利用太阳能发电的太阳电池中，晶硅电池的光伏市场占有率达到90%左右，而到目前为止，单晶硅太阳电池又是晶硅电池中的领跑者，其效率一直处于单结太阳电池效率的领先水平，目前最高效率已达到26.6%。
单晶硅是制备高效太阳电池的理想选择，具有晶体结构完美、禁带宽度合适、储量丰富的特点。此外，N型单晶硅还具有纯度高、杂质少、晶界位错缺陷低、少子寿命高以及电阻率易控等优势。
当前研究的高效晶硅太阳电池主要包括钝化发射极背场点接触(PERC)太阳电池、钝化发射极背部局域扩散(PERL)太阳电池、硅异质结(SHJ)太阳电池、背接触硅异质结(HBC)太阳电池、交叉指式背接触(IBC)太阳电池、隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)太阳电池及多晶硅氧化物选择钝化接触(POLO)太阳电池等，大面积制备上皆已达到了23%以上超高效率(如表1所示)。
表1 基于隧穿氧化物钝化接触的高效晶体硅太阳电池的研究简况表
相较于多晶硅太阳电池，单晶硅太阳电池具有良好的稳定性和转换效率。而由于硅片制造工艺的不断推陈出新，单晶硅太阳电池的制造成本持续下降，效率也不断提升。
据模拟计算，本征异质结(HIT)太阳电池的极限效率为27.5%，PERC太阳电池的极限效率为24.5%，而基于TOPCon结构的太阳电池具有更高的效率极限(28.2%-28.7%)，同时也最接近晶体硅太阳电池理论极限效率(29.43%)。
通常认为太阳电池中电流产生的内在动力是由PN结的内建电场分离光生载流子形成，因为当能量大于半导体材料禁带宽度的光照射在PN结表面时，会破坏原先由扩散运动和漂移运动产生的动态平衡，从而产生新的电子空穴对并在内建电场的作用下分离，所以会形成光生电流，而现在有些研究人员认为只要破坏平衡的费米能级，形成准费米能级梯度，就能产生电流。
不同类型载流子在吸收层两侧接触区域的电导率是不同的，这使得分离开的光生电子和空穴分别向不同的方向输送，载流子的输运过程如图1所示。
吸收层中受光激发产生的电子和空穴分别沿导带和价带传输。理想情况下，图1中电子和空穴分别通过左侧电子接触和右侧空穴接触到达外电路。一般用复合电流密度(J0c)和接触电阻率(ρc)两个参数来衡量载流子选择性钝化接触性能的好坏。ρc代表钝化接触对多子的输出能力，即电子接触区对电子(多子)电流的电阻损耗。而J0c用来表明钝化接触对少子的阻挡能力，是由部分少子空穴移到电子接触区并与多子电子的复合产生的。
TOPCon电池基于载流子选择性收集钝化接触结构，通过在电池背面制备由隧穿氧化硅层和重掺杂硅薄膜层组成的叠层来形成。由于超薄氧化硅和重掺杂硅薄膜良好的钝化效果使得硅片表面能带产生弯曲(如图2所示)从而形成场钝化效果，电子隧穿的几率大幅增加，ρc也随之大幅降低。
由于优异的载流子选择性钝化接触性能，使得用TOPCon技术制备的晶硅电池效率已达到26%以上。
对于超薄隧穿氧化层，目前学术界存在两种载流子传输理论。第一种是量子隧穿效应。第二种是针孔理论。
其优点为制备效果好、可用于大规模生产，但存在维护运行成本高的问题。
表 2 氧化层制备方法优缺点对比
图 4 三种氧化法制备的TOPCon对称钝化结构在不同的氧化时间和退火温度后的iVoc
6种不同制备隧穿氧化层的方法：WCO-HCl (80 ℃的稀盐酸溶液氧化)，WCO-NAOS(沸腾的硝酸溶液氧化)，PO(300℃，PECVD中N2与O2混合气体的等离子体氧化)，TPO(高真空RF系统，中性原子氧等离子体氧化)，TO(850℃热氧化)，RTO(950 ℃中氩气与氧气混合，快速热氧化)。
如图5所示，通过XPS拟合得到化学计量比，可以观察到除了热氧化(TO)，其余5种方法都对低价氧化硅(Si+，Si2+，Si3+)的形成有着很好的抑制作用。
图 5 不同氧化法得到氧化层的XPS光谱 (a) SiOx/Si界面的Si 2p光谱及拟合厚度; (b)不同氧化技术得到的SiOx层的化学计量比
