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寧波材料所開發出效率25.53%的新型隧穿氧化硅鈍化接觸(TOPCon)晶硅太陽電池
作者:,日期:2021-11-10

  近日,經福建計量科學研究院國家光伏產業計量測試中心*認證,中國科學院寧波材料技術與工程研究所硅基太陽能及寬禁帶半導體團隊開發出效率為25.53%(Voc=700.7 mV,Jsc=43.04 mA/cm2,FF=84.64%)的新型高效隧穿氧化硅鈍化接觸(TOPCon)概念驗證電池,突破了晶科能源和中來股份2021年10月份分別發布的25.4%的國內效率紀錄,居行業先進水平,見圖1和圖2。值得一提的是,該電池采用了基于等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)技術制備的新型多晶硅化物薄膜,可顯著增強表面鈍化、降低中長波段寄生吸收,同時兼顧載流子選擇性收集,能夠全面提升填充因子、短路電流及開路電壓,展現出了巨大的產業應用潛力。

  過去十多年,晶硅太陽電池轉換效率以每年0.5%~0.6%的速度不斷提升。目前,產業主流的鈍化發射極及背面接觸(PERC)電池已經接近其量產極限效率(~23.5%)。光伏行業迫切需要開發效率更高且成本可控的量產型鈍化接觸技術。TOPCon是一種典型的鈍化接觸技術,其核心結構由超薄氧化硅層和重摻雜多晶硅層組成,具有量產效率高、兼容現有產線等優點,被廣泛認可為下一代主流晶硅太陽電池技術。因此,研究高效TOPCon電池技術、理解關鍵科學問題、突破核心材料技術、研制先進量產裝備技術是當前光伏研究領域的重要內容。

  中科院寧波材料所硅基太陽能及寬禁帶半導體團隊在葉繼春研究員帶領下,于2015年底開始布局研究TOPCon技術,是國內最早開展相關研究的科研機構之一,圍繞PECVD路線開展TOPCon技術的系統性研發。在閆寶杰研究員、曾俞衡研究員、劉偉高級工程師、廖明墩高級工程師、楊陣海博士等科研人員及歷屆研究生的共同努力下,在電池結構設計與器件仿真模擬(正結、背結、雙面鈍化接觸、IBC、選擇性發射極、電荷隧穿傳輸和孔洞傳輸等)、關鍵材料與工藝開發(納米氧化物薄膜材料及多種制備技術、摻雜多晶硅化物薄膜材料及制備、新型擴硼工藝、新型退火工藝/氫注入工藝、電極材料與工藝等),以及量產型裝備技術研制(管式PECVD、納米氧化硅和摻雜多晶硅二合一設備)等方面取得系列成果,其中,n型和p型TOPCon的最高iVoc分別為750 mV和730 mV,實驗室概念驗證電池最高效率為25.53%,居行業先進水平。

  截至2021年10月,團隊已就TOPCon技術在光伏/能源類主流期刊發表論文23篇,包括最近在頂級期刊Energy & Environmtal Science上發表的基于碳摻雜多晶硅的高效TOPcon太陽電池方面的學術論文(DOI: 10.1039/D1EE02011K),在Cell Reports Physical Science上發表的孔洞形成機理以及電荷傳輸機理方面的學術論文(doi.org/10.2139/ssrn.3910800),以及在Solar RRL上發表的多晶氮化硅高效TOPCon太陽電池方面的學術論文(DOI: 10.1002/solr.202100644)等文章,發表文章數量位居全球科研機構前列。團隊在該領域布局了60余項專利,初步形成獨立自主的知識產權。

  目前,團隊與上市公司金辰股份合作開發出量產型管式PECVD裝備及其全套技術,見圖3,在材料、工藝以及設備方面開展全方位創新,可實現TOPCon電池關鍵制程的大幅優化和制造成本的顯著下降,并在設備可維護性等方面滿足了量產需求。該裝備在多家龍頭光伏上市公司進行中試驗證,獲得平均效率>24%(最高效率24.5%)的量產型n型TOPCon電池,且在二合一設備開發上取得了突破,是國內極少數先于外國設備商開發的具有完全獨立知識產權的光伏用量產核心設備,受到光伏行業的高度關注。

  本團隊相關工作得到金辰股份及其子公司蘇州拓升的大力支持,也得到博威爾特、東方日升、時創新能源、晶科能源、中來股份、帝科股份、鈞乾智造等合作伙伴的支持和幫助;同時得到國家自然科學基金(61874177、61974178)、國家重點研發計劃(2018YFB1500403)、中科院青年促進會人才計劃(2018333)、寧波市“科技創新2025”重大專項(2020Z098)、浙江省重點研發計劃(2021C01006)、遼寧省揭榜掛帥科技攻關項目、浙江省自然科學基金(LY19F040002)等項目的資助。

  *福建計量科學研究院國家光伏產業計量測試中心(NPVM)是受《Solar Cell Efficiency Tables, version 57》認可的認證機構。

圖1 福建計量科學研究院國家光伏產業計量測試中心認證報告截圖

圖2 (a)中科院寧波材料所TOPCon電池結構示意圖;(b)全世界主要研究機構及企業在n型TOPCon電池效率的進展,紅色代表中科院寧波材料所(NIMTE-CAS)

圖3 金辰股份子公司蘇州拓升與中科院寧波材料所團隊開發的管式PECVD裝備

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