为了在BJ电池上实现TOPCon技术,作者将n型Si FJ TOPCon (n-FJ)(图2d)应用在p型c-Si晶片上(图2e)。与n-FJ电池相反,在这种p型Si TOPCon BJ (p-BJ)器件中,背面的TOPCon作为全域接触的p-n结,使得发射极的横向电流传输失效。n-FJ和p-BJ电池的光电参数汇总在图3中。p-BJ器件显示出非常高的VOC,高达732 mV,比n-FJ电池高5 mV以上,表明省略了前表面全区域硼扩散层的增益效果。1 Ω cm体电阻率的P-BJ电池[P-BJ(1)]填充因子为84.5%,比n-FJ器件高出1%的绝对值,证明了前表面的Al2O3和后表面的TOPCon具有很高的钝化效果,以及在c-Si体相内向局部前接触间具有足够高的空穴传导性。10 Ω cm p-BJ电池[P-BJ(10)]的FF比P-BJ(1)电池低2%的绝对值,表明电阻损耗非常严重。因此,p-BJ电池设计对c-Si体的空穴电导率敏感。1 Ω cm p-BJ电池的JSC最低(<42.1 mA cm–2),n-FJ电池和10 Ω cm p-BJ电池均显示约42.5 mA cm–2的值。总的来说,与10 Ω cm p-BJ电池(25.5%)和n-FJ电池(25.8%)相比,1 Ω cm p-BJ电池显示出最高的效率(26.0%)。1 Ω cm p-BJ电池的这种高效率为两面接触式硅太阳能电池的最高值之一,并且该电池的极高电学性能减小了与SHJ电池的差距(图1e)。
功率损耗分析(PLA)
为了更深入地了解这些电池设计中独特的电流传输和复合损耗,研究人员基于自由能量损耗分析(FELA)对所有电学和光学机制进行了系统的功率损耗分析(PLA ),图4c为最终的PLA以及最佳电池的模拟输出功率。
关于光学损耗,p-BJ电池在正表面遮阳和反射上比n-FJ电池高〜0.3%损失,这是由非完美的ARC和金属栅格造成的。对于1 Ω cm p-BJ电池,非理想的正面损耗最高,这会造成低的JSC。由于背面的电池设计相同,所有电池的非理想背面损耗非常相似。在电学损耗方面,c-Si体相复合损耗主要由俄歇复合构成,这在1 Ω cm p-BJ电池中最为明显。所有电池的表面复合损耗都由前表面决定,这对于1 Ω cm p-BJ电池最低,尤其是在非接触区域。10 Ω cm p-BJ电池在正面和TOPCon背面存在更高的损耗,这是由于在此电池上表面钝化质量略低。由于暗周长、活性面积之外的硅晶片区域,所有电池都表现出相当可观的损耗,这对于10 Ω cm p-BJ电池最为明显,约为0.3%。如果通过增加太阳能电池的有效面积来消除这些边缘损耗,并且假设n-FJ电池具有更好的正面光学特性(更好的金属栅格和ARC),该模拟可预估1 Ω cm p-BJ电池的效率为26.6%。最后作者从仿真模拟方面比较了不同的FJ和BJ电池,得出:BJ太阳能电池有潜力成为未来c-Si太阳能电池的最佳候选者,预计在未来的十年其效率可达27%的范围内。Richter, A., Müller, R., Benick, J. et al. Design rules for high-efficiency both-sides-contacted silicon solar cells with balanced charge carrier transport and recombination losses. Nat Energy (2021). DOI:10.1038/s41560-021-00805-w
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