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太陽能光伏(PV)技術(shù)有望在全球碳中和中發(fā)揮關(guān)鍵作用。在過去20年里，全球新增太陽能光伏發(fā)電裝機容量以每年約40%的復(fù)合增長率增長，遠遠超過了煤炭、石油、天然氣和風(fēng)能等其他能源。光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭強勁，得益于技術(shù)進步和大規(guī)模應(yīng)用，使電力均等化成本迅速下降。投標價格最低為全世界大規(guī)模的光伏工廠已經(jīng)減少到1.04美分/千瓦時[2]2021年,美國和中國政府在2021年宣布,光伏發(fā)電將成為最大的電源20 - 30年的比例大約40%的總發(fā)電。令人鼓舞的是，太陽能電池每年都取得了很大的進展，這篇社論強調(diào)了3種主流太陽能電池(硅、鈣鈦礦和有機)2021年的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)認證。

硅太陽能電池

在光伏產(chǎn)品中，晶體硅(c-Si)太陽能電池由于行業(yè)成熟、制造成本低、材料可靠性高等優(yōu)勢，40年來一直處于領(lǐng)先地位，目前市場份額已超過95%。自1989年被提出以來，硅鈍化發(fā)射極和后電池(PERC)一直主導(dǎo)著目前的光伏市場。2021年，p-Si perc的量產(chǎn)平均PCE約為23.1%，2019年實現(xiàn)了24.06%的世界紀錄。隨著PERC逐漸接近其PCE極限，c-Si領(lǐng)域的研究熱點集中在n-Si異質(zhì)結(jié)(n-SHJ)和n-Si和p-Si隧道氧化物鈍化觸點(n-TOPCon, p-TOPCon)太陽能電池上。硅異質(zhì)結(jié)太陽電池(SHJ)由于其有效的載流子選擇性接觸和異質(zhì)結(jié)界面特性，一直保持著世界上c-Si太陽電池領(lǐng)域的最高效率。目前的單結(jié)c-Si太陽能電池的PCE世界紀錄是26.7%，采用了交叉指背觸(IBC)電極[4]的SHJ結(jié)構(gòu)。隧道氧化物鈍化觸點(TOPCon)太陽能電池于2013年提出，利用超薄SiOx和摻雜多晶硅的鈍化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)低復(fù)合載流子選擇性接觸，在2019年[5]結(jié)合IBC架構(gòu)，獲得了26.1%的認證PCE。

超過2.0%的效率差異是光伏行業(yè)從PERC到SHJ和TOPCon太陽能電池革命的引擎。表1列出了2021年期間SHJ和TOPCon太陽能電池的成就。SHJ太陽能電池是基于氫化非晶硅（a-Si:H）/c-Si異質(zhì)結(jié)的概念，它是在低溫下制備的。

低溫（<200°C）。從表1中可以發(fā)現(xiàn)，隆基公司的SHJ太陽能電池的最佳認證效率已達到26.30%。眾所周知，太陽能電池的PCE與開路電壓（VOC）、短路電流密度（JSC）、電池組件和電池容量有關(guān)。

短路電流密度(JSC)，以及填充因子(FF)。本質(zhì)a-Si:H（a-Si:H(i)）插在晶體硅和摻雜a-Si:H之間，有效地鈍化了晶體硅的表面懸鏈鍵，為SHJ太陽能電池提供了更高的VOC的可能性[6]。所列的VOC都高于746 mV，最好的甚至超過750 mV，這表明它們具有良好的鈍化作用。為了達到良好的鈍化效果，a-Si:H(i)層的結(jié)構(gòu)應(yīng)該被優(yōu)化。 實際上，a-Si:H(i)的雙層，即一個超?。?.5-1.0）的雙層。即一個超?。?.5-1.0納米）但多孔的緩沖a-Si:H(i)，其氫含量很高，上面有一個致密的a-Si:H(i)層，對VOC是有利的[7]。2021年的SHJ太陽能電池冠軍應(yīng)該采用這樣的a-Si：H（i）雙層。SHJ太陽能電池的效率主要受限于非晶層中的JSC損失[8]。JSC損失被認為是光學(xué)損失，其中包括在短波區(qū)域（< 500 nm）被正面的a-Si:H層寄生吸收，導(dǎo)致JSC減少約1.5 mA/cm2；以及在632納米處的折射率（n，）不匹配。(n~3.8）、a-Si:H（n~4.0）和前面的透明導(dǎo)電氧化物（TCO）（n~3.8）之間的折射率不匹配，這可能導(dǎo)致一些光學(xué)反射損失。為了解決這個問題，微晶線硅（μc-Si:H）薄片已被用作載流子選擇層。μc-Si:H薄膜的應(yīng)用有助于改善JSC，因為它減少了寄生吸收和折射率失配的情況。μc-Si:H薄膜可以減少短波長區(qū)域的寄生吸收，因為與a-Si:H薄膜相比，其光帶間隙更高（Eg~2.0 eV）。μc-Si:H薄膜的折射率（n~3.4）比a-Si:H薄膜的折射率低。

