高效背结太阳电池技术及其发展

高效晶体硅电池技术综述以及商业化现状摘要：太阳能、风能、水能等清洁能源随着能源危机的初现端倪已经越来越为人们所重视和提倡，能源问题已经成为制约国家经济发展的重要战略问题。

其中太阳能不论从资源的数量、分布的普遍性、技术的成熟度和对环境的影响都体现出巨大的优势。

光伏发电也逐渐从传统发电的补充能源形式过渡到替代能源形式。

这当中发电成本始终是制约推广的首要因素。

寻求新技术、新材料、新工艺，以提高太阳电池转换效率，大幅度降低生产成本是整个光伏行业面临的紧迫课题。

晶体硅电池是目前商业化程度最高，制备技术最成熟的太阳能电池。

以晶体硅技术为基础，着力于降低生产成本，提高发电效率的高效晶体硅电池研发始终是国际光伏领域研究的热点之一。

本文旨在从影响常规晶体硅电池转换效率的几个可能方面出发，简介目前欧美，日本等光伏技术发达国家以及业界几种较为流行的高效晶体硅制备技术及其商业化现状。

关键词：高效、晶硅、太阳能电池、光伏发电前言太阳能光伏发电是太阳能利用的一种重要形式，随着技术不断进步，光伏发电成为最具发展前景的发电技术之一。

光伏发电的基本原理为半导体的光伏效应，即在太阳光照射下产生光电压现象。

20世纪50年代，美国贝尔实验室三位科学家首次研制成功具有实用价值的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳的光能转换为电能的实用光伏发电技术，在太阳电池发展史上起到了里程碑的作用。