对于掺杂硅层，一般有三种制备方法。其中有两种属于化学气相沉积(cCVD)方法：低压化学气相沉积(lLPCVD)法和PECVD法。而还有一种溅射法是属于物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)方法。不同掺杂层制备方法的优缺点如表3所示。
表3 掺杂层制备方法优缺点对比
用LPCVD和POCl3扩散法制备的poly-Si接触太阳电池，最高效率为21.5%。此外，离子注入法在i-poly-Si层上形成n+掺杂的多晶硅接触太阳电池，其效率最高，达到21.2%。
使用PECVD制备的N型TOPCon电池效率达到了25.7%，同年制备的P型TOPCon电池效率达到了24.3%。
通过对离子注入方法制备的多晶硅与传统n+c-Si进行对比，如图6所示，可发现使用离子注入的方法制备多晶硅会带来很高的复合，这种复合是由多晶硅和BBr3扩散的c-Si发射极之间的p+n+结引起的，从而使最终的电池效率达到23.35%。
图 6 研究的电池结构 (a)具有N+多晶硅BSF的N- RISE BJBC电池; (b)具有常规c-Si BSF的参考N-RISE BJBC电池
使用溅射法制备了P型TOPCon电池，最终效率做到23%。
后续的晶化处理可以使掺杂硅层晶化率提高，提高器件的高温稳定性。同时可以减少掺杂硅层对光子的吸收，提高器件的量子效率。
采用快速热退火(RTA)制备的TOPCon电池效率达到了23.04%，其主要优点是将整个结晶时间缩短到约15 min，比传统的 > 60 min的管式炉退火时间短，。
对于低掺杂多晶硅，通过提升退火温度和增加退火时间，使iVoc达到最大值734 mV。而对于重掺杂多晶硅，因为在较高退火温度情况下磷在扩散过程中的俄歇复合速率增加，使iVoc下降，通过调节退火温度，最终获得21.1%的太阳电池效率。
02ploy-Si，ploy-SiCx和ploy-SiOx掺杂层的对比
当前TOPCon电池基本使用ploy-Si作为掺杂层，先由CVD的方法沉积一层a-Si:H再经过退火处理使a-Si:H转变为ploy-Si，从而使得结晶度得到了极大的提升，并使得掺杂激活，有效掺杂效率提升，同时导电性也得到极大提升。
通过调节CH4和SiH4之间气体流量比R和退火温度，发现ploy-SiCx的光学带隙随着R的增大而增大，但结晶率有所下降，不过这可以通过高温退火来得到改善。
如图7所示，最后对顶部/背部TOPCon太阳电池具有ploy-SiOx与ploy-Si相比，在短波长范围内EQE明显改善，效率提高了0.9%，达到20.17%。
图7 (a)具有poly-Si后接触和poly-SiCx前接触的TOPCon太阳电池光照下的电流-电压(Ⅳ)曲线; (b)具有不同窗口层的太阳电池的外部量子效率(EQE)
而用PECVD技术，通过在材料沉积过程中改变O含量来控制ploy-SiOx材料的结晶度及其吸收系数，同时还能增大SiOx的光学带隙，使其对长波段的光透过率更好，最终应用到IBC电池上的效率达到19.7%。
深发射极的屏蔽能力与刻蚀深度的关系不大。这使得当J0con ≤ 1000 fA/cm2时金属化层能够深入发射极，获得低接触电阻和高FF和VOC。
并探究了发射极深度与iVoc与VOC的差异的关系，随着深度的增大，发射极可以更有效地屏蔽少数载流子到达金属触点，在降低VOC损耗方面起着关键作用。最终通过优化发射极和金属模式使硒电池的平均绝对效率提高了0.24%，最高效率为20.7%。
Al2O3的主要优点来自其作为化学钝化SiOx缺陷的氢源的作用，并且Al2O3层对聚Si/SiOx的氢化作用优于气体退火。用Al2O3处理可以得到更高的开路电压(即VOC)从而得到良好的钝化表面，未来几代高效大体积c-Si模块可能会利用这一技术。而在用Al2O3:H钝化TOPCon电池表面也获得了良好的效果。
