解析冠军太阳能电池 - 先进的损耗分析揭示通往27%效率的路径

在第53届IEEE PVSC会议上（2025年6月在加拿大蒙特利尔举行），来自澳大利亚国立大学的Daniel MacDonald教授做了晶体硅领域的全体会议报告。他谈到了与晶科太阳能的长期合作，特别是关于高效率n型太阳能电池的现状。在这篇文章中，我们将查看他演讲中关于晶科创纪录的26.7%效率TOPCon电池以及澳大利亚国立大学和晶科用来理解和进一步改进这些器件的损耗分析的部分。

经Daniel MacDonald许可，我们已经录制了演讲的一部分并发布在本文底部。我们还在本文中包含了他的一些幻灯片。

高效率n型电池

在硅光伏世界中，有两种主要的电池架构在竞争成为替代PERC的首选技术。两者都使用n型衬底，并且都采用复杂的表面处理来提高效率。下面是Dan的幻灯片，显示了两者之间的比较。左边是TOPCon，右边是硅异质结电池或SHJ。

据Dan说，晶科专注于TOPCon电池架构，这是由于工艺的稳健性和资本支出成本降低2-3倍（即建设和运营TOPCon工厂更容易、更便宜）。在早期，这项技术在太阳能电池表面内部遭受效率损失。然而，引入LECO工艺来增强金属接触的质量，以及减少p+扩散强度，使得非常高的性能成为可能。Dan报告说，硼发射极薄层电阻现在超过300 Ω/□，这比过去倾向于<100 Ω/□的旧值要高得多的电阻。这些前表面区域现在在光学上表现优异，少数载流子复合低，但横向电阻高。下图显示了电池开路电压随时间的增加（电池内电损失的代理指标）。这种改进已经削弱了SHJ的效率优势。有趣的是，Dan指出TOPCon和SHJ中的表面复合现在都如此之低，以至于器件正在受到硅片本身内在特性的限制。

这些改进的结果是惊人的高电池效率。在晶科的案例中，他们已经展示了26.7%的大面积TOPCon电池。实现这一目标以及解锁进一步改进的关键一直是严格的损耗分析。Dan详细介绍了这一点，我们在本文最后捕获了他演讲的这一部分，因为它非常值得观看。

解析26.7%冠军电池

太阳能电池要么将入射能量转换为有用的电能，要么以某种方式失去它。为了实现更高的效率，我们需要精确找出能量丢失的位置。损耗可以分为三类：

• 光学损耗：入射光子未转移到有用电载流子中的能量。这些损耗包括表面反射、寄生吸收和弱吸收长波长光的逸出（它在电池内部反弹，可能在未被吸收的情况下逸出）。
• 复合损耗：由于有用的电荷载流子被捕获而未离开电池的电能。这些损耗发生在体半导体材料中和表面上，如与金属的接触点。
• 电阻性损耗：收集的电荷载流子在试图离开电池时将其能量损失为热量的欧姆损耗。这些损耗是多数载流子损耗，往往发生在金属电极、表面掺杂层和横向通过半导体本身。

如何量化这些损耗并将它们归因于特定原因是一项棘手的工作。它需要使用先进的仿真工具。在澳大利亚国立大学提出的工作中，他们对光学损耗应用了瀑布方法，其中他们从一个完善的基线模型开始，然后系统地”修复”器件的各个部分。然后在器件运行的最大功率点确定电学和电阻性损耗。使用的仿真工具是SunSolve和Quokka。

那张幻灯片上有很多信息，让我们来看看一些关键要点。首先，仿真模型与26.7%太阳能电池的测量模型匹配。这是通过器件本身的表征以及创建各种测试结构来测量各个组件而实现的。这让我们对模型的准确性有信心。

其次，一个可信的模型使我们能够量化26.7%电池中的损耗，如柱状图所示。这里的一个关键发现是光学损耗约占所有剩余损耗的一半。

第三，一个可信的模型使我们能够测试减少损耗的实用方法。Dan得出结论，通过优越的光陷阱（即改进的纹理和表面改进的散射）、多晶硅层中更少的吸收和更细的电极，这是可能的。SunSolve由于其复杂的光学模型而非常适合探索这些类型的改进。例如，多晶硅层中的寄生损耗可以使用自由载流子吸收模型进行建模。随机金字塔纹理的散射模型在文献中有很好的记录。

我们还了解到复合损耗由体俄歇主导（这是硅片的基本特性，只能通过改变体掺杂和硅片厚度来修改）。下一个最大的复合损耗发生在包含p+掺杂的表面区域（即前表面发射极）。Dan评论说，在这些器件中，总体复合如此之低，实际上所有表面区域都电耦合在一起。这意味着可以将总表面损耗建模为每个区域的简单面积平均（即，您可以通过将每个区域J0乘以其面积覆盖比例来为表面创建有效J0）。

拼图的最后一块是电阻性损耗。这些涉及优化金属设计和表面区域时的巨大权衡。两个大组件是空穴和电子传输。这是这些载流子被传输到金属电极以提取到外部电路时的横向流动。Dan指出表面薄膜和扩散区域没有提供太多帮助，因为它们现在掺杂很轻。解决方案将是更近的接触（或过渡到背接触电池，这是另一天的博客文章）。SunSolve包括一个解析栅格模型，它考虑了表面以及金属栅格本身的横向电阻性损耗。这允许通过仿真光学损耗和电阻性损耗之间的权衡来优化设计。

通过他们精调的模型，澳大利亚国立大学团队设计了一个效率超过27.1%的未来TOPCon电池，他们预计在12到18个月内看到。

通过仿真推动创新

澳大利亚国立大学和晶科团队的工作展示了使用仿真工具理解和改进太阳能电池的力量。它突出了光学损耗作为要克服的主要挑战的重要性。这些损耗和电阻之间的权衡将是这些团队未来工作的主要焦点。

SunSolve由于其复杂的光学模型和易用性而成为这项工作的首选工具。其他电池制造商如隆基、天合和许多其他公司都在使用它来指导和改进他们的电池设计。如果您想获得SunSolve的免费试用，请联系我们并立即开始。

致谢

感谢澳大利亚国立大学的方科恩博士提供关于他的损耗分析的进一步详细信息，以及Daniel MacDonald教授允许我们分享他的工作。

这项工作和澳大利亚国立大学提出的工作得到了澳大利亚可再生能源署（ARENA）资助的支持。本文表达的观点不一定是澳大利亚政府的观点，澳大利亚政府不对本文包含的任何信息或建议承担责任。

点击上面的图像观看Daniel MacDonald教授在第53届IEEE PVSC全体会议演讲的部分内容。

更新

看来Dan关于未来电池效率的预测是正确的，尽管他对何时实现这一目标的估计可能稍微保守了一些。自他的演讲和本博客文章的撰写以来，晶科太阳能已经宣布了他们大面积TOPCon电池27.0%的新纪录。