強(qiáng)悍！隆基綠能，再發(fā)Nature!
米測(cè)MeLab
納米人
2024-10-09
研究背景
隨著可再生能源的快速發(fā)展，太陽(yáng)能作為重要的清潔能源選項(xiàng)，因其廣泛的應(yīng)用潛力和環(huán)境友好性，引起了科學(xué)家的廣泛關(guān)注。硅太陽(yáng)能電池是最成熟的光伏技術(shù)之一，然而，傳統(tǒng)的單結(jié)太陽(yáng)電池在能量轉(zhuǎn)換效率上面臨瓶頸。為突破這一極限，研究者們提出了鈣鈦礦-硅雙結(jié)疊層電池的概念，以期提升整體光電轉(zhuǎn)換效率。這種雙結(jié)電池通過(guò)將鈣鈦礦層與硅基材料相結(jié)合，能夠更有效地利用太陽(yáng)光，從而顯著提高光伏組件的效率。然而，盡管雙結(jié)疊層電池展示了良好的前景，其制造過(guò)程中卻面臨諸多挑戰(zhàn)，特別是背接觸（BC）太陽(yáng)能電池的圖案化工藝復(fù)雜，導(dǎo)致效率損失和生產(chǎn)成本高。研究表明，傳統(tǒng)的正反兩側(cè)電極設(shè)計(jì)會(huì)阻擋光線，降低光吸收能力，而背接觸設(shè)計(jì)可以將電極置于陰影面，減少光遮擋，提高電池的整體效率和美觀度。因此，如何有效制造高效的背接觸太陽(yáng)能電池，成為了當(dāng)前光伏研究的難點(diǎn)之一。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)展開(kāi)了深入研究。1975年，普渡大學(xué)的學(xué)者提出了叉指背接觸（IBC）電池的概念，隨后斯坦福大學(xué)實(shí)現(xiàn)了22.3%的效率記錄，為BC電池的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。進(jìn)入21世紀(jì)，異質(zhì)結(jié)背接觸（HBC）電池結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)，為提高效率提供了新的方向。2007年，這一結(jié)構(gòu)首次被提出，并在2017年實(shí)現(xiàn)了26.7%的功率轉(zhuǎn)換效率，展示了異質(zhì)結(jié)技術(shù)的巨大潛力。盡管如此，制造HBC電池仍存在背面復(fù)雜圖案化工藝帶來(lái)的技術(shù)和成本問(wèn)題。為了簡(jiǎn)化這一過(guò)程，隆基綠能科技有限公司李振國(guó)、徐希翔博士、Liang Fang 、Chaowei Xue聯(lián)合揚(yáng)州大學(xué)丁建寧教授開(kāi)發(fā)了一種新穎的激光圖案化方法。這一方法不僅提高了生產(chǎn)效率，還成功制造出效率超過(guò)27%的硅太陽(yáng)能電池，標(biāo)志著在光伏技術(shù)上的重要突破。以上成果在“Nature”期刊上發(fā)表了題為“Silicon heterojunction back contact solar cells by laser patterning”的最新論文。 研究亮點(diǎn)
（1）實(shí)驗(yàn)首次成功開(kāi)發(fā)了高效率的激光圖案化硅異質(zhì)結(jié)背接觸（HBC）太陽(yáng)能電池，達(dá)到了超過(guò)27%的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE），標(biāo)志著在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的重要突破。（2）實(shí)驗(yàn)通過(guò)采用密集鈍化接觸技術(shù)和脈沖激光器進(jìn)行背接觸圖案化，優(yōu)化了接觸電阻率，從93 mΩ·cm2降至43 mΩ·cm2，有效減少了載流子復(fù)合，提升了整體電池效率。（3）研究還展示了激光圖案化工藝的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)三步激光處理，避免了激光損傷，最終在243cm2的指定面積上實(shí)現(xiàn)了27.3%的PCE。（4）為應(yīng)對(duì)稀有材料的供應(yīng)問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了無(wú)銦和無(wú)銀的HBC電池，分別達(dá)到了26.5%和26.2%的效率，展示了良好的可持續(xù)性和經(jīng)濟(jì)性。（5）研究結(jié)果表明，激光圖案化的HBC技術(shù)在光伏模塊的規(guī)模化生產(chǎn)中具有顯著優(yōu)勢(shì)，工藝時(shí)間僅為傳統(tǒng)技術(shù)的三分之一，助力實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。圖文解讀
