混合背接觸（BC）硅太陽能電池融合了TOPCon結(jié)構(gòu)的電子選擇性接觸、硅異質(zhì)結(jié)（SHJ）結(jié)構(gòu)的空穴選擇性接觸，以及交叉指式背接觸（IBC）的器件布局。盡管已有研究實現(xiàn)了27.8%的效率，但該架構(gòu)相較于傳統(tǒng)BC電池的深層優(yōu)勢尚未被充分揭示。本研究采用美能全光譜橢偏儀精確表征多層膜結(jié)構(gòu)，為梯度硼摻雜、a-SiOx鈍化及160μm厚度下的單向載流子輸運設(shè)計提供了關(guān)鍵光學(xué)參數(shù)支撐。

本研究利用混合BC架構(gòu)的設(shè)計靈活性，采用多功能前表面層，同時實現(xiàn)陷光與鈍化功能；同時優(yōu)化了背面載流子選擇性接觸的載流子收集能力與工藝兼容性。研究表明，最優(yōu)晶體硅吸收層厚度可增加至160μm，最終實現(xiàn)了認(rèn)證效率達(dá)27.62%的產(chǎn)業(yè)化兼容晶體硅太陽能電池。

混合BC電池結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)勢

Millennial Solar

(a)混合BC太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖。(b)掃描電子顯微鏡圖像。(c)測量電流-電壓特性以及理論計算結(jié)果。(d) SHJ太陽能電池與本工作中混合BC太陽能電池相對于理論極限的絕對效率損失

為協(xié)同發(fā)揮TOPCon、SHJ與IBC技術(shù)的優(yōu)勢，本研究設(shè)計了混合BC太陽能電池。在背面，采用TOPCon結(jié)構(gòu)（a-SiOx / n?-poly-Si）形成電子選擇性接觸，并采用SHJ結(jié)構(gòu)（i-a-Si / p-a-Si）形成空穴選擇性接觸。n?-poly-Si層具有良好的化學(xué)與熱穩(wěn)定性，可耐受后續(xù)激光開槽與濕法刻蝕等工藝。正面則通過去除電極，并用雙層減反膜（SiOx / SiNx）結(jié)合n-nc-SiOx / i-a-Si / SiOx疊層結(jié)構(gòu)，最小化光學(xué)損失與表面復(fù)合。SiNx的高折射率與SiOx的低折射率相結(jié)合，改善了折射率匹配，增強了陷光效果。n-nc-SiOx層提供場效應(yīng)鈍化，進一步降低表面復(fù)合。

該混合設(shè)計帶來多項關(guān)鍵優(yōu)勢：（1）背面p型接觸中的梯度能帶結(jié)構(gòu)改善了空穴輸運，降低串聯(lián)電阻，提升填充因子；（2）SiOx鈍化層應(yīng)用于正面和背面n型接觸，抑制了c-Si表面外延或?qū)\晶硅缺陷的形成，提升了開路電壓；（3）正面無金屬柵線，減少了光學(xué)遮光損失，提升了短路電流密度。

梯度硼摻雜提升空穴收集

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(a)混合BC電池中作為p型接觸層的SHJ衍生結(jié)構(gòu)。(b,c) p型接觸層的電子能量損失譜，以及p-a-Si層中從ITO側(cè)到i-a-Si側(cè)的梯度硼摻雜濃度空間分布。(d,e) 從器件模擬和第一性原理計算獲得的p型接觸層中的能帶彎曲，以及梯度硼摻雜誘導(dǎo)的p-a-Si層價帶頂工程，用于增強空穴輸運。(f) 通過p-a-Si層梯度硼摻雜實現(xiàn)填充因子提升的實驗驗證

通過在p-a-Si層中構(gòu)建硼濃度梯度，形成價帶頂梯度，誘導(dǎo)內(nèi)建電場方向與空穴輸運方向一致，從而加速空穴漂移、縮短界面停留時間，降低復(fù)合概率。研究對比了均勻摻雜、低梯度摻雜與高梯度摻雜三種結(jié)構(gòu)，實驗與模擬一致表明，高梯度摻雜可使填充因子從85.8 %提升至87.7 %，串聯(lián)電阻從1.9 mΩ降至1.1 mΩ，效率絕對提升0.9 %。EELS分析證實了硼濃度的空間梯度分布。

