太阳能光伏(PV)技术有望在全球碳中和中发挥关键作用。在过去20年里，全球新增太阳能光伏发电装机容量以每年约40%的复合增长率增长，远远超过了煤炭、石油、天然气和风能等其他能源。光伏产业发展势头强劲，得益于技术进步和大规模应用，使电力均等化成本迅速下降。投标价格最低为全世界大规模的光伏工厂已经减少到1.04美分/千瓦时[2]2021年,美国和中国政府在2021年宣布,光伏发电将成为最大的电源20 - 30年的比例大约40%的总发电。令人鼓舞的是，太阳能电池每年都取得了很大的进展，这篇社论强调了3种主流太阳能电池(硅、钙钛矿和有机)2021年的功率转换效率(PCE)认证。

硅太阳能电池

在光伏产品中，晶体硅(c-Si)太阳能电池由于行业成熟、制造成本低、材料可靠性高等优势，40年来一直处于领先地位，目前市场份额已超过95%。自1989年被提出以来，硅钝化发射极和后电池(PERC)一直主导着目前的光伏市场。2021年，p-Si perc的量产平均PCE约为23.1%，2019年实现了24.06%的世界纪录。随着PERC逐渐接近其PCE极限，c-Si领域的研究热点集中在n-Si异质结(n-SHJ)和n-Si和p-Si隧道氧化物钝化触点(n-TOPCon, p-TOPCon)太阳能电池上。硅异质结太阳电池(SHJ)由于其有效的载流子选择性接触和异质结界面特性，一直保持着世界上c-Si太阳电池领域的最高效率。目前的单结c-Si太阳能电池的PCE世界纪录是26.7%，采用了交叉指背触(IBC)电极[4]的SHJ结构。隧道氧化物钝化触点(TOPCon)太阳能电池于2013年提出，利用超薄SiOx和掺杂多晶硅的钝化结构实现低复合载流子选择性接触，在2019年[5]结合IBC架构，获得了26.1%的认证PCE。

超过2.0%的效率差异是光伏行业从PERC到SHJ和TOPCon太阳能电池革命的引擎。表1列出了2021年期间SHJ和TOPCon太阳能电池的成就。SHJ太阳能电池是基于氢化非晶硅（a-Si:H）/c-Si异质结的概念，它是在低温下制备的。

低温（<200°C）。从表1中可以发现，隆基公司的SHJ太阳能电池的最佳认证效率已达到26.30%。众所周知，太阳能电池的PCE与开路电压（VOC）、短路电流密度（JSC）、电池组件和电池容量有关。

短路电流密度(JSC)，以及填充因子(FF)。本质a-Si:H（a-Si:H(i)）插在晶体硅和掺杂a-Si:H之间，有效地钝化了晶体硅的表面悬链键，为SHJ太阳能电池提供了更高的VOC的可能性[6]。所列的VOC都高于746 mV，最好的甚至超过750 mV，这表明它们具有良好的钝化作用。为了达到良好的钝化效果，a-Si:H(i)层的结构应该被优化。 实际上，a-Si:H(i)的双层，即一个超薄（0.5-1.0）的双层。即一个超薄（0.5-1.0纳米）但多孔的缓冲a-Si:H(i)，其氢含量很高，上面有一个致密的a-Si:H(i)层，对VOC是有利的[7]。2021年的SHJ太阳能电池冠军应该采用这样的a-Si：H（i）双层。SHJ太阳能电池的效率主要受限于非晶层中的JSC损失[8]。JSC损失被认为是光学损失，其中包括在短波区域（< 500 nm）被正面的a-Si:H层寄生吸收，导致JSC减少约1.5 mA/cm2；以及在632纳米处的折射率（n，）不匹配。(n~3.8）、a-Si:H（n~4.0）和前面的透明导电氧化物（TCO）（n~3.8）之间的折射率不匹配，这可能导致一些光学反射损失。为了解决这个问题，微晶线硅（μc-Si:H）薄片已被用作载流子选择层。μc-Si:H薄膜的应用有助于改善JSC，因为它减少了寄生吸收和折射率失配的情况。μc-Si:H薄膜可以减少短波长区域的寄生吸收，因为与a-Si:H薄膜相比，其光带间隙更高（Eg~2.0 eV）。μc-Si:H薄膜的折射率（n~3.4）比a-Si:H薄膜的折射率低。

