主页！星际娱乐挂机！主页 顺盈注册光伏发电，是目前最具潜力的可再生能源类型，也是契合我国“碳达峰/碳中和”底层逻辑的可再生能源类型。作为我国能源转型的重要支撑，在光伏技术发展方面始终走在前沿并掌握核心技术，不仅是国家能源安全的重要保障，也是为构建我国清洁低碳安全高效能源体系奠定基础。
光伏发电的核心主体是太阳电池，因光吸收层材料的不同而划分为晶体硅太阳电池、薄膜太阳电池等类型。晶体硅太阳电池因其原料充足、技术成熟、光电转换效率高等优势，一直处于光伏市场的主导地位（全球市场份额保持在90%以上）。
“高光电转换效率”和“低生产成本”始终都是光伏制造业所追求的目标。太阳电池的效率提高，可以使得整个光伏发电工程在逆变器、系统架构、工程建筑、运行维护、占地面积、财务等方面的支出成比例下降，从而降低整个光伏发电工程的度电成本（LCOE: Levelized Cost Of Electricity）。生产成本的降低则是主要通过生产工艺优化、规模化生产和产业垂直一体化等实现。
回顾太阳电池技术发展史，为提高其光电转换效率，主要攻关两个核心方面：一提高电学性能，二是增强光学吸收。
提高电学性能，即降低电池结构中光生载流子的复合，提高电池输出功率。其方法是提高吸收层晶体硅层的电学质量，并做好吸收层的表面/界面钝化。
增强光学吸收，即保证照射到电池表面的光尽可能多的被光学吸收层所吸收。其方法是做好表面陷光结构，并尽量减少正表面电极的遮光面积，或者将电池结构由单结变为多结，通过不同的材料扩大电池在整个光谱中的吸收范围。
从光伏行业兴起之初直到2018年，长达几十年的时间中始终占据市场主导地位。因其背面有整面印刷的铝浆形成背表面场效应驱使和分离载流子，因而称为铝背场太阳电池（Al-BSF，Back Surface Field），其电池结构如图1所示。使用p型晶体硅片作为光吸收层，经过清洗、制绒（制备陷光结构）、扩散制备pn结、镀钝化减反射氮化硅层（SiNx，实现电学钝化与光学陷光双重作用）、制备前电极（网栅状，尽可能降低光学遮挡）、制备背电极（整面铝浆印刷）、烧结等工艺流程制备而成。制备工艺简单。在经历了选择性发射极电学优化、栅线细化光学优化等一系列增效手段，铝背场电池效率于2017年达到瓶颈19%左右。效率难以进一步提高的主要原因是电池结构中铝背电极与晶体硅吸收层存在全面积接触，这种金属与半导体的直接接触导致了严重的背表面载流子复合。
铝背场电池技术光电转换效率的制约，在于电池存在着大面积的金属-半导体直接接触（金半接触）。金半接触存在的意义是为了将半导体中的载流子导出来，形成电流，但是面积过大会使得载流子复合严重（可导出的载流子数目降低），降低太阳电池的光电转换效率。技术升级首先要做的便就降低金半接触的面积，这就是钝化发射极和背面接触PERC（Passivated Emitter and Rear Cell）结构的由来。
仍然以p型硅作为光吸收层，但是在p型硅片和铝电极层中间插入一个氧化铝（AlOx）薄层，然后在氧化铝薄层上打开一个一个的小孔完成金属和半导体的直接接触，这种局部点位通过烧结形成铝背场，电池结构如图2所示。背面钝化层能够有效降低电池背表面载流子复合速率，提高电池的开路电压。并且局域的铝背场使得电池背面不需要再整面涂覆电极，使得PERC电池还可以制成双面电池结构，从此开启了光伏组件双面发电时代。双玻组件、透明背板组件相继问世。PERC结构的双面率可达75%，在不同的应用场景下（安装地面光反射率不同）可使得组件背面获得5%~10%的发电增益。
行业从2018年起开始导入PERC结构，其中隆基绿能主推PERC结构，不断刷新电池光电转换效率。铝背场结构已被淘汰，PERC结构成为了新的常规电池。2023年，PERC行业量产效率基本达到23.5%。但是，PERC电池中仍然存在的金半接触阻碍了电池效率的进一步提升。
目标明确，想要进一步提升电池效率，便是要彻底清除金属和半导体之间的直接接触。同时，行业转向了具有更高电学质量的n型硅片作为光吸收层衬底。
产业升级出现了两个方向：一个与铝背场结构、PERC结构相同，基于同质结的TOPCon结构，另一个则是完全推翻了原始结构，改为异质结的HJT结构。
光生伏特效应的产生需要pn结。所谓同质结，就是pn结在一个块材中， p型和n型通过掺杂不同的杂质形成，pn结位于块材的中间部分。所谓异质结，就是p型材料和n型材料可以是不同的材料，pn结在两种材料界面处形成。
如果彻底消除金属和半导体的接触，那么载流子如何导出呢？这就需要利用超薄膜层的隧穿效应。隧穿效应是量子力学的概念，可以理解为对于很薄的屏障（势垒），载流子是有一定的几率穿过的。利用这种几率，便可导出载流子。
