寧波材料所開發(fā)出效率達(dá)24.3%的多晶硅鈍化接觸n型晶硅太陽(yáng)電池
多晶硅鈍化接觸技術(shù)（通常稱TOPCon，也稱為POLO、PERPoly、monoPolyTM、iTOPConTM、PERTOPTM）被廣泛認(rèn)為是最有希望的繼PERC電池之后的下一代高效晶硅電池技術(shù)之一，是晶硅太陽(yáng)電池技術(shù)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。截至2020年3月，全世界就該技術(shù)共發(fā)表近190余篇期刊和會(huì)議論文，德國(guó)弗勞恩霍夫太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所（Fraunhofer ISE）、德國(guó)哈梅林太陽(yáng)能研究所（ISFH）、澳大利亞國(guó)立大學(xué)（ANU）、中科院寧波材料所（NIMTE-CAS）、天合光能及中山大學(xué)（Trina & SYSU）、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)（TUD）、新加坡太陽(yáng)能研究所（SERIS）、美國(guó)喬治亞理工大學(xué)（Georgia Tech）、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）、荷蘭能源研究中心（ECN）、美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）、中科院微電子所（IM-CAS）等是該技術(shù)的主要研究單位。
中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所太陽(yáng)能及光電子器件研究團(tuán)隊(duì)在葉繼春研究員和閆寶杰研究員的帶領(lǐng)下，在曾俞衡博士、廖明墩工程師等團(tuán)隊(duì)成員的共同努力下，于2015年底起開始布局研究TOPCon技術(shù)，是國(guó)內(nèi)最早開展相關(guān)研究的科研機(jī)構(gòu)之一。團(tuán)隊(duì)核心人員累計(jì)有30年以上的產(chǎn)業(yè)界經(jīng)歷，注重基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用需求的緊密結(jié)合，旨在為該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供理論和實(shí)踐支撐。近來(lái)，寧波材料所團(tuán)隊(duì)在高性能鈍化接觸技術(shù)開發(fā)、高效全電池集成、關(guān)鍵材料開發(fā)、驗(yàn)證性設(shè)備開發(fā)等方面均取得顯著進(jìn)步。
在高性能鈍化接觸技術(shù)開發(fā)方面，寧波材料所綜合運(yùn)用高質(zhì)量界面氧化硅、致密多晶硅薄膜、優(yōu)化摻雜分布曲線、高效氫鈍化等技術(shù)，獲得優(yōu)異的鈍化接觸指標(biāo)（采用單面飽和電流密度J0,s和隱含開路電壓iVoc進(jìn)行表征，J0,s越低越好、iVoc越高越好）。最優(yōu)n型技術(shù)的關(guān)鍵鈍化指標(biāo)為最低J0,s=0.8fA/cm2、最高iVoc=749mV（Sol. Energy, 2019, 194, 18）；最優(yōu)p型技術(shù)的關(guān)鍵鈍化指標(biāo)為最低J0,s=6.0fA/cm2、最高iVoc=722mV（Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2020, 210, 110487），在國(guó)際上處于先進(jìn)水平。圖1（a，b）顯示了世界各主要研究機(jī)構(gòu)在關(guān)鍵鈍化指標(biāo)（J0,s）上的進(jìn)展。
在高效電池開發(fā)方面，寧波材料所堅(jiān)持實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)，經(jīng)過(guò)多年不懈努力，于2020年1月開發(fā)出效率為24.27%的n型TOPCon電池（南開大學(xué)獨(dú)立測(cè)試），在國(guó)內(nèi)科研院所中處于領(lǐng)先地位。圖2（a）顯示了世界各主要研究機(jī)構(gòu)在該類電池的最高效率進(jìn)展。值得一提的是，該最高效率電池集成了新型材料，而常規(guī)對(duì)照電池的最高效率僅為24.02%，如圖2（b）所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，運(yùn)用了新材料的電池的平均效率比常規(guī)電池的高出了0.32%abs（論文準(zhǔn)備中）。寧波材料所將這種新型鈍化接觸電池注冊(cè)為PERTOPTM電池（Passivated Emitter and Rear Tunnel Oxide Passivation）。