尽管取决于晶体分数和掺杂浓度，但a-Si:H的光学带隙较高。此外，氧合金化的μc-Si:H（或μc-SiOx:H）层可以获得较高的光带隙（Eg ≅ 2.9 eV）和较低的折射率（n ≅ 2.8），这可以显著提高光透射率，并减少在光照下的光吸收。

透明度，并减少SHJ太阳能电池正面的光学吸收。表1中所列的40 mA/cm2以上的JSCs对利用μc-SiOx:H窗口层是有利的。

除了TCO层和精细印刷的性能提高外，掺杂的μc-Si:H或μc-SiOx:H的应用在一定程度上也与2021年SHJ太阳能电池取得的高FF有关（几乎都超过85%，26.30%的冠军电池的FF值极高，为86.59%）。μc-Si:H或μc-SiOx:H具有比a-Si:H更高的掺杂效率，其暗电导率可以比掺杂a-Si:H高两个数量级以上[8]。更高的掺杂效率也导致了更低的串联电阻和足够的μc-Si:H（或μc-SiOx:H）/TCO电子接触。由于更好的导电性、更低的串联电阻和更低的与TCO的接触电阻率，载流子传输特性可以得到改善，因此SHJ器件的FF更高。

2021年SHJ研究和发展的另一个突破是对铜（Cu）电镀的探索。由于SHJ太阳能电池的低温处理，通常采用低温银浆的丝网印刷。然而，在SHJ太阳能电池中使用的低温银浆由于消耗量大，约占总加工成本的30%。减少银浆的使用是低成本SHJ太阳能电池的关键，而镀铜则备受关注，被认为是一种理想的替代电极解决方案和工业化的技术[9]。2021年，SunDrive/Maxwell公司利用镀铜技术实现了25.54%的大面积SHJ太阳能电池，这表明在SHJ太阳能电池金属化方面，镀铜技术有可能取代银丝网印刷技术。然而，在镀铜技术能够工业化应用之前，诸如不符合成本效益的工艺、复杂的电镀步骤、长期退化和可靠性等障碍都有待解决[9]。

应该指出的是，2021年的这些突破是在大面积太阳能电池的认证PCE中取得的，为快速大规模生产平均PCE为25%-26%的先进SHJ太阳能电池铺平了道路。为了追求更高的效率，工业界开始关注异质结背接触（HBC）太阳能电池，它是SHJ结构与IBC电极的结合，保持着目前晶体硅太阳能电池26.7%的效率世界纪录[4]。HBC太阳能电池的特点是正面没有栅格，可以明显改善JSC，同时由于SHJ结构，可以保持良好的钝化和高VOC特性。此外，HBC的结构可以取代高成本的TCO（通常是铟）。

高成本的TCO（通常是铟锡氧化物）层在正面，在背面应用低成本的ZnO：Al（AZO）。廉价的材料，如铜和铝，也可以用作网格，因为不存在阴影问题，而且背面的网格可以足够宽，以满足导电性。HBC太阳能电池可能是一个很好的选择，可以将SHJ太阳能电池的成本降低到PERC太阳能电池的水平，同时将能效提高到27%-28%。对于SHJ太阳能电池的进一步发展，研究过氧化物/SHJ串联太阳能电池以实现30%以上的能效是明确的趋势。

另一方面，由于其与PERC太阳能电池工艺的兼容性，TOPCon太阳能电池被认为是PERC对应技术的未来发展方向。从表1中可以看出，2021年，TOPCon太阳能电池的PCE在实验室和工业中都提高了25%以上。来自Fraunhofer ISE的研究人员通过使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD），在实验室中对p型硅衬底上具有TOPCon结构的太阳能电池成功达到了26.0%的高PCE，而由于低压化学气相沉积（LPCVD）形成的高质量n型多晶硅钝化触点，Jinko在n型硅衬底上取得了25.41%的工业冠军PCE[10]。值得注意的是，用于制造创世界纪录的TOPCon太阳能电池的硅衬底是p型硅片[5]。具有最高PCE的p-TOPCon太阳能电池在大规模生产中把隧道氧化物和多晶硅堆积层作为发射器而不是集电极，这表明p型硅/隧道氧化物/多晶硅（n）结构的应用潜力。隆基公司曾试图提高p型硅衬底的质量，并成功地在p型硅片上达到25.19%。然而，p-TOPCon的PCE对p型硅衬底的质量非常敏感。这就是为什么p型硅片不能用于大规模生产性能良好的TOPCon太阳能电池的原因。