太阳能电池主要有两大类，一类是以单晶硅和多晶硅硅片为基础的晶体硅太阳能电池；另一类是非晶硅、铜铟硒和碲化鎘薄膜太阳能电池等。

晶体硅太阳能电池是目前应用技术最成熟、市场占有率最高的太阳能电池，至2009年止超过90%，薄膜太阳电池市场占有率不足10%[1]。

晶体硅太阳能电池在可预见的未来仍将占主导地位。

现行光伏发电技术推广的最大制约因素是发电成本，围绕降低生产成本的目标，以高效电池获取更多的能量来替代低效电池一直是科学研究的热门课题之一。

近年来高效单晶硅太阳能电池研究已取得巨大成就，在欧美，日本等商业化高效电池的转换效率已超过20%。

hjt、topcon、perc晶硅电池的技术原理HJT、TOPCon和PERC是目前晶硅太阳能电池中常见的三种技术原理。

这三种技术原理都是为了提高太阳能电池的效率和性能而发展出来的。

首先，HJT（Heterojunction with Intrinsic Thin layer）技术原理是一种异质结太阳能电池技术。

它的特点是在p-n结的两侧分别加上透明导电氧化物层，形成了一个p-i-n结构。

在这种结构中，p型和n型材料之间形成了一个内禀薄层，这个薄层能够有效地收集光生载流子，并将其输送到电极上。

由于HJT电池利用了异质结的优势，可以减少电池内部的电子复合现象，提高光电转换效率。

此外，HJT电池还具有较低的温度系数和较高的光谱响应，使得它在高温和弱光环境下都能保持较高的性能稳定性。

其次，TOPCon（Tunnel Oxide Passivated Contact）技术原理是一种隧道氧化物钝化接触太阳能电池技术。

它的特点是在p型衬底上形成了一层非晶硅薄膜，并通过氧化处理形成了一个隧道氧化物层。

这个隧道氧化物层可以有效地阻止载流子在p型衬底和n型掺杂层之间的复合，并且可以提高载流子的传输效率。

另外，TOPCon电池还采用了背面接触设计，可以减少光照面积上的电极遮挡，并提高光吸收效率。

这些特点使得TOPCon电池具有较高的开路电压和短路电流，从而提高了光电转换效率。

最后，PERC（Passivated Emitter and Rear Cell）技术原理是一种背面钝化接触太阳能电池技术。

它的特点是在p型衬底上形成了一个背面钝化层，并在n型掺杂层上形成了一个前面钝化层。

这些钝化层可以有效地减少表面缺陷和载流子复合现象，从而提高电池的开路电压和光电转换效率。

此外，PERC电池还可以通过调整背面钝化层的厚度和掺杂浓度来优化电池的性能。

由于PERC电池采用了背面接触设计，所以可以减少光照面积上的电极遮挡，并提高光吸收效率。

晶硅背接触太阳电池技术及发展晶硅背接触太阳电池，这名字听起来有点复杂是吧？但你稍微往深了想，就能发现这背后的技术其实超级炫酷。

简单来说，背接触太阳电池就是把太阳能电池的正负电极“藏”在了电池的背面，和传统的那种正负电极在电池表面的结构相比，它简直是有了“隐形”的超能力！嗯，你可以把它当作是太阳电池界的“黑科技”，看起来不太引人注意，但一旦投入使用，它的效果可真是让人大吃一惊。

大家都知道，传统的晶硅太阳电池大多是正负电极直接暴露在光照面上的，太阳光照射到表面后，电池内部的电子就开始活跃，从而生成电流。

这种设计虽然简单有效，但也有缺点——电极层会挡住一部分光线，导致电池的效率不能最大化。

你想想看，太阳能本来就那么宝贵，每一点光照都不容浪费。

于是，聪明的科学家们就开始琢磨，如何才能让电池更高效地利用每一束阳光。

这时，背接触太阳电池应运而生！它的核心创新就是把传统太阳电池中的电极都藏到了背面，直接把光照面腾出来，让更多的阳光照射到硅片上，减少了“遮挡”的浪费。

就像你在阳光下晒太阳，衣服穿得越少，晒得越透，吸收的阳光就越多；而太阳电池也是一样，电极一藏，光线照得更足，效率自然就提高了。

别小看这项技术，它的“背面操作”可是有大智慧的。

为什么呢？因为电池背面不仅可以增加光照的吸收量，还能减少一些不必要的损耗。

通常，电流经过电池的正负电极时，会有一些电阻损失，这就像你打篮球时，球碰到篮框就会“打铁”，这时候就失去了本该得分的机会。

而背接触太阳电池通过优化设计，把电流流动的路径缩短了，大大减少了这类损失。

结果呢，电池效率大幅提升，哪怕是在光照较弱的地方，也能照样跑得很快。

背接触技术不仅提升了效率，还让电池的外观变得更简洁。

你知道，很多人看重太阳能电池板时，往往不只是看它能产生多少电，还得考虑它是不是好看、耐用。

毕竟，现在的世界什么都要颜值啊。

背接触太阳电池的设计，不仅让光照利用更高效，还让电池看起来更加简洁美观，直接颠覆了人们对于“太阳电池外观”的传统认知。

N型高效单晶光伏电池技术目前P型晶硅电池占据晶硅电池市场的绝对份额。

然而，不断追求效率提升和成本降低是光伏行业永恒的主题。

N型单晶硅较常规的P型单晶硅具有少子寿命高、光致衰减小等优点，具有更大的效率提升空间，同时，N型单晶组件具有弱光响应好、温度系数低等优点。

因此，N型单晶系统具有发电量高和可靠性高的双重优势。

根据国际光伏技术路线图（ITRPV2015）预测：随着电池新技术和工艺的引入，N型单晶电池的效率优势会越来越明显，且N型单晶电池市场份额将从2014年的5%左右提高到2025年的35%左右。

