高电阻率晶圆与边缘钝化技术在提升硅背接触太阳能电池性能方面的协同效应

《Solar Energy Materials and Solar Cells》：Synergistic effect of high-resistivity wafers and edge passivation in unlocking the performance of silicon back contact solar cells

太阳能电池通过结合高电阻率硅片与边缘钝化技术，有效解锁性能潜力，解决关键机制不确定性，为突破28%效率及87%填充因子提供新路径。

　　

Genshun Wang|Guang Han|Tingting Wang|Hua Wu|Zebin Tan|Qiming Liu|Chaowei Xue|Yichun Wang|Kunta Yoshikawa|Liang Fang|Xixiang Xu|Hao Lin|Pingqi Gao

中山大学深圳校区材料学院，中国广东省深圳市518107

摘要

在全球碳中和目标的推动下，作为可再生能源代表的光伏技术持续快速发展。要实现进一步的性能突破（如效率超过28%、填充因子超过87%），需要创新的方法。本文结合理论分析、仿真和实验验证，证明将高电阻率晶圆与钝化边缘技术（PET）结合使用可以有效释放性能潜力。这一发现解决了关键机制上的不确定性，并为应对当前行业挑战提供了可行的方向。

引言

鉴于全球对碳中和的追求，大量资本和投资涌入可再生能源领域，尤其是晶体硅（c-Si）太阳能电池[1,2]。通过持续的技术迭代和精细的工艺控制，在效率提升和成本降低方面取得了显著进展[3], [4], [5], [6]。值得注意的是，c-Si太阳能电池的记录功率转换效率（PCE）已达到27.81%，接近理论效率极限的95%[7]。现在看来，突破28%的效率门槛已经指日可待。

优化太阳能电池前后表面的钝化和接触特性一直是提高性能的主要焦点[8,9]。近年来，通过精细调节选择性接触（例如SiO_x/掺杂多晶硅或i-a-Si/掺杂a-Si）[10], [11], [12], [13], [14], [15]，载流子复合损失和传输效率得到了显著提升。随着这些主要挑战的解决，太阳能电池的性能达到了令人印象深刻的水平，PCE通常超过26%[7]。然而，一个之前被忽视的问题——晶圆边缘效应——已成为限制性能的关键因素[16]。这种效应主要源于晶圆的未钝化侧壁（切割边缘），在主流商用格式（如半切、四分之一切或更小的拼接太阳能电池）中尤为明显[17], [18], [19]。虽然将全尺寸晶圆分割成更小的单元可以减少与低电流相关的电阻功率损失，但同时也会增加暴露的未钝化晶圆边缘面积，从而不可避免地导致性能下降[20], [21], [22]。这一挑战促使人们广泛研究太阳能电池切割策略（包括优化的切割位置、方法和工艺）以及后钝化技术[23], [24], [25]。报道的方法包括沉积AlO_x/SiN_x堆栈等钝化膜或应用有机钝化层（例如通过旋涂法制备的Nafion溶液）[24], [25], [26], [27], [28], [29]。采用额外的边缘钝化工艺可以部分恢复失去的性能，这表明钝化层对整体器件性能具有重要的保护作用。

然而，以往关于边缘钝化的研究在几个关键方面仍不完整。首先，大多数研究集中在效率较低的太阳能电池上（<26%），因此对于高效器件的边缘效应知之甚少。其次，对其机制的理解是零散的：尽管人们认识到边缘钝化质量的重要性，但其在高注入条件下的与晶圆电阻率的相互作用却大多被忽视。第三，尽管高电阻率晶圆在理论上具有优势，但由于接触形成和大规模生产的兼容性问题，其在工业中的应用受到限制。因此，本研究阐明了有效边缘钝化与高电阻率晶圆的协同作用如何释放太阳能电池的性能潜力，使其填充因子（FF）超过87%。

太阳能电池的制备流程

混合互指背接触（HIBC）太阳能电池和其他样品是由LONGi公司生产的半M10尺寸（182毫米×91毫米±0.20毫米）Czochralski n型c-Si晶圆制成的，这些晶圆的电阻率分别为1.0～1.5 Ω·cm和8～10 Ω·cm，厚度为175微米，晶向为（100）。太阳能电池的详细制备流程如图S1所示。HIBC太阳能电池的制备过程包括14个步骤，其中包括湿法化学清洗（3个步骤）。

高电阻率晶圆和有效边缘钝化的优势

如图1a底部面板所示，在最大功率点（MPP）下，175微米厚N型晶圆中的本征复合损失（奥杰复合和辐射复合）随着掺杂浓度的增加而逐渐增加。在接近MPP的注入水平（约5×10¹⁵ cm^?3）时，电流损失主要由高注入水平的奥杰复合（J_Auger, hi，理想因子m接近2/3）在低掺杂晶圆中主导[31]。相比之下，在高掺杂晶圆中，主导机制发生了变化。

结论

总之，本研究通过理论分析、仿真和实验证明了将高电阻率晶圆与有效边缘钝化结合使用的显著优势。这种协同效应为释放性能潜力提供了明确的途径，带来的提升效果超过了各个单独改进的总和。在HIBC太阳能电池中，我们实现了平均PCE超过27.25%，填充因子（pFF）超过87.21%。此外，我们的发现为进一步发展奠定了关键基础。

作者贡献声明

Genshun Wang：撰写初稿、验证、研究、概念构思。Guang Han：撰写初稿、可视化、软件开发。Tingting Wang：数据整理。Hua Wu：撰写、审稿与编辑。Zebin Tan：数据整理。Qiming Liu：指导。Chaowei Xue：撰写、审稿与编辑、正式分析。Yichun Wang：资源协调。Kunta Yoshikawa：概念构思。Liang Fang：资源协调。Xixiang Xu：指导、资源协调。Hao Lin：撰写、审稿与编辑、方法论研究、资金申请

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2024YFB4204901）、国家自然科学基金（62034009、62574226）、宜宾科技计划（2023JB007）、珠海产学研合作项目（2320004002352）以及陕西省秦创原计划（2025QCY-KXJ-189）的财政支持。

作者感谢Yan Gao、Fan Yu、Tuan Yuan、Xiaoyu Deng、Lei Xie和Changhong Sun在工艺优化、样品制备和电池测试方面的帮助。