近日，经福建计量科学研究院国家光伏产业计量测试中心*认证，中国科学院宁波材料技术与工程研究所硅基太阳能及宽禁带半导体团队开发出效率为25.53%（Voc=700.7 mV，Jsc=43.04 mA/cm2，FF=84.64%）的新型高效隧穿氧化硅钝化接触（TOPCon）概念验证电池，突破了晶科能源和中来股份2021年10月份分别发布的25.4%的国内效率纪录，居行业先进水平，见图1和图2。值得一提的是，该电池采用了基于等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术制备的新型多晶硅化物薄膜，可显著增强表面钝化、降低中长波段寄生吸收，同时兼顾载流子选择性收集，能够全面提升填充因子、短路电流及开路电压，展现出了巨大的产业应用潜力。
过去十多年，晶硅太阳电池转换效率以每年0.5%～0.6%的速度不断提升。目前，产业主流的钝化发射极及背面接触（PERC）电池已经接近其量产极限效率（～23.5%）。光伏行业迫切需要开发效率更高且成本可控的量产型钝化接触技术。TOPCon是一种典型的钝化接触技术，其核心结构由超薄氧化硅层和重掺杂多晶硅层组成，具有量产效率高、兼容现有产线等优点，被广泛认可为下一代主流晶硅太阳电池技术。因此，研究高效TOPCon电池技术、理解关键科学问题、突破核心材料技术、研制先进量产装备技术是当前光伏研究领域的重要内容。
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图1 福建计量科学研究院国家光伏产业计量测试中心认证报告截图
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图2 （a）中科院宁波材料所TOPCon电池结构示意图；（b）全世界主要研究机构及企业在n型TOPCon电池效率的进展，红色★代表中科院宁波材料所（NIMTE-CAS）
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图3 金辰股份子公司苏州拓升与中科院宁波材料所团队开发的管式PECVD装备 中科院宁波材料所硅基太阳能及宽禁带半导体团队在叶继春研究员带领下，于2015年底开始布局研究TOPCon技术，是国内最早开展相关研究的科研机构之一，围绕PECVD路线开展TOPCon技术的系统性研发。在闫宝杰研究员、曾俞衡研究员、刘伟高级工程师、廖明墩高级工程师、杨阵海博士等科研人员及历届研究生的共同努力下，在电池结构设计与器件仿真模拟（正结、背结、双面钝化接触、IBC、选择性发射极、电荷隧穿传输和孔洞传输等）、关键材料与工艺开发（纳米氧化物薄膜材料及多种制备技术、掺杂多晶硅化物薄膜材料及制备、新型扩硼工艺、新型退火工艺/氢注入工艺、电极材料与工艺等），以及量产型装备技术研制（管式PECVD、纳米氧化硅和掺杂多晶硅二合一设备）等方面取得系列成果，其中，n型和p型TOPCon的最高iVoc分别为750 mV和730 mV，实验室概念验证电池最高效率为25.53%，居行业先进水平。
截至2021年10月，团队已就TOPCon技术在光伏/能源类主流期刊发表论文23篇，包括最近在顶级期刊Energy & Environmtal Science上发表的基于碳掺杂多晶硅的高效TOPcon太阳电池方面的学术论文（DOI: 10.1039/D1EE02011K），在Cell Reports Physical Science上发表的孔洞形成机理以及电荷传输机理方面的学术论文（doi.org/10.2139/ssrn.3910800），以及在Solar RRL上发表的多晶氮化硅高效TOPCon太阳电池方面的学术论文（DOI: 10.1002/solr.202100644）等文章，发表文章数量位居全球科研机构前列。团队在该领域布局了60余项专利，初步形成独立自主的知识产权。
目前，团队与上市公司金辰股份合作开发出量产型管式PECVD装备及其全套技术，见图3，在材料、工艺以及设备方面开展全方位创新，可实现TOPCon电池关键制程的大幅优化和制造成本的显著下降，并在设备可维护性等方面满足了量产需求。该装备在多家龙头光伏上市公司进行中试验证，获得平均效率＞24%（最高效率24.5%）的量产型n型TOPCon电池，且在二合一设备开发上取得了突破，是国内极少数先于外国设备商开发的具有完全独立知识产权的光伏用量产核心设备，受到光伏行业的高度关注。
本团队相关工作得到金辰股份及其子公司苏州拓升的大力支持，也得到博威尔特、东方日升、时创新能源、晶科能源、中来股份、帝科股份、钧乾智造等合作伙伴的支持和帮助；同时得到国家自然科学基金（61874177、61974178）、国家重点研发计划（2018YFB1500403）、中科院青年促进会人才计划（2018333）、宁波市“科技创新2025”重大专项（2020Z098）、浙江省重点研发计划（2021C01006）、辽宁省揭榜挂帅科技攻关项目、浙江省自然科学基金（LY19F040002）等项目的资助。
*福建计量科学研究院国家光伏产业计量测试中心（NPVM）是受《Solar Cell Efficiency Tables, version 57》认可的认证机构。
文章来源：宁波材料所
闫宝杰，中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员。主要从事高效太阳电池的研究，包括多晶硅/氧化硅隧穿钝化接触（TOPCon）太阳电池，晶硅/非晶硅异质结（HIT）太阳电池，钙钛矿/晶硅叠层太阳电池。近两年的工作重点是高效晶硅太阳电池技术的产业化推广。
闫宝杰博士1989年获得南开大学理学博士学位。博士期间作为首届中日联合培养博士生，在日本东京工业大学从事硅基薄膜太阳电池的研究。博士毕业后在南开大学，德国爱尔兰跟大学（Erlangen University）, 比利时天主教鲁汶大学（Catholic University of Leuven）, 美国犹他大学（Utah University）等高校工作。于1998年进入美国联合太阳能公司（United Solar Ovonic LLC）工作，历任研究员、资深研究员、研发部主任、先进技术部总监等职。领导研发团队创造多项薄膜硅太阳电池及组件效率的世界记录。在薄膜材料沉积，太阳电池器件设计，太阳电池制备，太阳电池生产设备的开发和太阳电池生产的方面有多年的经验。2017年加入宁波材料所后与团队成员一同研究开发高效TOPCon太阳电池技术。在团队成员的共同努力下，TOPCon太阳电池的研究水平达到世界领先水平。该项研究得到产业界的重视，目前正与金辰机械股份公司合作开发高效TOPCon太阳电池量产设备和技术。
曾俞衡，博士，中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员，硕士生导师。2005年浙江大学材料科学与工程学系获学士学位，2010年浙江大学硅材料国家重点实验室获博士学位，毕业后在中科院宁波材料所从事博士后研究，2013年晋升为副研究员、硕士生导师，2015年赴澳洲国立大学做访问学者一年，于2017年入选中国科学院青年创新促进会。 曾俞衡长期从事晶体硅材料、纳米硅材料、新型硅太阳电池的相关研究，对硅材料和硅太阳电池器件有长期而深入的研究，擅长材料微缺陷分析和器件分析；目前已经在Adv. Energy. Mater.、Nano Energy、Sol. Energy、Sol. RRL, J. Appl. Phys.等期刊上发表SCI论文40余篇，申请国家发明专利近20项。近年来，他承担过包括中国自然科学基金面上项目/青年项目、中国博士后科学基金特别资助/面上资助、浙江省和宁波市自然科学基金等多个项目，曾获2011年度浙江省科学技术奖一等奖。
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发表于 2021-11-11 09:17:17
