2024年，隆基绿能科技股份有限公司在科研领域全面爆发，连续发表多篇Nature。1月31日，隆基绿能科技股份有限公司与江苏科技大学，澳大利亚科廷大学合作，报告了一种既能提高硅异质结太阳能电池的功率转换效率，又能使其具有柔性的组合方法。该论文使用低损伤的连续等离子体化学气相沉积技术来防止外延，使用自恢复纳米晶播种和垂直生长技术来开发掺杂触点，并使用无接触激光转移印花技术来沉积低阴影栅线。制备出了不同厚度（55-130 微米）的高性能电池，认证效率分别为 26.06%（57 微米）、26.19%（74 微米）、26.50%（84 微米）、26.56%（106 微米）和 26.81%（125 微米）。9月5日，隆基绿能科技股份有限公司与苏州大学、中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司、香港理工大学合作，通过利用纳米尺度离散分布的LiF超薄膜，并随后沉积二碘化铵分子，设计了一种双层交织钝化策略，该策略结合了高效的电子提取和进一步抑制非辐射复合，在1平方厘米面积的钙钛矿-硅叠层太阳能电池上实现了认证的稳定PCE为33.89%，FF为83%。10月1日，隆基绿能科技股份有限公司与扬州大学合作，使用激光器来简化背接触太阳能电池的制造并提高功率转换效率，得到了第一个超过27%效率的硅太阳能电池。下面我们进行详细介绍。
▲第一作者：Hua Wu、Feng Ye
通讯作者：Xixiang Xu、Zhenguo Li、Liang Fang、Jianning Ding、Chaowei Xue
通讯单位：隆基绿能科技股份有限公司、扬州大学
论文doi：10.1038/s41586-024-08110-8（点击文末「阅读原文」，直达链接）
背接触硅太阳能电池，通过去除阳面的栅线，以其美学吸引力而受到重视，在建筑物、车辆和飞机中应用广泛，可以在不损害外观的情况下实现自发电。图案化技术将接触排列在硅片的阴影一侧，同时也为光入射提供了好处。然而，图案化过程使生产复杂化，并造成功率损耗。1.本工作使用激光器来简化背接触太阳能电池的制造并提高功率转换效率，得到了第一个超过27%效率的硅太阳能电池。2.本工作通过在硅片上沉积氢化非晶硅层，用于表面钝化和收集光生载流子。开发了一种有别于常规工艺实践的致密钝化触头，使用不同波长的脉冲皮秒激光器来创建背接触图案。3.本工作所开发的方法可以简化现有生产高性能背接触硅太阳能电池的工艺，总有效处理时间约为新兴主流技术的三分之一。4.为了满足太瓦级（terawatt）的需求，本工作开发了26.5%效率的无铟电池和26.2%效率的无银电池。随着这些技术的进步，太阳能解决方案在建筑和交通中的集成正蓄势待发。1、本工作首先进行了HBC太阳能电池设计。本工作概述了HBC太阳能电池的实际结构，并确定了实现第一个超过27% PCE的Si太阳能电池的关键特性(图1a)。2、在器件层面，旨在降低复合电流密度(J0)和接触电阻率(ρc)的工艺对整体PCE有贡献(图1b)。Si异质结技术(SHJ)利用含氢的薄Si层作为钝化接触。3、本工作确定了在达到>27% PCE的途径上的三个关键工艺进展，分别是：密集钝化接触(DPC)，激光束诱导损伤(LBID)自由激光图案化和通过改进湿化学过程来控制侧蚀(图1b)。4、掩盖晶片边缘，在243.0 cm2的指定面积上获得了27.3%的PCE (图1e)。在该电池上测量的外量子效率(EQE)和反射如图1f所示。全面积太阳能电池较低的电流密度归因于晶圆边缘处的不完美钝化，这表明通过改善边缘损耗来改善电池的性能是有潜力的。1、接下来，本工作进行了HBC的高级钝化接触。后置的n型欧姆接触避免了为了减少寄生光吸收而进行的氧掺入或结晶的需要。在之前的研究中，本工作发现了两种在i：a-Si：H层沉积中抑制外延的方法来实现增强的钝化(图2a)。