本文论述了N型单晶硅及电池组件的优势，并介绍了各种N型单晶高效电池结构和特点，及相关技术发展现状和产业化前景。

1.引言由于晶硅太阳电池成熟的工艺和技术、高的电池转换效率及高达25年以上的使用寿命，使其占据全球光伏市场约90%份额。

理论上讲，不管是掺硼的P型硅片还是掺磷的N型硅片都可以用来制备太阳能电池。

但由于太阳能电池是基于空间航天器应用发展而来的，较好的抗宇宙射线辐照能力使得P型晶硅电池得到了充分的研究和空间应用。

技术的延续性使目前地面用太阳能电池90%是掺硼P型晶硅电池。

而且，研究还发现N 型晶硅电池由于p+发射结均匀性差导致填充因子较低，并且长期使用或存放时，由于发射结表面钝化不理想等原因电池性能会发生衰退。

另外，B2O3的沸点很高，扩散过程中始终处于液态状态，扩散均匀性难以控制，且与磷扩散相比，为了获得相同的方块电阻需要更长的时间和更高的温度，导致材料性能变差。

所以与在N型硅片上形成掺硼p+发射结在工业生产中比较困难。

然而，地面应用并不存在宇宙射线辐照的问题，而且随着技术的发展，原来困扰N型晶硅电池的发射结浓度分布、均匀性、表面钝化等技术难题已经解决。

随着市场对电池效率的要求越来越高，P型电池的效率瓶颈已越发明显。

N型晶硅电池由于其高少子寿命和无光致衰减等天然优势，具有更大的效率提升空间和稳定性，成为行业关注和研究的热点。

太阳能电池第一、二、三代发展进程目前的电池片技术绝大部分（大概96%）是硅晶技术，不管是PERC还是TOPCon，还是HJT都是基于硅晶材料。

他的优势是量产成本低，光电转换效率高，是市场主流技术。

还有部分（4%左右）是薄膜电池，包括碲化镉，铜铟镓硒，钙钛矿等技术。

但他的成本较高，光电效率低，所以量很少。

晶硅/薄膜电池技术路线：光电转化效率：HJT+钙钛矿，是行业趋势。

技术发展史：→ 第1代：铝背场BSF电池 (2017年以前)→ 第2代：PERC电池 (2017年至今)→ 第2.5代：PERC+/TOPCon（隧穿氧化钝化电池）→ 第3代：HJT电池（也叫HIT电池，俗称异质结电池，全称晶体硅异质结太阳能电池）→ 第4代：HBC电池(也称IBC，即叉指式背接触电池，可能潜在方向)→ 第5代：钙钛矿叠层电池 (可能潜在方向)。

材料发展史：第一代太阳能电池——以单晶硅、多晶硅为代表的硅晶太阳能电池。

目前这技术发展成熟且应用最为广泛，目前面对的问题是单晶硅太阳能电池对原料要求太高，以及多晶硅太阳能电池生产工艺过于复杂等问题。

第二代太阳能电池——薄膜太阳能电池，以CdTe、GaAs及CIGS为代表的的太阳能电池。

该技术与晶硅电池相比，优势在于所需材料较少且容易大面积生产，成本方面优势较明显。

第三代太阳能电池——基于高效、绿色环保和先进纳米技术的新型薄膜太阳能电池，如染料敏化太阳能电池（DSSCs）、钙钛矿太阳能电池（PSCs）和量子点太阳能电池（QDSCs）等。

钙钛矿电池钙钛矿是一类陶瓷氧化物，其分子通式为ABO3 ,呈八面体形状，结构特性优异；此类氧化物最早被发现，是存在于钙钛矿石中的钛酸钙（CaTiO3）化合物，因此而得名。

钙钛矿晶体的制备工艺简单，光电转换效率高，在光伏、LED等领域应用广泛。

钙钛矿型太阳能电池（perovskite solar cells），又被称作新概念太阳能电池，是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代太阳能电池。

