材料学院高平奇教授团队联合隆基绿能科技股份有限公司发表Nat. Energy：世界最高效率（26.81%）的晶体硅太阳电池
硅基半导体技术支撑着信息和能源两大支柱产业，与硅基芯片不断追逐尺寸微缩化一样，硅基光伏追求光电转化效率的持续提升。基于半导体技术和新能源需求而快速兴起的硅基光伏产业，已经成为实现能源开源的重要途径，有助于加快实现“碳达峰、碳中和”，有利于推进能源革命，保障国家能源安全。
太阳能是最便宜、最容易获得的能源形式。现在，它将比以往任何时候都更有效率。我院高平奇教授团队联合隆基绿能科技股份有限公司（隆基）在Nat. Energy杂志发表文章，报道了由隆基研发团队制造的转换效率高达26.81%的晶体硅异质结太阳电池研究，这是目前硅基光伏电池的世界最高效率（不分技术路线），一举打破由日本 Kaneka 自2017年以来保持的最高效率，标志着我国光伏科技公司真正作为技术引领者步入世界光伏舞台的中央。这种新的太阳电池同样由主流晶体硅材料制成，但转换效率却要高得多，因此，这一创新将进一步巩固太阳电池在能源转型中的关键作用，并有可能会改变世界向可再生能源过渡的游戏规则。
关键突破：隆基研究团队使用p-型纳米晶硅薄膜接触层替代传统的p-型非晶硅接触层。虽然这一改进在理论上的可行性比较容易理解，但成功地导入高效异质结电池，并创造出转换效率的世界纪录，却是绝无仅有的。核心技术中包含了对这一膜层的结构因子和掺杂效率方面的突破。
巨大提升：与任何其他类型的由晶体硅制成的太阳电池相比，采用新型空穴接触层能够使电池具有更优的载流子电学传输特性，并最终实现更高的光电转换效率。隆基的研究人员在标准工业级硅片上开发了这项新技术，使该技术几乎立即适用于太阳电池板的生产。与以前的技术相比，电池性能的提高非常显著，转换效率有了1.5%的绝对飞跃。隆基中央研究院徐希翔博士说：“这是迄今为止所有晶体硅太阳电池结构中性能最好的，且对应着占全球光伏市场超过95%以上份额的产品”。
物理机制：经过对空穴接触层中的载流子传输通道进行细致研究，发现新型p-型纳米晶硅接触层具有更低的激活能，有利于优化空穴传输的界面势垒并帮助激发更具效率的带间隧穿，因此呈现出更低的接触电阻。随着晶体硅异质结太阳电池的表面钝化水平越来越高，表面复合将逐渐退居到次要地位，而晶体硅本身的俄歇复合过程将逐渐发挥主导作用，此时二极管的理想因子可以小于1，接触电阻的优化将带动填充因子指标的快速提升，进而推动太阳电池综合光电转换性能取得突破。材料学院高平奇教授说：“对具备低激活能的硅基空穴接触层的研究是非常及时和极其重要的，我们的工作代表着在探索空穴接触的电性能方面取得了巨大进展，有利于提升异质结、杂化电池和其它类型的硅基太阳电池的性能”。
图1 各种高效晶体硅太阳电池特性参数比较
本文首先从光电性能的对比上（图1a），指出隆基的硅异质结（n-SHJ，红色方框）电池相较于其它电池技术展现出的突出电学性能，在叠加上光学方面的优化，完全可以在传统的前背接触结构（FBC）电池上实现更高的电池效率。更细化的电学分析表明（图1b），FF上的快速提升，尤其在超越理想因子为1的极限曲线（蓝色虚线）后，是电池电学性能进一步提升的关键。这种提升，归因于电池背结的掺杂膜层由p型掺杂非晶薄膜（p-a-Si:H）替换为p型掺杂纳晶薄膜（p-nc-Si:H）后，空穴接触侧接触电阻的快速下降（如图2所示）。
图2 两种SHJ晶体硅太阳电池（背结分别为p-a-Si:H和p-nc-Si:H膜层）的电性能对比
进一步的分析表明， p-nc-Si:H相比于p-a-Si:H，在晶化率（图3a）、电导率和激活能上（图3d）均具有明显的优势。使得空穴载流子在基于p-nc-Si:H空穴接触层的SHJ电池中相较于p-a-Si:H对比电池更容易传输（图3e和f），同时具有更佳的钝化性能，从而利于实现更优的载流子选择性钝化接触特性。测试表明，由p-nc-Si:H所组成的异质结，其接触电阻和表面复合分别降低为5mΩ.cm2和0.5fA.cm-2。这使得电池的开路电压和FF分别上升至751.4mV、86.07%。据德国哈梅林太阳能研究所（ISFH）认证，该电池的能量转换效率高达26.81%，这是目前单结晶体硅太阳电池能量转换效率的世界纪录（不区分技术路线）!
图3 p-a-Si:H和p-nc-Si:H空穴选择接触层的微观结构、电学特性及能带结构
上述成果于2023年5月4日以“Silicon heterojunction solar cells with up to 26.81% efficiency achieved by electrically optimized nanocrystalline-silicon hole contact layers”为题发表在权威期刊Nature Energy上(https://www.nature.com/articles/s41560-023-01255-2.pdf; https://doi.org/10.1038/s41560-023-01255-2. IF=67.4)。威廉希尔WilliamHill官方网站料学院的林豪，隆基的杨苗、汝小宁为论文的共同第一作者，隆基的徐希翔博士、殷实博士和威廉希尔WilliamHill官方网站料学院的高平奇教授为论文的共同通讯作者，威廉希尔WilliamHill官方网站料学院汪根顺同学在测试和分析方面做出了贡献，荷兰代尔夫特理工大学的相关团队提供了电荷输运建模方面的支持。上述工作得到了科技部重点研发计划（2022YFB4200203，2022YFB4200200）、国家基金重点及面上项目（62034009，62104268）的支持。
中山大学可持续光电技术团队 中山大学可持续光电技术研究团队成立于2018年11月，属于中山大学太阳能系统研究所和中山大学光电材料与技术国家重点实验室固定成员，目前团队已有60位以上成员，包含1名教授（高平奇），6名副教授及助理教授（郁建灿、周述、谢江生、党志亚、何坚、韩灿），1名副研究员（林豪），7名博士后，以及40余名（含联培）硕、博士研究生。团队面向服务于国家碳中和战略和关键领域核心探测系统需求，以高性能可再生能源与可持续光电材料、器件、系统为研究目标，不断强化从关键材料制备到高性能光电器件与系统的设计验证等综合能力，力争在高效低成本太阳电池技术、基于光伏的绿氢能源转化、新型窄带隙半导体材料及红外探测技术、新型半导体材料合成及其射线辐照性能等方面做出突破。
隆基绿能科技股份有限公司 公司成立于2000年，以“善用太阳光芒，创造绿能世界”为使命，秉承“稳健可靠、科技引领”的品牌定位，聚焦科技创新，构建单晶硅片、电池组件、工商业光伏解决方案、地面光伏解决方案、氢能装备五大业务板块，形成支撑全球零碳发展的“绿电”＋“绿氢”产品和解决方案能力。作为全球市值第一的光伏企业，2021年，隆基绿能实现营业收入809.32亿元，位居《财富》中国500强第210位，《福布斯》全球企业2000强第724位，2021年胡润世界500 强第195位。2021年在中国品牌建设促进会发布的“中国企业品牌价值榜”中，隆基绿能以402.16亿元品牌价值和864的品牌价值强度再创新高。