Photovoltaics, 2017）

IBC的N型TOPCON

德国人的野心还是对飙HIT。HIT拥有IBC的加持就一下冲到了珠穆朗玛峰26.7%的效率，TOPCON加IBC会有什么效果，想想就流口水吧。然而事情当然没有这么简单，另一组德国人（Institute for Solar Energy Research Hamelin）在过去做了相当多的尝试，效果都不太理想。原因大致是当把N和P都放在背后的时候，结转型的位置（transition）会带来很大的麻烦。于是夫琅禾费又站出来把各种结转型设计拉通了比较一番，大体上理清了物理上的关键（Reichel, JAP, 2017）。（a）直接通过过量局域掺杂N的方式把完整的N变成PNPNPN的结构是行不通的，漏电流极大，并联电阻极小，最后的效率只有可怜的15%。（b）P和N中间留一个没有掺杂的i进行缓冲从而形成PiNPiNPiN的结构会好一点，并联电阻增大了，但是空间电荷区的复合还是非常大，最后的效率有18.4%。（c）如果直接把P和N用一个刻蚀的凹槽隔开，再填上钝化层Al2O3和SiOx，可以对P和N实现最好效果的分离，最后的效率也最高，达到23.7%。虽然距离想要的效率还差的比较远，但是至少指明了方向：用钝化和绝缘的材料把P和N隔开是必须的。