Nature Energy：不需要高效率，来看终极太阳能电池的设计！

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全球光伏地面应用的光伏组件生产主要是晶圆基晶体硅(c-Si)太阳能电池，拥有超过90%的市场份额。在过去的几年中，这个领域在功率转换效率方面有了令人印象深刻的改进，这不仅来自研究型实验室的原型器件，也来自于大规模生产。这种效率进步对降低成本至关重要。这些改进大部分是可能的，因为技术潜力没有得到充分利用。

近年来，除了在生产技术和工程方面取得了强大而稳定的成功外，一些先进的技术大大扩大了硅太阳能电池的应用范围。例如，钝化基于氢化非晶硅(a-Si:H)或多晶硅薄膜(也称为SIPOS、poly-Si、POLO或隧道氧化物钝化接触(TOPCon))，结合了非常低的表面复合损失和有效的电流提取，减轻了仍然占主导地位的直接金属接触对扩散或合金结的一些基本限制。

这些钝化触点的应用促成最近的转换效率高达26.7%的太阳能电池，这种电池的收集结和两个金属触点在后端，所谓的交叉指背触点(IBC)太阳能电池。具有在前表面的收集结和在前表面和后表面的金属接触的太阳能电池效率也达到了25.8%。这种前、后接触(FBC)电池明显主导了c-Si太阳能电池的批量生产，市场份额超过95%。

尽管交叉指背触式电池效率最高，但双面触式电池因其较低的复杂性而成为工业生产的首选。

对于这些具有高度优化的个体工艺技术的高性能FBC器件，相关的可避免的损失，例如，由于表面重组或网格着色，被越来越多地抑制。这反过来又增加了与设计相关的损失，甚至是基本损失的影响，例如，电荷载流子向局部金属接触的传输或c-Si块中的俄歇复合分别造成的损失。为了缩小到29.4％左右的c-Si太阳能电池基本效率极限的差距，确定最终电池设计的效率超过26％变得越来越重要。这个目标对于光伏产业至关重要，因为c-Si太阳能电池的最终技术效率极限问题决定了光伏路线图，也就是说，在什么时候有必要切换到高级和更复杂的概念，例如串联太阳能电池。

德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所Armin Richter等人在Nature Energy发文，提出了双面硅基太阳能电池的设计原则。在这里，作者表明，省略前端提供横向载流子传输层是双面接触电池优异光电性能的关键，这导致了26.0%的转换效率。与具有正面p-n结的标准工业电池相比，该电池在后表面以全面积多晶硅基钝化接触的形式展示p-n结。详细的功率损失分析表明，该电池平衡了电子和空穴的输运损失以及一般的输运和重组损失。通过系统的模拟研究，得出了未来>26%效率的硅太阳能电池的一些基本设计原则，并论证了这种背结太阳能电池的潜力和优越性。

图文详情

图1. 硅太阳能电池概述

图2. 不同硅太阳能电池设计的示意图截面

图3. 一个太阳下的太阳能电池的测试效率

图4. 性能最高的太阳能电池的能量损失分析

图5. 前表面电导率对器件性能的影响

图6. 理论模拟结果

原文链接
https://doi.org/10.1038/s41560-021-00805-w

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