寧波材料所開發(fā)出效率25.53%的新型晶硅太陽電池：隧穿氧化硅鈍化接觸技術(shù)

近日，經(jīng)福建計量科學(xué)研究院國家光伏產(chǎn)業(yè)計量測試中心*認(rèn)證，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所硅基太陽能及寬禁帶半導(dǎo)體團(tuán)隊開發(fā)出效率為25.53%的新型高效隧穿氧化硅鈍化接觸（TOPCon）概念驗證電池，突破了晶科能源和中來股份2021年10月份分別發(fā)布的25.4%的國內(nèi)效率紀(jì)錄，居行業(yè)先進(jìn)水平，見圖1和圖2。

圖1 福建計量科學(xué)研究院國家光伏產(chǎn)業(yè)計量測試中心認(rèn)證報告截圖

圖2 （a）中科院寧波材料所TOPCon電池結(jié)構(gòu)示意圖；（b）全世界主要研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)在n型TOPCon電池效率的進(jìn)展，紅色★代表中科院寧波材料所（NIMTE-CAS）

值得一提的是，該電池采用了基于等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）技術(shù)制備的新型多晶硅化物薄膜，可顯著增強(qiáng)表面鈍化、降低中長波段寄生吸收，同時兼顧載流子選擇性收集，能夠全面提升填充因子、短路電流及開路電壓，展現(xiàn)出了巨大的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用潛力。

過去十多年，晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率以每年0.5%～0.6%的速度不斷提升。目前，產(chǎn)業(yè)主流的鈍化發(fā)射極及背面接觸（PERC）電池已經(jīng)接近其量產(chǎn)極限效率（～23.5%）。

光伏行業(yè)迫切需要開發(fā)效率更高且成本可控的量產(chǎn)型鈍化接觸技術(shù)。TOPCon是一種典型的鈍化接觸技術(shù)，其核心結(jié)構(gòu)由超薄氧化硅層和重?fù)诫s多晶硅層組成，具有量產(chǎn)效率高、兼容現(xiàn)有產(chǎn)線等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛認(rèn)可為下一代主流晶硅太陽電池技術(shù)。

因此，研究高效TOPCon電池技術(shù)、理解關(guān)鍵科學(xué)問題、突破核心材料技術(shù)、研制先進(jìn)量產(chǎn)裝備技術(shù)是當(dāng)前光伏研究領(lǐng)域的重要內(nèi)容。

中科院寧波材料所硅基太陽能及寬禁帶半導(dǎo)體團(tuán)隊在葉繼春研究員帶領(lǐng)下，于2015年底開始布局研究TOPCon技術(shù)，是國內(nèi)最早開展相關(guān)研究的科研機(jī)構(gòu)之一，圍繞PECVD路線開展TOPCon技術(shù)的系統(tǒng)性研發(fā)。

在閆寶杰研究員、曾俞衡研究員、劉偉高級工程師、廖明墩高級工程師、楊陣海博士等科研人員及歷屆研究生的共同努力下，在電池結(jié)構(gòu)設(shè)計與器件仿真模擬（正結(jié)、背結(jié)、雙面鈍化接觸、IBC、選擇性發(fā)射極、電荷隧穿傳輸和孔洞傳輸?shù)龋?、關(guān)鍵材料與工藝開發(fā)（納米氧化物薄膜材料及多種制備技術(shù)、摻雜多晶硅化物薄膜材料及制備、新型擴(kuò)硼工藝、新型退火工藝/氫注入工藝、電極材料與工藝等），以及量產(chǎn)型裝備技術(shù)研制（管式PECVD、納米氧化硅和摻雜多晶硅二合一設(shè)備）等方面取得系列成果，其中，n型和p型TOPCon的最高iVoc分別為750 mV和730 mV，實驗室概念驗證電池最高效率為25.53%，居行業(yè)先進(jìn)水平。

截至2021年10月，團(tuán)隊已就TOPCon技術(shù)在光伏/能源類主流期刊發(fā)表論文23篇，包括最近在頂級期刊Energy & Environmtal Science上發(fā)表的基于碳摻雜多晶硅的高效TOPcon太陽電池方面的學(xué)術(shù)論文（DOI: 10.1039/D1EE02011K），在Cell Reports Physical Science上發(fā)表的孔洞形成機(jī)理以及電荷傳輸機(jī)理方面的學(xué)術(shù)論文（doi.org/10.2139/ssrn.3910800），以及在Solar RRL上發(fā)表的多晶氮化硅高效TOPCon太陽電池方面的學(xué)術(shù)論文（DOI: 10.1002/solr.202100644）等文章，發(fā)表文章數(shù)量位居全球科研機(jī)構(gòu)前列。團(tuán)隊在該領(lǐng)域布局了60余項專利，初步形成獨(dú)立自主的知識產(chǎn)權(quán)。

目前，團(tuán)隊與上市公司金辰股份合作開發(fā)出量產(chǎn)型管式PECVD裝備及其全套技術(shù)，見圖3，在材料、工藝以及設(shè)備方面開展全方位創(chuàng)新，可實現(xiàn)TOPCon電池關(guān)鍵制程的大幅優(yōu)化和制造成本的顯著下降，并在設(shè)備可維護(hù)性等方面滿足了量產(chǎn)需求。該裝備在多家龍頭光伏上市公司進(jìn)行中試驗證，獲得平均效率＞24%（最高效率24.5%）的量產(chǎn)型n型TOPCon電池，且在二合一設(shè)備開發(fā)上取得了突破，是國內(nèi)極少數(shù)先于外國設(shè)備商開發(fā)的具有完全獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的光伏用量產(chǎn)核心設(shè)備，受到光伏行業(yè)的高度關(guān)注。

圖3 金辰股份子公司蘇州拓升與中科院寧波材料所團(tuán)隊開發(fā)的管式PECVD裝備

本團(tuán)隊相關(guān)工作得到金辰股份及其子公司蘇州拓升的大力支持，也得到博威爾特、東方日升、時創(chuàng)新能源、晶科能源、中來股份、帝科股份、鈞乾智造等合作伙伴的支持和幫助；同時得到國家自然科學(xué)基金（61874177、61974178）、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（2018YFB1500403）、中科院青年促進(jìn)會人才計劃（2018333）、寧波市“科技創(chuàng)新2025”重大專項（2020Z098）、浙江省重點(diǎn)研發(fā)計劃（2021C01006）、遼寧省揭榜掛帥科技攻關(guān)項目、浙江省自然科學(xué)基金（LY19F040002）等項目的資助。

*福建計量科學(xué)研究院國家光伏產(chǎn)業(yè)計量測試中心（NPVM）是受《Solar Cell Efficiency Tables, version 57》認(rèn)可的認(rèn)證機(jī)構(gòu)。

來源：中國科學(xué)院

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