在關(guān)鍵材料開發(fā)方面，寧波材料所也做了大量的研究工作。針對(duì)界面氧化硅層，寧波材料所通過(guò)各種途徑，實(shí)驗(yàn)評(píng)估了各種氧化硅制備方法，包括硝酸氧化、紫外臭氧氧化、臭氧水氧化、混合酸氧化、熱氧化、等離子體輔助氧化、原子層沉積、等離子體沉積、磁控濺射氧化等。研究表明，不同方法獲得的氧化硅在厚度和組分上有所差異，不過(guò)只要經(jīng)過(guò)合理的后繼工藝配合，采用上述氧化硅材料獲得的n型TOPCon結(jié)構(gòu)的飽和電流密度均可低于12fA/cm2，部分可低于2fA/cm2，可滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求。值得一提的是，寧波材料所針對(duì)PECVD工藝路線亟需的原位氧化硅制備技術(shù)，開發(fā)了等離子體輔助原位氧化法，利用該氧化硅材料獲得了優(yōu)異的鈍化和接觸性能，在n型硅片的最優(yōu)指標(biāo)為J0,s=2.0fA/cm2、iVoc=747mV（Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2020, 208, 110389），在p型硅片的最優(yōu)指標(biāo)為J0,s=3.0fA/cm2、iVoc=742mV（Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2019, 200, 109926）；通過(guò)優(yōu)化氧化硅制備技術(shù)，獲得具有優(yōu)異鈍化的p型TOPCon結(jié)構(gòu)，在n型硅片的最優(yōu)指標(biāo)為J0,s=6.0fA/cm2、iVoc=722mV（Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2020, 210, 110487），這也是迄今為止采用PECVD路線所獲得的最優(yōu)指標(biāo)之一。在多晶硅制備方面，寧波材料所同樣利用多種途徑，實(shí)驗(yàn)評(píng)估過(guò)PECVD、LPCVD、Sputtering、和E-Beam等技術(shù)路線?；趯?duì)不同技術(shù)路線優(yōu)缺點(diǎn)的了解，寧波材料所選擇主攻PECVD技術(shù)路線，在基于PECVD摻雜非晶硅的成膜條件、摻雜調(diào)控、晶化控制、脫膜抑制、方阻調(diào)整等方面均積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，制備出優(yōu)異性能的TOPCon結(jié)構(gòu)。
綜上所述，寧波材料所圍繞TOPCon技術(shù)的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用展開系統(tǒng)研究，部分關(guān)鍵指標(biāo)和電池效率取得顯著進(jìn)步；截至2020年3月，已在行業(yè)主流期刊Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Sol. Energy, Sol. RRL等發(fā)表期刊論文14篇，論文數(shù)居世界各機(jī)構(gòu)前列；申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利多項(xiàng)，初步形成獨(dú)立自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)；聯(lián)合中科院專業(yè)機(jī)構(gòu)完成“2019年TOPCon太陽(yáng)能電池專利分析報(bào)告”一份；目前正在與合作單位聯(lián)合開發(fā)的基于PECVD技術(shù)路線的量產(chǎn)型設(shè)備，旨在解決行業(yè)缺乏核心裝備這一痛點(diǎn)問(wèn)題，設(shè)備一旦驗(yàn)證成功，將是國(guó)內(nèi)極少數(shù)先于外國(guó)設(shè)備商開發(fā)的具有完全獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的光伏用量產(chǎn)核心設(shè)備。寧波材料所在TOPCon技術(shù)的各項(xiàng)研究上均取得顯著進(jìn)展，是國(guó)內(nèi)代表性科研機(jī)構(gòu)之一。
本工作該系列成果得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFB1500403）、國(guó)家自然科學(xué)基金（61874177、61974178）、浙江省自然科學(xué)基金（LY19F040002）等項(xiàng)目的資助。
圖1 全世界主要科研機(jī)構(gòu)在（a）n型TOPCon技術(shù)和（b）p型TOPCon技術(shù)所達(dá)到的J0,s
圖2 （a）全世界主要科研機(jī)構(gòu)在n型TOPCon電池效率的進(jìn)展，（b）寧波材料所的最高效率n型PERTOPTM電池和對(duì)照電池的光致J-V曲線
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