近日，由河北大学陈剑辉团队牵头，联合一道新能源科技股份有限公司、德国于利希研究中心等国内外产学研优势力量，在《Nature Communications》发表了一项颠覆性研究成果。研究团队首次发现并命名了TOPCon太阳电池界面中的“钝化针孔(Passivating Pinholes)”新现象，在原子尺度上揭示了氧化硅层中针孔的“双重面孔”—一类导致复合损失，另一类则既能高效传输载流子、又能保持优异钝化效果。这一发现彻底解开了光伏领域困扰多年的TOPCon界面工作机理之谜，从实验上揭示了哈梅林太阳能研究所的理论仿真预测的TOPCon电池可以实现更高转化效率的深层次原因，为当前主流TOPCon光伏技术进一步提效提供了科学依据和工艺指引。
从“谜题”到“答案”：一个困扰行业多年的核心困惑
TOPCon电池作为当前全球光伏市场的主流技术，市占率已超过70%。其核心结构是在晶硅衬底与多晶硅层之间插入一层超薄氧化硅，以实现钝化与载流子选择性输运。然而，这层氧化膜在高温制备过程中不可避免会产生“针孔”——即氧化层的局部破损。这就带来了一个长期困扰学界的核心谜题：
如果针孔存在，它会破坏钝化，那么TOPCon电池的开路电压(与钝化质量直接相关)应该远低于完全钝化的异质结(HJT)电池。但事实上，HJT电池开路电压可达751.4 mV，TOPCon电池同样能达743.4 mV的高开压，两者非常接近——这说不通。
· 如果没有针孔，氧化硅层会阻碍电子传输，导致填充因子下降。但TOPCon电池的填充因子同样优异——这也说不通。
· 更令人困惑的是，理论模拟显示TOPCon电池的效率极限居然比HJT更高(Schmidt, J., Peibst, R. & Brendel, R. Surface passivation of crystalline silicon solar cells: Present and future. Solar Energy Materials and Solar Cells 187, 39-54, doi:10.1016/j.solmat.2018.06.047 (2018).)——这就更说迷惑了。
人们由此产生了一个猜测：针孔可能有助于载流子传输。但猜测只是猜测，没有直接证据。更重要的是，人们从未怀疑过：针孔肯定不利于钝化，因为它就是缺陷。于是，一个悖论形成了：针孔似乎既需要(帮助传输)又不需要(损害钝化)。这一谜题困扰了光伏领域近十年。
思路设计：河北大学光伏技术研发团队统筹产学研力量，提出“钝化针孔”新概念
陈剑辉研究员&宋登元博士首先从理论层面提出核心猜想：
针孔可能并非单一类型，是否存在一类“既能传输、又被钝化”的针孔?基于这一原创思想，他们正式提出 “钝化针孔(Passivating Pinholes)” 这一全新概念，为后续研究指明了方向。在此基础上，陈剑辉和宋登元团队发挥“总设计师”作用，统筹协调多方优势力量，设计系统性的实验验证方案(Design of Experiment, DOE)：
协同一道新能源科技股份有限公司研发部门：在工业级产线上设计不同工艺条件的对照实验，制备高效与对照电池样品，确保研究结论具有产业化指导意义
协调河北大学球差电镜研究中心伞星源博士团队：设计原子尺度显微表征方案，利用球差校正HAADF-STEM对亚2纳米针孔结构进行直接成像与元素分析，为“钝化针孔”的存在提供可视化证据
邀请德国于利希研究中心仿真团队：建立Fischer模型，从理论上验证针孔钝化对器件性能的主导作用，将实验发现提升至普适性科学规律
通过这一“思想提出—实验验证—产业验证—理论建模”的全链条协同攻关，团队带领合作方完成了对TOPCon界面输运特性的深层次解析，最终在原子尺度上看见了真相：针孔有两张“面孔”
依托河北大学球差电镜研究中心伞星源博士团队的核心表征支持，研究团队在原子尺度上首次揭开了真相。
研究发现，在高效TOPCon电池界面中，存在两类截然不同的针孔：
· 复合针孔(Recombinational Pinholes)：氧原子相对耗尽，多晶硅与晶硅直接接触，悬挂键密度高，导致载流子复合——这是传统认知中的“坏”针孔。
· 钝化针孔(Passivating Pinholes)：这是首次被观测到并命名的新类型。虽然氧化层局部破损，但针孔区域内相对仍保留足够多的氧，能够有效钝化悬挂键，同时允许载流子高效隧穿。
这意味着：针孔确实有助于传输，但并非不利于钝化——关键不在于针孔本身，而在于它是否“被钝化”。
这一发现彻底解开了上述悖论：
· 因为存在“钝化针孔”，TOPCon电池既能实现高效载流子传输(获得高填充因子)，又能保持优异钝化效果(获得高开路电压)
· 钝化针孔的存在，从实验上证实了2018年哈梅林研究所Schmidt等人的理论仿真预测：TOPCon电池的效率极限可以比HJT更高
· 这也回答了产业界长期困惑的核心问题：为什么TOPCon电池可以做得这么好?因为有“Passivating Contact(钝化针孔)”
