研究背景
光伏行业现状：
晶体硅（c-Si）太阳能电池占据了光伏组件生产的90%以上市场份额。
高效晶体硅太阳能电池在过去几十年间经历了效率的显著提升，从实验室原型（如PERL和PERC）到大规模量产，转化效率达到了26%以上。
现存挑战：
虽然背接触（IBC）电池具有更高的效率（可达26.7%），但双面接触（FBC）电池因其工艺复杂性较低而成为工业生产的主流选择。
在高效FBC电池中，由于表面复合、光栅遮蔽等损耗的抑制，设计相关的损耗（如载流子输运损耗和硅块体复合损耗）逐渐成为限制因素。
研究目标：
探讨平衡载流子输运与复合损耗的电池设计规则。
针对未来效率高于26%的FBC硅太阳能电池，提出最佳设计方案。
研究思路
实验设计：
比较不同设计的FBC电池，包括正面结（FJ）和背面结（BJ）。
使用浮区（FZ）硅片以确保材料质量的高一致性，重点关注设计相关的性能差异。
制备n型和p型TOPCon BJ太阳能电池，并系统分析其效率、填充因子（FF）和短路电流密度（Jsc）。
损耗分析：
通过自由能量损失分析（FELA）和功率损失分析（PLA）方法，定量评估电池的光学、电学损耗。
使用Quokka3软件进行3D模拟，研究载流子输运与复合损耗的平衡。
模拟研究：
系统比较FJ和BJ电池的表现，并分析掺杂浓度、面电阻等参数对性能的影响。
考虑高阻硅片（ρb=10 Ω·cm）和低阻硅片（ρb=1 Ω·cm）在不同设计中的表现。
结果与讨论
1. FJ和BJ电池性能比较
实验结果：n-FJ电池的最高效率为25.8%，p-BJ电池在低阻硅片上的效率达到26.0%。
p-BJ电池表现出更高的开路电压（Voc，732 mV）和填充因子（84.3%），但短路电流密度（Jsc）稍低。
损耗分析：FJ电池在正面全覆盖的p+发射极下表现出更高的复合损耗。
BJ电池由于正面无发射极层，光学损耗略高，但其低表面复合速率和更好的电学性能弥补了这些不足。
2. 电学与光学损耗分析
自由能量损失分析（FELA）：p-BJ电池表现出均衡的电子和空穴输运损耗。
n-FJ电池的空穴输运损耗显著，尤其在高面电阻条件下，导致复合损耗增加。
功率损失分析（PLA）：1 Ω·cm的p-BJ电池在输运损耗和表面复合损耗之间实现了良好的平衡。
10 Ω·cm的p-BJ电池因空穴输运受限，表现出较高的电阻损耗。
3. 材料质量对性能的影响
掺杂浓度与阻值：中等掺杂的硅片（ρb ≈ 2 Ω·cm）在BJ设计中表现最佳，因其更低的体复合损耗和足够的空穴导电性。
光学性能：FJ电池的前表面反射和遮蔽损耗较低，而BJ电池在正面无全覆盖发射极时表现出更高的光学损耗。
研究结论
BJ设计因其正面无导电层而在高效FBC太阳能电池中具有明显优势。
p型BJ电池在适度掺杂硅片上实现了最佳性能，展现了较高的效率潜力。
开发更高质量的硅材料（如磁性Cz硅或无氧化硼-氧缺陷硅）将进一步提高BJ电池的性能。
BJ电池的设计将成为过渡到多结太阳能电池（效率超过30%）的重要步骤。
图1：硅太阳能电池效率的演化与对比
图1a：过去30年中不同结构太阳能电池效率的演化：PERL电池：最早的高效晶体硅电池，效率达25%。
PERC电池：工业标准电池，效率接近23.4%。
SHJ电池：基于氢化非晶硅的异质结电池，效率达到25.1%-26.7%。
TOPCon BJ电池：该研究中p型硅双面接触电池的效率为26.0%。
图1b-d：这些电池的I-V参数（开路电压Voc、短路电流密度Jsc、填充因子FF）随时间的提升趋势。
图1e：不同电池的光学性能与电学性能相对于Shockley-Queisser极限的分数。
近年来，异质结（SHJ）和TOPCon电池在高效电池领域占据主导地位。
TOPCon BJ电池在电学性能方面接近SHJ IBC电池，展现出较高的潜力。
图2：不同太阳能电池结构的横截面示意图
图2a-f：分别展示了PERL、SHJ FJ、SHJ IBC、n型TOPCon FJ、p型TOPCoRE BJ电池的结构：PERL电池：具有局部背表面场（LBSF）。
SHJ电池：正面和背面为非晶硅钝化接触。
TOPCon电池：背面采用隧穿氧化物钝化接触。
TOPCoRE电池：前表面无全覆盖发射极，背面采用TOPCon接触。
图2f-g：展示TOPCoRE电池的实际制备图和扫描电子显微镜（SEM）图像，显示高纵横比的金属接触指。
TOPCoRE设计通过省略正面导电层简化了结构，同时提高了光学性能。
SEM图像显示了优化后的金属接触设计，有助于减少遮蔽损耗。
图3：实验测量的I-V参数
比较n型TOPCon FJ电池与p型TOPCon BJ电池的开路电压（Voc）、短路电流密度（Jsc）、填充因子（FF）和效率（η）。
p型BJ电池表现出最高的Voc（732 mV）和FF（84.3%）。
p型BJ电池效率达26.0%，超越了n型FJ电池（25.8%）。
Jsc在BJ电池中稍低，主要由于其光学损耗略高。
实验数据验证了BJ设计在正面无导电层条件下的优异性能，证明其在高效电池中的潜力。
图4：功率损耗分析（PLA）
图4a-b：展示功率损耗的自由能量分析（FELA）和电学功率损耗。
图4c：功率损耗的来源包括：光学损耗：由前表面遮蔽和反射引起。
电学损耗：包括载流子输运损耗和体复合损耗。
前表面复合损耗：BJ电池在非接触区域的损耗最低。
1 Ω·cm的p型BJ电池在输运和复合损耗之间实现了良好的平衡。
高阻硅片的BJ电池表现出更大的空穴输运损耗。
PLA揭示了高效电池设计需要在复合和输运损耗之间找到平衡。
强调了材料掺杂浓度对BJ电池性能的关键影响。
图5：不同前表面导电性（面电阻）对电池性能的影响。高面电阻（无导电层）下，BJ电池的输运损耗最低。
图6：不同掺杂浓度的硅片对FJ和BJ电池性能的影响。p型BJ电池在适度掺杂（ρb≈2 Ω·cm）下表现最佳。
BJ设计在高面电阻和低掺杂条件下表现出优势。
高阻硅片的BJ设计在电学性能上接近FJ电池，但表现出更高的光学损耗。
模拟结果为未来高效电池设计提供了具体指导，进一步验证了BJ设计的可行性。
