27.62%效率的混合BC硅电池：载流子提取最大化策略

混合背接触（BC）硅太阳能电池融合了TOPCon结构的电子选择性接触、硅异质结（SHJ）结构的空穴选择性接触，以及交叉指式背接触（IBC）的器件布局。尽管已有研究实现了27.8%的效率，但该架构相较于传统BC电池的深层优势尚未被充分揭示。本研究采用美能全光谱椭偏仪精确表征多层膜结构，为梯度硼掺杂、a-SiOx钝化及160μm厚度下的单向载流子输运设计提供了关键光学参数支撑。

本研究利用混合BC架构的设计灵活性，采用多功能前表面层，同时实现陷光与钝化功能；同时优化了背面载流子选择性接触的载流子收集能力与工艺兼容性。研究表明，最优晶体硅吸收层厚度可增加至160μm，最终实现了认证效率达27.62%的产业化兼容晶体硅太阳能电池。

混合BC电池结构设计与优势

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(a)混合BC太阳能电池结构示意图。(b)扫描电子显微镜图像。(c)测量电流-电压特性以及理论计算结果。(d) SHJ太阳能电池与本工作中混合BC太阳能电池相对于理论极限的绝对效率损失

为协同发挥TOPCon、SHJ与IBC技术的优势，本研究设计了混合BC太阳能电池。在背面，采用TOPCon结构（a-SiOx / n⁺-poly-Si）形成电子选择性接触，并采用SHJ结构（i-a-Si / p-a-Si）形成空穴选择性接触。n⁺-poly-Si层具有良好的化学与热稳定性，可耐受后续激光开槽与湿法刻蚀等工艺。正面则通过去除电极，并用双层减反膜（SiOx / SiNx）结合n-nc-SiOx / i-a-Si / SiOx叠层结构，最小化光学损失与表面复合。SiNx的高折射率与SiOx的低折射率相结合，改善了折射率匹配，增强了陷光效果。n-nc-SiOx层提供场效应钝化，进一步降低表面复合。

该混合设计带来多项关键优势：（1）背面p型接触中的梯度能带结构改善了空穴输运，降低串联电阻，提升填充因子；（2）SiOx钝化层应用于正面和背面n型接触，抑制了c-Si表面外延或孪晶硅缺陷的形成，提升了开路电压；（3）正面无金属栅线，减少了光学遮光损失，提升了短路电流密度。

梯度硼掺杂提升空穴收集

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(a)混合BC电池中作为p型接触层的SHJ衍生结构。(b,c) p型接触层的电子能量损失谱，以及p-a-Si层中从ITO侧到i-a-Si侧的梯度硼掺杂浓度空间分布。(d,e) 从器件模拟和第一性原理计算获得的p型接触层中的能带弯曲，以及梯度硼掺杂诱导的p-a-Si层价带顶工程，用于增强空穴输运。(f) 通过p-a-Si层梯度硼掺杂实现填充因子提升的实验验证

通过在p-a-Si层中构建硼浓度梯度，形成价带顶梯度，诱导内建电场方向与空穴输运方向一致，从而加速空穴漂移、缩短界面停留时间，降低复合概率。研究对比了均匀掺杂、低梯度掺杂与高梯度掺杂三种结构，实验与模拟一致表明，高梯度掺杂可使填充因子从85.8 %提升至87.7 %，串联电阻从1.9 mΩ降至1.1 mΩ，效率绝对提升0.9 %。EELS分析证实了硼浓度的空间梯度分布。

SiOx钝化抑制界面缺陷

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(a) 高角环形暗场扫描透射电子显微镜图像显示i-a-Si/c-Si界面处的外延硅和孪晶硅缺陷。(b) HAADF-STEM图像呈现光滑的i-a-SiOX/c-Si界面形貌。(c, d) i-a-Si/c-Si界面的初始结构以及微秒尺度分子动力学模拟后产生外延硅和孪晶硅缺陷的结构。(e, f) a-SiOX/c-Si界面的初始结构以及微秒尺度分子动力学模拟后保持光滑的界面形貌

i-a-Si/c-Si界面易形成外延硅或孪晶硅缺陷，成为复合中心。本研究引入i-a-SiOx钝化层，通过氧掺杂将界面势垒提高0.2 eV，有效抑制非晶硅的晶化转变。HAADF-STEM与分子动力学模拟显示，a-SiOx/c-Si界面在长时间模拟后仍保持光滑，少子寿命从2.5 ms提升至3.4 ms。由于a-SiOx带有固定正电荷可能阻碍空穴输运，故仅用于正面与n型接触层，背面p型接触仍保留i-a-Si钝化。

最优厚度提升至160μm

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(a-d)实验测量的混合BC电池JSC、VOC、FF和效率随c-Si厚度的变化。(e-h)器件模拟结果显示混合BC电池JSC、VOC、FF和效率随c-Si厚度的变化。(i, k) 混合BC电池与SHJ电池的载流子输运路径对比。(j, l) 混合BC电池与SHJ电池的电流密度分布随c-Si厚度的变化对比

混合BC电池的最优c-Si厚度为160μm，高于SHJ的125μm。其原因在于载流子输运机制不同：SHJ中电子需往返前后表面，增加迁移距离与体复合风险；而混合BC中电子与空穴均在背面收集，形成单向输运路径，缩短迁移距离，允许使用更厚的吸收层以增强光子吸收。实验验证，160μm厚器件实现27.62 %效率（JSC = 42.54 mA/cm²，VOC = 740 mV，FF = 87.73%），优于120μm器件的26.95%与SHJ基准的26.81%。模拟与实验结果高度吻合，效率提升主要来自光学损失降低与电阻损失减少。

混合BC电池在IBC架构中实现了TOPCon与SHJ技术的突破性集成，为晶体硅光伏器件中的载流子提取机制提供了新见解。其单向载流子收集机制克服了SHJ器件的厚度限制，缩短了电子输运路径，抑制了体复合，使得更厚的c-Si吸收层（160μm）得以应用，从而提升了光子吸收效率。凭借27.62%的认证效率，混合BC电池代表了突破28%效率壁垒的最具产业化前景的技术路径。未来在界面钝化、掺杂精度和光子管理等方面的进一步优化，将有望持续提升其性能。

美能全光谱椭偏仪

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全光谱椭偏仪拥有高灵敏度探测单元和光谱椭偏仪分析软件，专门用于测量和分析光伏领域中单层或多层纳米薄膜的层构参数（如厚度）和物理参数（如折射率n、消光系数k）

先进的旋转补偿器测量技术：无测量死角问题

粗糙绒面纳米薄膜的高灵敏测量：先进的光能量增强技术，高信噪比的探测技术

秒级的全光谱测量速度：全光谱测量典型5-10秒

原子层量级的检测灵敏度：测量精度可达0.05 nm

美能全光谱椭偏仪精确表征多层膜光学参数，为梯度硼掺杂能带调控、a-SiOx界面钝化优化及160μm厚度下的单向载流子输运设计提供了关键数据支撑。该技术助力混合背接触电池实现27.62%的认证效率，突破了传统SHJ器件的厚度限制，为商业化高效晶体硅光伏器件确立了新的技术路径。

原文参考：Maximizing carrier extraction in hybrid back–contact silicon solar cells

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