尽管n型硅基TOPCon太阳能电池的效率逐渐接近SHJ太阳能电池保持的世界纪录PCE，但在大规模生产中仍有几个障碍需要克服。量产的第一个困难是隧道氧化物和多晶硅堆积层的均匀性，这决定了背面的表面重组和电荷载流子传输质量，特别是对于大面积的太阳能电池。多晶硅钝化接触性能高度依赖于多晶硅层沉积技术，包括LPCVD、PECVD和物理气相沉积（PVD）。LPCVD多晶硅层具有高均匀性和低工艺时间的优势，但严重地存在过度包裹的问题，这需要额外的湿化学工艺来去除另一侧的多晶硅。PECVD和PVD多晶硅层可以达到与LPCVD相同的钝化质量和载流子传输特性。

但在均匀性和工艺稳定性方面较差[11]。因此，工业界的下一步主要是优化任何一种工艺以实现低成本和高质量的多晶硅层。

限制n-TOPCon太阳能电池PCE改善的第二个因素是丝网印刷金属化工艺，它适度影响了串联电阻和接触重组[12]。与PERC太阳能电池不同，对后部钝化触点的银浆的要求是部分蚀刻多晶硅层，而不是直接接触硅衬底。然而，为了避免重度掺杂的多晶硅层出现的寄生吸收，多晶硅层的厚度必须保持在120纳米以下，这就提高了在烧结过程中控制蚀刻深度的难度。适当的工艺可以实现完美的钝化接触金属化，没有任何钝化退化，有助于达到高水平的n-TOPCon太阳能电池的PCE。金属化工艺的优化需要合适的银浆成分、firing温度，甚至均匀的firing设备，以满足大面积太阳能电池的需要。

除了多晶硅钝化触点和丝网印刷金属化工艺的均匀性外，还应最大限度地避免寄生吸收和光学损耗。根据Jinko在2020年制造的PCE为24.79%的认证n-TOPCon太阳能电池的损耗分析[13]，大约1.19mW/cm2的功率损耗发生在正面，包括金属触点区域的弱钝化和横向空穴传输的电损耗，以及正面角影的光损耗。 此外，大约0.38 mW/cm2的功率损耗是由硅衬底造成的，这是由于体层重组和载流子传输造成的，而大约0.27mW/cm2的功率损耗是由后侧多晶硅钝化触点造成的。处理主要损耗的可行方案是将选择性发射器技术引入前端金属触点，降低金属触点区域的重组，缩小角的尺寸以提高有效的窄，以提高有效的光吸收。然而，由于缺乏适当的激光系统，TOPCon太阳能电池的选择性发射器技术仍不成熟。可以预测，在可靠的选择性发射器技术应用成功后，在大规模生产中可以实现PCE大约绝对1%的改善。

最重要的是，尽管许多光伏公司已经在大规模生产中实现了平均24.5%的PCE，但仍有许多工作要做，以帮助n-TOPCon太阳能电池的PCE达到一个更高水平。从大规模生产的过程来看，多晶硅钝化触点和金属化的均匀性仍然需要进一步优化，包括设备和工艺配方。只有在使用适当的激光器的情况下，引入选择性发射器技术对提高TOPCon太阳能电池的PCE也会有明显的帮助。无论如何，n型硅基TOPCon太阳能电池将逐渐取代p型硅PERC太阳能电池，在光伏市场上占据主导地位，在3-5年内，n型TOPCon太阳能电池的PCE可以在大规模生产中提高到平均26%。

原标题：2021年主流太阳能电池性能亮点