2、本工作在这项工作中使用"密集"一词来描述含有较少氢的层，即具有较低的微观结构因子R*。本工作开发了致密钝化接触(DPC)来同时解决n型欧姆接触的钝化和接触电阻率问题。3、使用这种SPET(SiH2在高温下的促进作用)方法，在240°C下沉积的i0层实现了优异的钝化。与在较低温度下沉积的层相比，特别是在中低注入水平下，表现出更高的有效寿命(图2c)。值得注意的是，在异质结中，240°C明显偏离了180-210°C的通常做法(图2d)。4、优异的钝化质量结合相对较低的氢含量18%(图2e)，表明界面处的Si-DB和外延确实受到了抑制，保证了采用更致密的ACCELERATED i1层而不影响上述钝化。5、值得注意的是，这些ρc值是在高强度光照退火后测量的。本工作还发现，更致密的i层对激光通量的抵抗能力更强(图2g)。1、在HBC太阳能电池的制备中，三个激光图案化步骤(P1、P2、P3)分别通过选择性去除n型欧姆接触、P-contact和ITO层来产生叉指状的N/P极性。顶部帽状激光束在两种模式下工作：P1和P3中使用的重叠模式完全移除了层，而P2中使用的单次激发模式保留了连续激发之间的区域(图3a)。2、P2的单次曝光模式在n：a-Si：H薄膜与ACCELERATED ITO层之间产生了部分接触，而不是全面积接触。本工作发现这对于维持底层n型欧姆接触的钝化是必要的。ARTICLE PREVIEW为了同样的目的，在P2和P3中分别使用脉冲绿光(532 nm)和紫外(355 nm)皮秒(ps)激光，以最大限度地减少热影响。3、通过仿真和实验探究了激光通量、i：a-Si：H/n：a-Si：H钝化质量和SiNx厚度之间的关系。对模拟中所需要的层的光学性质进行了测量(图3d)。根据模拟结果，确定了开启P接触的激光能量密度阈值为94 mJ/cm2。从这个阈值开始，施加一个递增的激光注量序列，并测量相应的有效寿命(图3c)。4、值得注意的是，采用全激光图案化技术制备的器件性能优于采用光刻技术制备的P3器件。这可能归因于去除光刻胶所用的碱性介质对正面i：a-Si：H钝化的破坏。本工作在完全激光处理的HBC太阳能电池中一直观察到较高的Jsc和FF。同样值得指出的是，完全去除所有无明显残留物的光刻胶是具有挑战性的，这可能需要适用于半导体行业而非光伏行业的化学品的应用。1、最后，本工作使用7 nm的ITO层实现了26.5%的In-less HBC太阳能电池效率(图4b)。为了满足导电性的需求，本工作在超薄ITO层上涂覆30 nm的SnO2。这表明HBC是一个特瓦级的技术，覆盖了光伏总需求(16%的CAGR可满足需要)的30%。2、本工作还展示了丝网印刷低温Cu浆料金属化的HBC太阳能电池26.2%的效率(图4c)。本工作期望，在这些技术取得进一步进展后，In-less与Cu金属化HBC的结合可以成为实现3TW目标的主要组件技术，从而支持向可再生能源的过渡，实现碳中和。3、总体而言，在ESMRC ACCELERATED评估中，HBC在效率和可扩展性方面优于PERC、TOPCon和SHJ，但ARTICLE PREVIEW在可制造性方面较差(图4d)。PERC和TOPCon由于依赖于银接触的形成而表现出可扩展性的局限性。这一点在TOPCon太阳能电池中尤为明显，其中广泛使用的激光增强接触优化(LECO)工艺仅适用于烧结银接触。4、本工作强调，HBC是一项突出的太瓦级技术，已经走上了减少CapEx以实现量产的道路。从电动汽车制造部门的类似经验中获得的见解可以丰富本工作对HBC案例的理解。在不久的将来，探索具有良好理论效率的混合结构可以将成本高昂的平行板PECVD使用量减少三分之一到三分之二。https://www.nature.com/articles/s41586-024-08110-8
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