SiOx鈍化抑制界面缺陷

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(a) 高角環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡圖像顯示i-a-Si/c-Si界面處的外延硅和孿晶硅缺陷。(b) HAADF-STEM圖像呈現(xiàn)光滑的i-a-SiOX/c-Si界面形貌。(c, d) i-a-Si/c-Si界面的初始結(jié)構(gòu)以及微秒尺度分子動力學(xué)模擬后產(chǎn)生外延硅和孿晶硅缺陷的結(jié)構(gòu)。(e, f) a-SiOX/c-Si界面的初始結(jié)構(gòu)以及微秒尺度分子動力學(xué)模擬后保持光滑的界面形貌

i-a-Si/c-Si界面易形成外延硅或?qū)\晶硅缺陷，成為復(fù)合中心。本研究引入i-a-SiOx鈍化層，通過氧摻雜將界面勢壘提高0.2 eV，有效抑制非晶硅的晶化轉(zhuǎn)變。HAADF-STEM與分子動力學(xué)模擬顯示，a-SiOx/c-Si界面在長時間模擬后仍保持光滑，少子壽命從2.5 ms提升至3.4 ms。由于a-SiOx帶有固定正電荷可能阻礙空穴輸運，故僅用于正面與n型接觸層，背面p型接觸仍保留i-a-Si鈍化。

最優(yōu)厚度提升至160μm

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(a-d)實驗測量的混合BC電池JSC、VOC、FF和效率隨c-Si厚度的變化。(e-h)器件模擬結(jié)果顯示混合BC電池JSC、VOC、FF和效率隨c-Si厚度的變化。(i, k) 混合BC電池與SHJ電池的載流子輸運路徑對比。(j, l) 混合BC電池與SHJ電池的電流密度分布隨c-Si厚度的變化對比

混合BC電池的最優(yōu)c-Si厚度為160μm，高于SHJ的125μm。其原因在于載流子輸運機制不同：SHJ中電子需往返前后表面，增加遷移距離與體復(fù)合風(fēng)險；而混合BC中電子與空穴均在背面收集，形成單向輸運路徑，縮短遷移距離，允許使用更厚的吸收層以增強光子吸收。實驗驗證，160μm厚器件實現(xiàn)27.62 %效率（JSC = 42.54 mA/cm2，VOC = 740 mV，F(xiàn)F = 87.73%），優(yōu)于120μm器件的26.95%與SHJ基準(zhǔn)的26.81%。模擬與實驗結(jié)果高度吻合，效率提升主要來自光學(xué)損失降低與電阻損失減少。

混合BC電池在IBC架構(gòu)中實現(xiàn)了TOPCon與SHJ技術(shù)的突破性集成，為晶體硅光伏器件中的載流子提取機制提供了新見解。其單向載流子收集機制克服了SHJ器件的厚度限制，縮短了電子輸運路徑，抑制了體復(fù)合，使得更厚的c-Si吸收層（160μm）得以應(yīng)用，從而提升了光子吸收效率。憑借27.62%的認(rèn)證效率，混合BC電池代表了突破28%效率壁壘的最具產(chǎn)業(yè)化前景的技術(shù)路徑。未來在界面鈍化、摻雜精度和光子管理等方面的進一步優(yōu)化，將有望持續(xù)提升其性能。

美能全光譜橢偏儀

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全光譜橢偏儀擁有高靈敏度探測單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測量和分析光伏領(lǐng)域中單層或多層納米薄膜的層構(gòu)參數(shù)（如厚度）和物理參數(shù)（如折射率n、消光系數(shù)k）

先進的旋轉(zhuǎn)補償器測量技術(shù)：無測量死角問題

粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測量：先進的光能量增強技術(shù)，高信噪比的探測技術(shù)

秒級的全光譜測量速度：全光譜測量典型5-10秒

原子層量級的檢測靈敏度：測量精度可達(dá)0.05 nm

美能全光譜橢偏儀精確表征多層膜光學(xué)參數(shù)，為梯度硼摻雜能帶調(diào)控、a-SiOx界面鈍化優(yōu)化及160μm厚度下的單向載流子輸運設(shè)計提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。該技術(shù)助力混合背接觸電池實現(xiàn)27.62%的認(rèn)證效率，突破了傳統(tǒng)SHJ器件的厚度限制，為商業(yè)化高效晶體硅光伏器件確立了新的技術(shù)路徑。

原文參考：Maximizing carrier extraction in hybrid back–contact silicon solar cells

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