文章介绍
硅基太阳能电池是可持续能源的核心，但仍受限于效率损失，尤以填充因子（FF）为甚。
基于此，隆基绿能中央研究院李振国、徐希翔、 Liang Fang、Chaowei Xue、兰州大学贺德衍及中山大学高平奇等人提出一种混合型叉指背接触太阳电池，通过全域表面钝化与激光诱导隧穿接触的协同设计，实现 27.81% 的光电转换效率，达到理论极限的约 95%。工艺上整合高低温工艺，有效抑制复合并优化接触性能，填充因子达 87.55%，逼近理论极限的 98%。建立的理想因子模型与载流子损失机制直接关联，定量阐明了体相与表面复合对填充因子的关键损耗。该研究在实验与理论层面同步推进了可扩展高效硅光伏的发展。该论文近期以“Silicon solar cells with hybrid back contacts”为题发表在顶级期刊Nature上。
图文信息
图 1 | HIBC 电池的关键光电性能。a，HIBC 电池结构示意图。b，通过电化学电容-电压（ECV）技术测得的高/低 n 型接触区活性磷掺杂浓度（Nd）分布，并给出由少子寿命测试提取的饱和电流密度 J₀。c,d，iPET 工艺对高/低电阻率硅片的PCE（c）与伪填充因子 pFF（d）提升；其余 I-V 参数影响见扩展数据图 4。箱形图中，上边缘、下边缘、箱内线及箱体分别对应最大值、最小值、中位数及25–75% 区间。e，全尺寸电池与边缘区域在有无 iPET 条件下的 I-V 特性对比。f，等效电路含齐纳二极管，叠加于激光处理区截面 SEM 图；元件包括光生电流 JL、齐纳二极管 Dpin、齐纳串联电阻 Rp、主二极管 Dcell、并联电阻 Rsh、串联电阻 RS及端电压 Vcell。比例尺 1 µm。g，冠军 HIBC 电池的 J-V 与 P-V 曲线，关键参数列于附表；数据由哈默尔恩太阳能研究所（ISFH）校准测试中心在标准测试条件（AM1.5 G，1000 W m⁻²，25 °C）下测得。Acell为电池面积，PMPP为最大功率点功率。
图 2 | 激光处理对 HIBC 电池 i-a-Si/p-a-Si 叠层的影响。a，纳秒（ns）脉冲激光作用于本征/硼掺杂非晶硅（i-a-Si/p-a-Si）叠层的示意图。b，硅金字塔尖端处未处理与激光处理 i-a-Si/p-a-Si 叠层的透射电镜图像；比例尺 10 nm。c，532 nm、40 mJ cm⁻²、20 ns 脉冲条件下金字塔尖端叠层温度分布模拟。d，c-Si/i-a-Si/p-a-Si/ITO/Ag 结构在未处理与激光处理状态下的电流密度分布模拟；比例尺 0.1 µm。e，c-Si/i-a-Si/p-a-Si/ITO/Ag结构的接触电阻率 ρc（上图）及c-Si/i-a-Si/p-a-Si 结构的复合前因子 J₀（下图）对比。
图 3 | HIBC 电池的功率损耗分析。利用 Quokka3 仿真，将电学功率损耗量化为三大通道：表面复合、载流子输运与体相复合；并覆盖四大区域：钝化表面、体区、n 型接触与 p 型接触。体区内进一步细化 Auger、辐射与 SRH 复合分量。
图4 | 高效硅太阳能电池的进展与理论分析。a，近期文献中高性能电池（PERC、TOPCon、SHJ 与 BC）的参数汇总，其 I-V数据见扩展数据表3；红色虚线 I–III 分别标示 40、41 与 42 mA cm⁻² 的 JSC。b，BC 结构中 J₀与 ρc对FF 的影响图；按主导输运机制（扩散或隧穿）将接触分为两类。冠军电池最终工艺后的 n/p 型钝化接触特性详见扩展数据图6 与表4。c，理想因子 m 随过剩载流子密度 Δn 的变化曲线（多数载流子密度 10¹³–10²0 cm⁻³）；浅绿与浅蓝曲线上的空心点对应 Δn=5×10¹⁵ cm⁻³ 处的 m 值。d，总面积与指定面积冠军电池的局部理想因子–电压曲线，标注最大功率点电压 VMPP；虚线 m=1 为参考。e，最大化效率的硅太阳能电池关键特征示意图。
总之，作者等人在 133.63 cm² 指定面积上采用 HIBC 结构，实现 27.81% 的认证效率与 87.55% 的填充因子。该性能得益于激光诱导晶化、原位边缘钝化及优化表面处理等先进技术的协同，使理想因子在 MPP 处降至 1 以下，显著提升FF。研究进一步提炼出支撑高效硅器件的五项共性核心特征：(1) 低掺杂、高寿命硅基体，确保MPP处Auger理想因子 mAuger=2/3；（2）全表面浅层多数载流子富集区，使 SRH 理想因子mSRH=1；（3）具备钝化与减反微结构的绒面正面；（4）有效的边缘钝化；（5）钝化隧穿接触。上述要素共同决定了高 FF 与整体效率的实现。
文章信息
Wang, G., Yu, M., Wu, H. et al. Silicon solar cells with hybrid back contacts. Nature 647, 369–374 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09681-w
DOI:10.1038/s41586-025-09681-w
索比光伏网 https://news.solarbe.com/202511/14/50012600.html