TOPCon（Tunnel Oxide Passivating Contacts）结构，即隧穿氧化层钝化接触电池，最早由德国Fraunhofer太阳能研究所于2014年提出，电池结构如图3所示。使用n型硅作为衬底，在电池背面制备一层1-2 nm厚超薄氧化硅层和一层20 nm厚重掺杂多晶硅薄层。超薄氧化硅层可填充硅片表面的悬挂键，起到化学钝化的作用，其在能带中形成的势垒可以阻挡少子载流子（空穴）进入多晶硅层，而多数载流子可通过隧穿效应穿过并在多晶硅层中横向传输继而被金属电极所收集。
这种结构完全避免了金半接触，从而极大地降低了金属接触复合电流，使得电池光电转换效率进一步提高。目前行业量产的TOPCon太阳电池效率在25%左右，双面率可达到85%。TOPCon电池理论效率可达28.7%。
TOPCon结构因为是同质结，所以其生产仍然基于与p型电池相同的高温扩散制结工艺，生产设备与PERC兼容，产业技术升级成本小，因而受到了众多老牌光伏企业的认可。晶科、晶澳、天合、一道等都主推TOPCon结构。2023年上半年，n型TOPCon组件的出货量已达到10.5 GW，占总出货量的12.44%，并将于下半年加速释放产量。
另一种方向则是完全推翻了原有高温制结工艺，而转变为低温生产工艺的非晶硅/晶体硅异质结HJT（Heterojunction）太阳电池，也是资本进入光伏行业的首选赛道。
HJT电池原由日本三洋公司开发并申请专利HIT，2017年专利保护期结束后，中国才开始研究HJT的产业化。HJT电池在产业界一向以高效著称，在铝背场电池效率只有17%的时候，HIT结构就已经创造了超过20%的电池效率，霸居晶硅电池效率榜首多年。
HJT电池是高度对称结构，双面率可达到90%，其电池结构如图4所示。相比PERC电池和TOPCon电池，HJT的工艺流程要简单许多。硅片清洗后，在上下表面使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）制备高质量的本征氢化非晶硅作为钝化层，再在上下表面分别制备p型和n+型的非晶硅层形成pn结和背面场。再蒸镀透明导电膜ITO层，印刷电极，即可完成。本征非晶硅层中含有大量的氢原子，可以很好的钝化异质结界面处的悬挂键，降低载流子的复合，因此HJT电池具有目前最高的开路电压，约750 mV。
2019年，汉能集团首次打破了由日本松下于2013年创造的世界纪录24.7%，将HJT电池的光电转换效率提高到25.11%。2022年12月，隆基再次推高HJT的世界效率，达到26.81%。目前，HJT的产业化进程推进加快，市场份额逐步提高。华晟、通威等都在主推HJT结构，不断刷新产业化光伏组件转换效率。
到目前为止，电学方面的事情已经基本完美解决，金半接触彻底消除，衬底的电学质量也完成了升级。下一步电池增效的方向在哪里？
无论是TOPCon还是HJT，都具有超高的双面率，当应用到大型地面电站时，其背面增益都可以提高电站整体的发电量。但是对于屋顶分布式电站时，组件的背面几乎和屋顶贴合，背面增益可忽略不计，这时候继续提高正面增益便是选择。
电学方面的升级可做的空间已不多，便要转向增强光学吸收。电池的正面因为有金属电极的遮挡，使得光入射无法做到100%，那么解决方案便是将金属电极全部做到电池的背面。这就是背接触BC（Back Contact）的概念。
BC概念不新，上世纪八十年代就提出了。最先用在p型电池上，美国Sunpower公司率先推出IBC（Interdigitated Back Contact）电池，电池效率高，但工艺步骤复杂。
BC仅仅是一种电极结构的变化，并不牵涉到电池内部结构的改变。与TOPCon结构相结合，即为TBC结构，与HJT结构相结果，即为HBC结构。
以HBC为例，电池结构如5所示。在电学上，高质量的氢化非晶硅钝化层可以实现高质量的界面钝化，有效降低光生载流子复合，使其具有HJT结构的高开路电压特性；在光学上，将金属电极全部转移到电池背部，减少了前表面的遮光面积，同时，前表面无透明导电氧化膜 (TCO)，减少短波寄生吸收，使更多的光被电池的光吸收区材料所吸收，使其具有IBC结构高短路电流特性。
BC结构仍然是单电池，即只有1个pn结。由于pn结的禁带宽度决定，只能吸收光谱中一定波长范围的光。而叠层结构，则是由两个甚至多个电池结构串联而成。上面的电池带隙（禁带宽度）较宽，可以吸收高能量光子，其余的光透过上电池后进入下电池，使得带隙较窄的下电池，吸收其他低能量的光子，使得整个光谱中可被吸收的范围增大，从而提升电池效率。
目前最被看好的就是顶电池材料就是钙钛矿。钙钛矿材料便宜，制备成本低；材质半透明且带隙宽，是作为顶电池的优良选择。目前的产业化研究路径即为钙钛矿电池与HJT或TOPCon相结合。
女，博士，中国科学院副研究员，十二年光伏从业者。国家自然科学基金主持人，国家重点研发计划课题负责人。中国绿色供应链联盟-光伏专委会-专家委员会委员，中国物资再生协会-中国风电光伏设备循环利用专家，中国光伏行业协会-光伏组件回收工作组成员，EPD中国-独立顾问。