TOPCon电池，如图8所示，其采用了N型FZ硅片，正面采用普通金字塔制绒、硼扩散、ALD法制备氧化铝加PECVD法制备氮化硅钝化叠层起到钝化和减反射效果，背面为TOPCon结构，最终电池Voc达到690.4 mV，FF也达到81.9%。为
了进一步提高效率，通过优化电池结构，最终获得的Voc达到700 mV，FF为82%，效率达到23.7%。
对比在相同工艺条件下，TOPCon结构中载流子的一维传输特性相比于PERC电池中载流子三维传输的优势。并通过将背电极用Ag电极代替了Ti电极，改善了由于Ti电极较强的光寄生吸收而导致的短路电流密度(sJSC)下降，最终TOPCon太阳电池的转换效率达到24.4%。
2017年，在中国第17届全国光伏大会上，英利公司宣布他们在熊猫(PANDA)电池的基础上引进了TOPCon结构，如图9所示，并对氧化层和掺杂层进行了工艺优化，使得PANDA-TOPCon太阳电池的转换效率在156 cm × 156 cm的大面积N型硅片上达到了21.6% 。
图9 PANDA-TOPCon结构的太阳电池结构图
中国中来光电股份公司则将TOPCon结构与N型双面电池相结合，并在2018年上半年宣布将其N型双面TOPCon太阳电池的平均转换效率提升至22.5%，最高效率达到23.05%，双面率达到80.65%。
同时与TOPCon结构相似的POLO太阳电池结构如图10所示，他们都是氧化层与多晶硅的结合，且生长氧化层的方法基本相同，不同在于POLO电池在两面都生长氧化层，并分别生长p+，n+多晶硅，且在使用离子注入形成p+，n+多晶硅时会形成p+，n+c-Si。
在N型POLO(和P型POLO)样品上，使用选择性激光烧蚀(LASA)工艺，当激光接触开口面积分数为12.3%(8.7%)时，J0c密度为2 fA/cm2(6 fA/cm2)和iVoc为733 mV(727 mV)。该烧蚀工艺在叉指背接触式太阳电池中的应用，可获得26.1%的功率转换效率，而这是P型晶体硅太阳电池的世界纪录效率。
利用数值模拟的方法研究了P型和N型多晶硅钝化接触在P型TOPCon太阳电池上的应用。利用自由能损失分析(FELA)对相应的能量损失路径进行了分类。明确了N型多晶硅钝化接触的后结太阳电池由于表面钝化效果更好，正面金属化阴影较少，产生的内部功率更大，但效率潜力受到最先进的P型直拉硅(Cz)晶片的低寿命限制。
因此，当P型Cz硅的寿命小于350 μs时，作为背场的P型多晶硅钝化接触更为有利，长期来看，P型硅片的寿命可能成为高效率多晶硅钝化接触太阳电池的瓶颈。最后通过对前端结构设计参数、P型硅片的寿命和电阻率，以及多晶硅钝化的钝化质量和接触电阻的研究，模拟设计出，P型多晶硅和N型多晶硅作为背场的后结钝化接触的P型TOPCon太阳电池将分别获得约24.43%和24.90%的优良效率。
TOPCon太阳电池有着优良的钝化特性以及与产业链的良好兼容特性，具有巨大的潜力。对于重掺杂多晶硅层，现有的LPCVD、PECVD技术具有工艺复杂、污染环境、成本高等问题，而最新研究的溅射法制备的TOPCon电池效率又远低于传统方式，所以我们要继续探究新的环保节能的制备方式。
氧化层的制备也有多种方式，需要通过对经济、节能、环保、效率成果等进行比较使用，对于使用PECVD等离子体制备方法，现在只有使用N2O，未来可以使用多种含氧气体进行研究。
未来TOPCon电池在大面积的工业生产上也会得到更好的应用，将逐渐取代当前的PERC电池；在效率方面也将逐步接近硅基太阳电池理论极限。此外，TOPCon电池的全区域钝化也能很好地与钙钛矿电池结合成叠层电池，成为未来太阳电池效率提升的重要途径。
来源：基于隧穿氧化物钝化接触的高效晶体硅太阳电池的研究现状与展望
原文始发于微信公众号（光伏产业通）：TOPCon太阳电池的研究现状与展望