太阳能电池的发展历程与未来太阳能电池是一种利用太阳辐射能转化为电能的设备。

它起源于19世纪初期，在过去的两个世纪中，太阳能电池的技术不断更新换代，不断改进，现在已经成为一种非常重要的可再生能源。

太阳能电池的发展历程可以追溯到1839年，当时法国科学家贝克勒尔在实验中发现了光电效应。

光电效应是指当光线照射在物质表面时，会将光子的能量转化为电子能量，并使电子离开物质表面。

这是太阳能电池产生电能的基础。

在20世纪初期，人们已经开始尝试利用太阳能电池转化为可用的电能。

但是当时的太阳能电池技术非常不成熟，效率非常低。

直到上世纪60年代，太阳能电池的效率才有了很大的提高。

这是因为美国航空航天局在当时开始投入大量的资金进行研究，使太阳能电池技术得以迅速发展。

在1970年代初期，太阳能电池技术已经趋于成熟。

这时的太阳能电池已经被广泛应用于照明、计算机、通信和测量等领域。

在1980年代和1990年代，随着科技的迅速发展，太阳能电池的技术继续得到提升，效率不断提高。

同时，生产成本也不断下降，使得太阳能电池逐渐成为一种具有竞争力的可再生能源。

现在，太阳能电池已经成为一种非常重要的可再生能源。

在全球范围内，太阳能电池正在被广泛应用于发电、照明、制氢、热水等领域。

同时，太阳能电池的技术也在不断地进步和演进，不断提高效率，并降低成本。

未来，太阳能电池的发展将继续趋势。

随着科技的不断进步，太阳能电池的效率有望进一步提高。

与此同时，制造成本将会进一步降低，使太阳能电池更加具有竞争力。

预计在未来的几十年中，太阳能电池将成为全球最主要的能源之一，为人们提供更为可持续的能源解决方案。

在未来的发展中，太阳能电池技术还将有很多可能性。

例如，可以开发出更加有效的太阳能电池材料，使得效率更高、寿命更长；可以将太阳能电池安装在汽车、飞机和卫星上，为这些设备提供燃料；可以将太阳能电池与储能技术相结合，实现24小时不间断的电力供应等。

总体而言，太阳能电池的发展一直是一个不断迭代、不断改进的过程。

2022年太阳能电池技术进展盘点太阳能电池转换效率最新的世界纪录是多少？42.3%。

这是2022年10月6日，美国Spire半导体公司宣布的最新成果。

该公司研发的三结砷化镓（GaAs）太阳电池峰值效率达到了42.3%，聚光条件相当于406个太阳。

据悉，这款电池平台已经可以投入商业使用。

一般来说，太阳能电池的光电转换效率只有20%~30%。

在此之前的世界纪录是波音全资子公司Spectrolab在2022年8月生产出的一款试验电池，转换率达到41.6%。

2022年11月22日，另一项新纪录诞生。

Spectrolab宣布，其开发的最新型地面用太阳电池C3MJ+已经开头批量生产，该系列太阳电池的平均光电转换效率可达39.2%，这是目前已量产的太阳能电池中转换效率最高的。

