强悍！隆基绿能，再发Nature!

纳米人 · 公众号 · 科技创业科技自媒体 · 2024-10-03 10:04

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研究背景

随着可再生能源的快速发展，太阳能作为重要的清洁能源选项，因其广泛的应用潜力和环境友好性，引起了科学家的广泛关注。硅太阳能电池是最成熟的光伏技术之一，然而，传统的单结太阳电池在能量转换效率上面临瓶颈。为突破这一极限，研究者们提出了钙钛矿-硅双结叠层电池的概念，以期提升整体光电转换效率。这种双结电池通过将钙钛矿层与硅基材料相结合，能够更有效地利用太阳光，从而显著提高光伏组件的效率。

然而，尽管双结叠层电池展示了良好的前景，其制造过程中却面临诸多挑战，特别是背接触（BC）太阳能电池的图案化工艺复杂，导致效率损失和生产成本高。研究表明，传统的正反两侧电极设计会阻挡光线，降低光吸收能力，而背接触设计可以将电极置于阴影面，减少光遮挡，提高电池的整体效率和美观度。因此，如何有效制造高效的背接触太阳能电池，成为了当前光伏研究的难点之一。

为了应对这些挑战，多个研究团队展开了深入研究。1975年，普渡大学的学者提出了叉指背接触（IBC）电池的概念，随后斯坦福大学实现了22.3%的效率记录，为BC电池的发展奠定了基础。进入21世纪，异质结背接触（HBC）电池结构的开发，为提高效率提供了新的方向。2007年，这一结构首次被提出，并在2017年实现了26.7%的功率转换效率，展示了异质结技术的巨大潜力。

尽管如此，制造HBC电池仍存在背面复杂图案化工艺带来的技术和成本问题。为了简化这一过程，隆基绿能科技有限公司李振国、徐希翔博士、Liang Fang 、Chaowei Xue联合扬州大学丁建宁教授开发了一种新颖的激光图案化方法。这一方法不仅提高了生产效率，还成功制造出效率超过27%的硅太阳能电池，标志着在光伏技术上的重要突破。以上成果在“Nature”期刊上发表了题为“Silicon heterojunction back contact solar cells by laser patterning”的最新论文。

研究亮点

（1）实验首次成功开发了高效率的激光图案化硅异质结背接触（HBC）太阳能电池，达到了超过27%的功率转换效率（PCE），标志着在太阳能电池领域的重要突破。

（2）实验通过采用密集钝化接触技术和脉冲激光器进行背接触图案化，优化了接触电阻率，从93 mΩ·cm²降至43 mΩ·cm²，有效减少了载流子复合，提升了整体电池效率。

（3）研究还展示了激光图案化工艺的优势，通过三步激光处理，避免了激光损伤，最终在243cm²的指定面积上实现了27.3%的PCE。

（4）为应对稀有材料的供应问题，开发了无铟和无银的HBC电池，分别达到了26.5%和26.2%的效率，展示了良好的可持续性和经济性。

（5）研究结果表明，激光图案化的HBC技术在光伏模块的规模化生产中具有显著优势，工艺时间仅为传统技术的三分之一，助力实现碳中和目标。

图文解读

本文通过Sinton FCT-650 IV测试仪和WCT-120仪器，对太阳能电池的电流-电压（I-V）特性和寿命进行了精确测量，从而揭示了光伏材料在标准测试条件下的性能表现。特别是，通过提取表面复合参数J0和接触电阻，分析了电池的复合损失和接触性能，为理解电池效率提供了重要依据。

针对电气遮挡机制引起的电流损失现象，本文采用内部光束诱导电流（LBIC）系统进行了详细的表征。这一微观机理的分析不仅揭示了光束对电流分布的影响，还帮助我们理解了在光照条件下材料的电气特性。这种表征手段提供了对电流损失源的深入洞察，为优化太阳能电池设计提供了理论支持。

在此基础上，使用J.A.Woollam M-2000椭偏仪测量单层的厚度、折射率（n）和消光系数（k），揭示了材料在光学特性方面的表现。同时，采用傅里叶变换红外光谱测量（FTIR）获得氢化非晶硅层的微观结构（R*）和氢含量（CH），进一步挖掘了材料的内部缺陷和氢化程度。这些表征结果使我们对材料的微观机制有了更全面的理解，推动了针对氢化非晶硅层性能优化的研究。

通过上述多种表征手段，本文分析了每层在激光照射下的瞬态热响应，并使用COMSOL Multiphysics 6.1的有限元法进行了数值模拟。这一过程结合了双温度模型（TTM）和波光学模块（WOM），深入探讨了光与热相互作用的复杂性，并验证了不同材料层的热响应特性。这些发现使我们能够更好地理解材料的热行为，并为后续材料的优化设计提供了重要依据。

总之，经过系统的表征与分析，本文深入探讨了太阳能电池材料的性能机制，并针对材料的微观结构进行了详细研究。通过优化设计，制备出新型太阳能电池材料，最终推动了光伏技术的进步。

图1：HBC太阳能电池发展。

图2. HBC 的密集钝化 N 接触。

图3. 激光图案化过程。

图4: 太瓦级可持续性分析。

总结展望

本文揭示了激光图案化技术在高效HBC太阳能电池制造中的重要性，展示了如何通过创新工艺解决传统生产中面临的技术与成本挑战。研究表明，采用密集钝化接触和优化的激光处理可以显著提升电池的功率转换效率，甚至超过27%。这一成果不仅打破了硅太阳能电池的效率极限，还为未来的可持续能源发展提供了新思路。通过去除稀有材料如铟和银，研究者展示了在不牺牲性能的情况下实现高效电池的可能性。这表明，结合新材料和先进制造技术，未来的太阳能电池将更加经济、环保，推动光伏技术的大规模应用与普及。此外，本文中的ESMRC模型为评估光伏技术的可持续性提供了新的框架，强调了在追求高效率的同时，必须关注材料的可获取性和生产过程的环保性。这些科学启迪为进一步推动太阳能技术的进步奠定了基础，有助于实现全球碳中和目标。

原文详情：

LWu, H., Ye, F., Yang, M. et al. Silicon heterojunction back contact solar cells by laser patterning. Nature (2024).

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08110-8

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