盡管取決于晶體分數(shù)和摻雜濃度，但a-Si:H的光學(xué)帶隙較高。此外，氧合金化的μc-Si:H（或μc-SiOx:H）層可以獲得較高的光帶隙（Eg ≅ 2.9 eV）和較低的折射率（n ≅ 2.8），這可以顯著提高光透射率，并減少在光照下的光吸收。

透明度，并減少SHJ太陽能電池正面的光學(xué)吸收。表1中所列的40 mA/cm2以上的JSCs對利用μc-SiOx:H窗口層是有利的。

除了TCO層和精細印刷的性能提高外，摻雜的μc-Si:H或μc-SiOx:H的應(yīng)用在一定程度上也與2021年SHJ太陽能電池取得的高FF有關(guān)（幾乎都超過85%，26.30%的冠軍電池的FF值極高，為86.59%）。μc-Si:H或μc-SiOx:H具有比a-Si:H更高的摻雜效率，其暗電導(dǎo)率可以比摻雜a-Si:H高兩個數(shù)量級以上[8]。更高的摻雜效率也導(dǎo)致了更低的串聯(lián)電阻和足夠的μc-Si:H（或μc-SiOx:H）/TCO電子接觸。由于更好的導(dǎo)電性、更低的串聯(lián)電阻和更低的與TCO的接觸電阻率，載流子傳輸特性可以得到改善，因此SHJ器件的FF更高。

2021年SHJ研究和發(fā)展的另一個突破是對銅（Cu）電鍍的探索。由于SHJ太陽能電池的低溫處理，通常采用低溫銀漿的絲網(wǎng)印刷。然而，在SHJ太陽能電池中使用的低溫銀漿由于消耗量大，約占總加工成本的30%。減少銀漿的使用是低成本SHJ太陽能電池的關(guān)鍵，而鍍銅則備受關(guān)注，被認為是一種理想的替代電極解決方案和工業(yè)化的技術(shù)[9]。2021年，SunDrive/Maxwell公司利用鍍銅技術(shù)實現(xiàn)了25.54%的大面積SHJ太陽能電池，這表明在SHJ太陽能電池金屬化方面，鍍銅技術(shù)有可能取代銀絲網(wǎng)印刷技術(shù)。然而，在鍍銅技術(shù)能夠工業(yè)化應(yīng)用之前，諸如不符合成本效益的工藝、復(fù)雜的電鍍步驟、長期退化和可靠性等障礙都有待解決[9]。

應(yīng)該指出的是，2021年的這些突破是在大面積太陽能電池的認證PCE中取得的，為快速大規(guī)模生產(chǎn)平均PCE為25%-26%的先進SHJ太陽能電池鋪平了道路。為了追求更高的效率，工業(yè)界開始關(guān)注異質(zhì)結(jié)背接觸（HBC）太陽能電池，它是SHJ結(jié)構(gòu)與IBC電極的結(jié)合，保持著目前晶體硅太陽能電池26.7%的效率世界紀錄[4]。HBC太陽能電池的特點是正面沒有柵格，可以明顯改善JSC，同時由于SHJ結(jié)構(gòu)，可以保持良好的鈍化和高VOC特性。此外，HBC的結(jié)構(gòu)可以取代高成本的TCO（通常是銦）。

高成本的TCO（通常是銦錫氧化物）層在正面，在背面應(yīng)用低成本的ZnO：Al（AZO）。廉價的材料，如銅和鋁，也可以用作網(wǎng)格，因為不存在陰影問題，而且背面的網(wǎng)格可以足夠?qū)挘詽M足導(dǎo)電性。HBC太陽能電池可能是一個很好的選擇，可以將SHJ太陽能電池的成本降低到PERC太陽能電池的水平，同時將能效提高到27%-28%。對于SHJ太陽能電池的進一步發(fā)展，研究過氧化物/SHJ串聯(lián)太陽能電池以實現(xiàn)30%以上的能效是明確的趨勢。

另一方面，由于其與PERC太陽能電池工藝的兼容性，TOPCon太陽能電池被認為是PERC對應(yīng)技術(shù)的未來發(fā)展方向。從表1中可以看出，2021年，TOPCon太陽能電池的PCE在實驗室和工業(yè)中都提高了25%以上。來自Fraunhofer ISE的研究人員通過使用等離子體增強化學(xué)氣相沉積（PECVD），在實驗室中對p型硅襯底上具有TOPCon結(jié)構(gòu)的太陽能電池成功達到了26.0%的高PCE，而由于低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）形成的高質(zhì)量n型多晶硅鈍化觸點，Jinko在n型硅襯底上取得了25.41%的工業(yè)冠軍PCE[10]。值得注意的是，用于制造創(chuàng)世界紀錄的TOPCon太陽能電池的硅襯底是p型硅片[5]。具有最高PCE的p-TOPCon太陽能電池在大規(guī)模生產(chǎn)中把隧道氧化物和多晶硅堆積層作為發(fā)射器而不是集電極，這表明p型硅/隧道氧化物/多晶硅（n）結(jié)構(gòu)的應(yīng)用潛力。隆基公司曾試圖提高p型硅襯底的質(zhì)量，并成功地在p型硅片上達到25.19%。然而，p-TOPCon的PCE對p型硅襯底的質(zhì)量非常敏感。這就是為什么p型硅片不能用于大規(guī)模生產(chǎn)性能良好的TOPCon太陽能電池的原因。