多结太阳能电池通常用在聚光型光伏（CPV）应用方面。

在2022年，获得突破的不仅仅是多结太阳能电池，在太阳能技术进展的各个方面都获得了许多进展。

让太阳能电池捕获更多阳光提高太阳能电池转换效率是科学家永恒的课题。

目前，科研人员都在努力讨论提高有机薄膜电池效率的化学过程。

如日本秋田高校的讨论小组开发出了将紫外线转换成可视光、对可视光呈透亮状态的有机材料。

旨在使目前太阳能电池未能有效利用的紫外线能够用于光电转换，以此来提高转换效率。

据悉，将该材料涂布在非结晶Si型薄膜太阳能电池上时，转换效率比原来的数值提高了9％，用在转换效率为20％的太阳能电池上，有望实现22％的效率。

2022年还有许多从结构上提高效率的尝试。

如日本京瓷公司采纳先进方法形成高品质的微晶硅，叠加非晶硅层和微晶硅层的串联构造的薄膜硅太阳能电池实现13.8％的转换效率。

而多位美国科学家进行了通过增加表面吸光力量提高电池效率的尝试。

标准平板电池的问题在于，不论它是用有机还是无机材料制成的，部分阳光会通过反射损失掉。

为了削减这个损失，电池制造商将电池涂上了抗反射涂层，或者蚀刻电池的表面以增加光子汲取。

太阳能电池的工作原理和发展趋势太阳能电池是一种将太阳能转化为电能的装置。

其作用原理是利用半导体材料中的电子在太阳光照射下，形成电子空穴对，在半导体材料中形成电场，使电子移动并形成电流。

太阳能电池具有清洁、无污染、可再生等特点，是未来发展的主要方向之一。

太阳能电池的工作原理太阳能电池采用半导体材料制成，其中含有元素硼和磷，形成P型和N型半导体材料。

当太阳光射到太阳能电池的表面时，光子产生兴奋态，使能级上的电子跃升到导带上，此时形成电子空穴对。

在半导体材料中，电子和空穴被强制分离，从而形成电场。

电子和空穴在经过载流子的作用下移动，形成电流。

这就是太阳能电池的工作原理。

太阳能电池的发展历程太阳能电池的发展经历了多个阶段。

20世纪50年代，太阳能电池的效率只有4%左右，成本昂贵。

60年代末期，太阳能电池的效率不断提高，出现了多种新的半导体材料。

1976年，美国斯普拉特公司推出了第一款高效率的太阳能电池，效率达到了15%。

1997年，德国企业推出的太阳能电池，效率高达32.3%。

太阳能电池的发展趋势目前太阳能电池的发展已经进入了高效型和低成本型太阳能电池的时代。

高效型太阳能电池是指可实现高效率的太阳能电池，主要针对核电站、航空航天等领域的应用。

而低成本型太阳能电池，则主要针对大规模应用领域，如建筑物、车辆、手机等。

在低成本型太阳能电池中，非晶硅、多晶硅、染料敏化太阳能电池等材料的开发和应用，已经成为当前太阳能电池发展的主要方向。

非晶硅太阳能电池是一种采用非晶硅材料制成的太阳能电池，其生产过程简单，成本低廉，可以更广泛地应用。

目前，非晶硅太阳能电池的效率可以达到10%以上。

多晶硅太阳能电池是一种采用多晶硅材料制成的太阳能电池，相比非晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池的效率更高，但生产成本也相应增加。

染料敏化太阳能电池是一种近年来兴起的新型太阳能电池，采用染料分子充当半导体材料，可以制成各种颜色、形状的太阳能电池，生产成本低廉，效率在10%左右。

太阳能电池的发展历程及未来展望太阳能电池是一种可以将太阳能转化为电能的器件，它作为一种绿色能源，具有很高的独立性和可再生性，因此备受人们的关注。

其实不止是我们现在，早在19世纪初，科学家们就开始研究太阳能电池了，下面我们一起来看一下太阳能电池经历了哪些发展历程，以及未来的展望。

太阳能电池的发展历程早在1839年，法国物理学家博克金创制了第一块太阳能电池，它是利用银化铜板和铂化铁板制成的。

但是当时的太阳能电池效率较低，只能转化极少量的太阳能。

从20世纪开始，太阳能电池逐渐进入实用化阶段。

1954年，美国贝尔实验室的三位物理学家提出了一种半导体材料硅的结构，便是我们现今常见的晶体硅太阳能电池的原型。

但那时这个原型效率远低于现代晶体硅太阳能电池，因此目前用普及的太阳能电池多采用多晶硅或非晶硅材料。

1960年代，太阳能电池效率提高到了10%以上，但是由于高昂的价格，太阳能电池仍在实验室阶段，没有商业化的前途。

直到1970年代，开始出现了大量的油价涨幅，太阳能电池得到了重新的关注和推广，尤其是在德国、日本等国，太阳能电池被广泛使用，而太阳能发电进入了商业化时代。

21世纪，太阳能电池的应用市场更加广泛，行业内应用各类的新技术，尤其是非晶硅太阳能电池和钙钛矿太阳能电池的出现，使得太阳能电池效率都得到了极大提高，太阳能发电逐渐从高消费产业向普及型产业转变。

未来展望第一眼看上去，太阳能电池看似非常完美，不挥发、悄声无息，不需要供水、无需维护，但是实际上，它依然存在着一些问题，比如固定位置、光强、天气等限制。

因此，太阳能电池依然需要进一步的发展，以适应社会和环境的需要。

未来技术的展望主要有以下两个方向：1. 太阳能电池的效率提高太阳能电池效率的提高是科学家们一直在努力追求的目标，而钙钛矿太阳能电池的问世，这个问题有了一定的突破。

目前钙钛矿太阳能电池效率已经达到了20%以上，远高于多晶硅太阳能电池的13%左右，因此被认为是未来太阳能电池的发展方向之一。