本文通過(guò)Sinton FCT-650 IV測(cè)試儀和WCT-120儀器，對(duì)太陽(yáng)能電池的電流-電壓（I-V）特性和壽命進(jìn)行了精確測(cè)量，從而揭示了光伏材料在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的性能表現(xiàn)。特別是，通過(guò)提取表面復(fù)合參數(shù)J0和接觸電阻，分析了電池的復(fù)合損失和接觸性能，為理解電池效率提供了重要依據(jù)。針對(duì)電氣遮擋機(jī)制引起的電流損失現(xiàn)象，本文采用內(nèi)部光束誘導(dǎo)電流（LBIC）系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的表征。這一微觀機(jī)理的分析不僅揭示了光束對(duì)電流分布的影響，還幫助我們理解了在光照條件下材料的電氣特性。這種表征手段提供了對(duì)電流損失源的深入洞察，為優(yōu)化太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)提供了理論支持。在此基礎(chǔ)上，使用J.A.Woollam M-2000橢偏儀測(cè)量單層的厚度、折射率（n）和消光系數(shù)（k），揭示了材料在光學(xué)特性方面的表現(xiàn)。同時(shí)，采用傅里葉變換紅外光譜測(cè)量（FTIR）獲得氫化非晶硅層的微觀結(jié)構(gòu)（R*）和氫含量（CH），進(jìn)一步挖掘了材料的內(nèi)部缺陷和氫化程度。這些表征結(jié)果使我們對(duì)材料的微觀機(jī)制有了更全面的理解，推動(dòng)了針對(duì)氫化非晶硅層性能優(yōu)化的研究。 通過(guò)上述多種表征手段，本文分析了每層在激光照射下的瞬態(tài)熱響應(yīng)，并使用COMSOL Multiphysics 6.1的有限元法進(jìn)行了數(shù)值模擬。這一過(guò)程結(jié)合了雙溫度模型（TTM）和波光學(xué)模塊（WOM），深入探討了光與熱相互作用的復(fù)雜性，并驗(yàn)證了不同材料層的熱響應(yīng)特性。這些發(fā)現(xiàn)使我們能夠更好地理解材料的熱行為，并為后續(xù)材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。總之，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的表征與分析，本文深入探討了太陽(yáng)能電池材料的性能機(jī)制，并針對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)研究。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，制備出新型太陽(yáng)能電池材料，最終推動(dòng)了光伏技術(shù)的進(jìn)步。總結(jié)展望
本文揭示了激光圖案化技術(shù)在高效HBC太陽(yáng)能電池制造中的重要性，展示了如何通過(guò)創(chuàng)新工藝解決傳統(tǒng)生產(chǎn)中面臨的技術(shù)與成本挑戰(zhàn)。研究表明，采用密集鈍化接觸和優(yōu)化的激光處理可以顯著提升電池的功率轉(zhuǎn)換效率，甚至超過(guò)27%。這一成果不僅打破了硅太陽(yáng)能電池的效率極限，還為未來(lái)的可持續(xù)能源發(fā)展提供了新思路。通過(guò)去除稀有材料如銦和銀，研究者展示了在不犧牲性能的情況下實(shí)現(xiàn)高效電池的可能性。這表明，結(jié)合新材料和先進(jìn)制造技術(shù)，未來(lái)的太陽(yáng)能電池將更加經(jīng)濟(jì)、環(huán)保，推動(dòng)光伏技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用與普及。此外，本文中的ESMRC模型為評(píng)估光伏技術(shù)的可持續(xù)性提供了新的框架，強(qiáng)調(diào)了在追求高效率的同時(shí)，必須關(guān)注材料的可獲取性和生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)保性。這些科學(xué)啟迪為進(jìn)一步推動(dòng)太陽(yáng)能技術(shù)的進(jìn)步奠定了基礎(chǔ)，有助于實(shí)現(xiàn)全球碳中和目標(biāo)。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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