盡管n型硅基TOPCon太陽能電池的效率逐漸接近SHJ太陽能電池保持的世界紀錄PCE，但在大規(guī)模生產(chǎn)中仍有幾個障礙需要克服。量產(chǎn)的第一個困難是隧道氧化物和多晶硅堆積層的均勻性，這決定了背面的表面重組和電荷載流子傳輸質(zhì)量，特別是對于大面積的太陽能電池。多晶硅鈍化接觸性能高度依賴于多晶硅層沉積技術(shù)，包括LPCVD、PECVD和物理氣相沉積（PVD）。LPCVD多晶硅層具有高均勻性和低工藝時間的優(yōu)勢，但嚴重地存在過度包裹的問題，這需要額外的濕化學(xué)工藝來去除另一側(cè)的多晶硅。PECVD和PVD多晶硅層可以達到與LPCVD相同的鈍化質(zhì)量和載流子傳輸特性。

但在均勻性和工藝穩(wěn)定性方面較差[11]。因此，工業(yè)界的下一步主要是優(yōu)化任何一種工藝以實現(xiàn)低成本和高質(zhì)量的多晶硅層。

限制n-TOPCon太陽能電池PCE改善的第二個因素是絲網(wǎng)印刷金屬化工藝，它適度影響了串聯(lián)電阻和接觸重組[12]。與PERC太陽能電池不同，對后部鈍化觸點的銀漿的要求是部分蝕刻多晶硅層，而不是直接接觸硅襯底。然而，為了避免重度摻雜的多晶硅層出現(xiàn)的寄生吸收，多晶硅層的厚度必須保持在120納米以下，這就提高了在燒結(jié)過程中控制蝕刻深度的難度。適當?shù)墓に嚳梢詫崿F(xiàn)完美的鈍化接觸金屬化，沒有任何鈍化退化，有助于達到高水平的n-TOPCon太陽能電池的PCE。金屬化工藝的優(yōu)化需要合適的銀漿成分、?ring溫度，甚至均勻的?ring設(shè)備，以滿足大面積太陽能電池的需要。

除了多晶硅鈍化觸點和絲網(wǎng)印刷金屬化工藝的均勻性外，還應(yīng)最大限度地避免寄生吸收和光學(xué)損耗。根據(jù)Jinko在2020年制造的PCE為24.79%的認證n-TOPCon太陽能電池的損耗分析[13]，大約1.19mW/cm2的功率損耗發(fā)生在正面，包括金屬觸點區(qū)域的弱鈍化和橫向空穴傳輸?shù)碾姄p耗，以及正面角影的光損耗。 此外，大約0.38 mW/cm2的功率損耗是由硅襯底造成的，這是由于體層重組和載流子傳輸造成的，而大約0.27mW/cm2的功率損耗是由后側(cè)多晶硅鈍化觸點造成的。處理主要損耗的可行方案是將選擇性發(fā)射器技術(shù)引入前端金屬觸點，降低金屬觸點區(qū)域的重組，縮小角的尺寸以提高有效的窄，以提高有效的光吸收。然而，由于缺乏適當?shù)募す庀到y(tǒng)，TOPCon太陽能電池的選擇性發(fā)射器技術(shù)仍不成熟?？梢灶A(yù)測，在可靠的選擇性發(fā)射器技術(shù)應(yīng)用成功后，在大規(guī)模生產(chǎn)中可以實現(xiàn)PCE大約絕對1%的改善。

最重要的是，盡管許多光伏公司已經(jīng)在大規(guī)模生產(chǎn)中實現(xiàn)了平均24.5%的PCE，但仍有許多工作要做，以幫助n-TOPCon太陽能電池的PCE達到一個更高水平。從大規(guī)模生產(chǎn)的過程來看，多晶硅鈍化觸點和金屬化的均勻性仍然需要進一步優(yōu)化，包括設(shè)備和工藝配方。只有在使用適當?shù)募す馄鞯那闆r下，引入選擇性發(fā)射器技術(shù)對提高TOPCon太陽能電池的PCE也會有明顯的幫助。無論如何，n型硅基TOPCon太陽能電池將逐漸取代p型硅PERC太陽能電池，在光伏市場上占據(jù)主導(dǎo)地位，在3-5年內(nèi)，n型TOPCon太陽能電池的PCE可以在大規(guī)模生產(chǎn)中提高到平均26%。

原標題：2021年主流太陽能電池性能亮點