晶體硅太陽能電池占據(jù)了光伏產(chǎn)業(yè)的主導地位。盡管指狀交叉背接觸(IBC)硅電池具有最高的效率，但雙側接觸式（FBC）電池因更低的復雜性，成為工業(yè)生產(chǎn)的首選。德國弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所Armin Richter發(fā)現(xiàn)了省去用于提供橫向載流子傳輸?shù)那敖佑|層是雙側接觸式電池優(yōu)異光電性能的關鍵，獲得了26.0%的效率。
與工業(yè)化標準電池的前側p-n結相反，該電池在背表面以全域多晶硅鈍化接觸的形式產(chǎn)生了p-n結。詳細的功率損失分析表明，該電池平衡了電子和空穴的輸運損失以及普通的傳輸和重組損失。系統(tǒng)的模擬研究得出了未來超過26%效率硅太陽能電池的一些基本設計原則，并論證了這種背結式太陽能電池的潛力和優(yōu)越性。
不同類型電池的性能
在過去，通過不同的電池設計（圖1和2）已經(jīng)實現(xiàn)了非常高的硅太陽能電池性能，這些電池可分為前結(FJ)或后結(BJ)的FBC電池和電極均在背面的IBC電池。
在20世紀90年代，PERL電池實現(xiàn)了很大的效率提升，最高值達25%，在這種p型c-Si FJFBC電池中，非常小的局部接觸電極由高質(zhì)量的介電表面鈍化（圖2a）。盡管PERL電池具有出色的光學性能，但高的電學性能受到局部金屬電極的復合限制，這是因為重摻雜會造成較差的鈍化效果。
a-Si:H的硅異質(zhì)結（SHJ）技術在正面和背面均具有全面積鈍化接觸，可防止金屬電極處的局部復合損耗（圖2b）。該技術獲得了25.1％的FBC電池和26.7％的IBC電池（圖2c）。SHJ電池具有非常高的電學性能（圖1e）。然而，由于前表面上的全域a-Si:H層和橫向電流傳輸所需的頂部的透明導電氧化物存在，F(xiàn)BC SHJ電池的光學性能很大程度上受到寄生吸收損失的限制。
如果將全域多晶硅鈍化接觸應用于前表面，也會造成類似的光學損耗。為了從全域鈍化接觸和透明的介電表面鈍化中受益，作者開發(fā)了n型c-Si太陽能電池，其前表面具有硼擴散發(fā)射極，背面具有全域TOPCon （圖2d）。TOPCon是摻雜多晶Si覆蓋的超薄SiOx層，它具有高溫耐受性，與標準絲網(wǎng)印刷金屬化所需的摻雜擴散或燒制等工藝兼容。這些FJ電池效率高達25.8％，具有高的光學性能，但仍低于SHJ電池的電學性能，因為前側發(fā)射極需要平衡復合和電流傳輸損失。
TOPCon BJ太陽電池
為了在BJ電池上實現(xiàn)TOPCon技術，作者將n型Si FJ TOPCon (n-FJ)（圖2d）應用在p型c-Si晶片上（圖2e）。與n-FJ電池相反，在這種p型Si TOPCon BJ (p-BJ)器件中，背面的TOPCon作為全域接觸的p-n結，使得發(fā)射極的橫向電流傳輸失效。
n-FJ和p-BJ電池的光電參數(shù)匯總在圖3中。p-BJ器件顯示出非常高的VOC，高達732 mV，比n-FJ電池高5 mV以上，表明省略了前表面全區(qū)域硼擴散層的增益效果。1 Ω cm體電阻率的P-BJ電池[P-BJ(1)]填充因子為84.5％，比n-FJ器件高出1％的絕對值，證明了前表面的Al2O3和后表面的TOPCon具有很高的鈍化效果，以及在c-Si體相內(nèi)向局部前接觸間具有足夠高的空穴傳導性。10 Ω cm p-BJ電池[P-BJ(10)]的FF比P-BJ(1)電池低2%的絕對值，表明電阻損耗非常嚴重。
因此，p-BJ電池設計對c-Si體的空穴電導率敏感。1 Ω cm p-BJ電池的JSC最低（<42.1 mA cm–2），n-FJ電池和10 Ω cm p-BJ電池均顯示約42.5 mA cm–2的值?？偟膩碚f，與10 Ω cm p-BJ電池（25.5％）和n-FJ電池（25.8％）相比，1 Ω cm p-BJ電池顯示出最高的效率（26.0％）。1 Ω cm p-BJ電池的這種高效率為兩面接觸式硅太陽能電池的最高值之一，并且該電池的極高電學性能減小了與SHJ電池的差距（圖1e）。
功率損耗分析（PLA）
為了更深入地了解這些電池設計中獨特的電流傳輸和復合損耗，研究人員基于自由能量損耗分析（FELA）對所有電學和光學機制進行了系統(tǒng)的功率損耗分析（PLA ），圖4c為最終的PLA以及最佳電池的模擬輸出功率。
關于光學損耗，p-BJ電池在正表面遮陽和反射上比n-FJ電池高?0.3％損失，這是由非完美的ARC和金屬柵格造成的。對于1 Ω cm p-BJ電池，非理想的正面損耗最高，這會造成低的JSC。由于背面的電池設計相同，所有電池的非理想背面損耗非常相似。
在電學損耗方面，c-Si體相復合損耗主要由俄歇復合構成，這在1 Ω cm p-BJ電池中最為明顯。所有電池的表面復合損耗都由前表面決定，這對于1 Ω cm p-BJ電池最低，尤其是在非接觸區(qū)域。10 Ω cm p-BJ電池在正面和TOPCon背面存在更高的損耗，這是由于在此電池上表面鈍化質(zhì)量略低。
由于暗周長、活性面積之外的硅晶片區(qū)域，所有電池都表現(xiàn)出相當可觀的損耗，這對于10 Ω cm p-BJ電池最為明顯，約為0.3％。如果通過增加太陽能電池的有效面積來消除這些邊緣損耗，并且假設n-FJ電池具有更好的正面光學特性（更好的金屬柵格和ARC），該模擬可預估1 Ω cm p-BJ電池的效率為26.6％。
最后作者從仿真模擬方面比較了不同的FJ和BJ電池，得出：BJ太陽能電池有潛力成為未來c-Si太陽能電池的最佳候選者，預計在未來的十年其效率可達27％的范圍內(nèi)。
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
來源：PV-tech
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