研究团队进一步通过Fischer模型分析证明：决定器件性能的关键，不是针孔的几何尺寸或密度，而是针孔是否被钝化。这一结论将领域认知从“针孔是否影响钝化”的模糊争论，提升到“针孔钝化才是核心”的全新视角。
产学研协同创新：从基础研究到产业验证的无缝衔接
本研究的突破性，离不开“高校+企业+研究机构”的深度协同创新模式：
· 河北大学(基础研究与核心表征)：团队负责人陈剑辉研究员依据的多年的钝化研究经验，提出“钝化针孔”概念，负责设计整体研究思路与验证方案，统筹理论建模和数据分析;球差电镜研究中心伞星源博士团队提供原子尺度显微分析支持，确保了对亚2纳米针孔结构的精准观测
· 一道新能源科技股份有限公司(产业化验证)：宋登元团队提供工业级产线支持，在M10尺寸(333.3 cm²)工业级硅片上制备电池，获得德国ISFH认证效率25.40%、开路电压738.7 mV，直接证明了钝化针孔技术在大规模生产中的可行性和先进性
· 德国于利希研究中心(仿真建模)：合作团队提供Fischer模型仿真支持，从理论上验证了钝化针孔对器件性能的主导作用这种“基础研究出思想、校内平台出数据、企业产线出样品、国际合作出验证”的协同模式，正是当前国家大力倡导的产学研深度融合的生动实践。
严苛审稿，锻造经典：审稿人原话
该论文经过了《Nature Communications》两轮极为严苛的同行评审。审稿人对方法论提出尖锐质疑，要求提供4D-STEM三维验证、统计显著性分析、理论建模支撑。研究团队历时一年半，补充了大量实验与模拟工作——包括40组样品统计、厚度依赖性EELS分析、Fischer模型模拟、4D-STEM ptychography验证——最终彻底说服审稿人。
“这项研究真正做到了‘看见’原子尺度的界面结构，并且把微观结构与宏观性能关联起来。”审稿人表示，“它回答了TOPCon领域一个悬而未决的根本问题——针孔到底是好是坏?答案很巧妙：关键不在有无，而在钝化。”
另一位审稿人评论道：“这项发现与近期分子动力学模拟预测的‘针孔前驱体’高度吻合，说明实验与理论正在走向统一，这是领域迈向成熟的标志。”
产业价值：为万亿级光伏市场提供“提效钥匙”
本研究的产业意义体现在三个层面：
1. 提供明确的工艺优化方向
此前，产业界对针孔的态度是模糊的：既希望有针孔帮助传输，又担心针孔损害钝化。本研究揭示：真正应该追求的是“高密度钝化针孔”。论文中披露的工艺窗口——两步氧化法的温度、气氛、时间控制参数——可直接指导产线调试，帮助企业从“被动应对缺陷”转向“主动构建功能结构”。
2. 验证大规模量产可行性
研究采用工业级M10尺寸硅片，在真实生产线上制备电池并获得权威认证，证明钝化针孔技术可以直接落地，无需额外设备投入。
3. 为下一代技术奠定科学基础
该发现不仅适用于TOPCon电池，对TOPCon-BC(叉指背接触)、钙钛矿/TOPCon叠层电池等下一代技术同样具有指导意义——Passivating
Contact(钝化针孔)或将成为未来高效电池设计的“标配”功能结构。
结语
从“谜题”到“答案”，从“猜测”到“证据”，从“基础研究”到“产业应用”——河北大学陈剑辉团队统筹协调国内外优势力量完成的这项研究，不仅是一次科学认知的刷新，更为全球光伏产业提供了一把通向更高效率的钥匙。
光伏领域资深专家宋登元博士表示：“这项研究最让人兴奋的地方在于，它回答了产业界多年来的困惑：为什么TOPCon电池可以做得这么好?现在我们有了答案——因为钝化针孔的存在。接下来，我们的目标是从‘发现’走向‘调控’，通过精准控制工艺，让钝化针孔‘量产化’，助力光伏产业迈向更高效率。”
在碳中和成为全球共识的今天，这项来自中国的原创成果，正在为太阳能源的更高效利用贡献“中国智慧”和“中国方案”。
参考文献：Zhang, W., Zhang, K., Bai, Y., Zhang, Y., Yang, K., Chen, B., Yang, X., Li, J., Sun, Y., Wu, Y., Li, l., Zhang, X., Gao, Q., Ren, Y., Guo, J., Zhang, L., Yang, D., Chen, J., Chang, X., Liu, Y., San, X., Song, D., & Chen, J. (2026). Passivating pinholes for large-area and high-efficiency silicon solar cells with tunnel oxide passivated contact. Nature Communications. https://doi.org/10.1038/s41467-026-70511-2
索比光伏网 https://news.solarbe.com/202603/17/50019739.html
