高载流子选择性和显著减少界面重组的结合，是TOPCon实现优异钝化的关键。有四种平行的机制促成了载流子的选择性。

　　(1) 由于n+多晶硅和n型晶体硅吸收体之间的功函数差异，重度掺杂的n+多晶硅在吸收体/隧道氧化物界面上产生了一个积累层。铝基动力母线这种带状弯曲在SiO2/Si界面上诱发了一个富含电子的积累层，它为少数载流子空穴进入隧道氧化物提供了障碍，同时帮助多数载流子向氧化物/Si界面迁移以增加电子的供应。

　　(2) 隧道氧化物提供了第二层次的载流子选择性，因为它对空穴的隧道势垒（4.5 eV）比对电子的（3.1 eV）大。

　　(3) 多晶硅层传导带中的大量可用状态与吸收体/氧化物界面上的大量电子相结合，使得n-Si中的电子很容易通过超薄的氧化物隧道进入n+多晶硅。然而，由于带状弯曲，在吸收体的价带边缘附近的空穴较少，如果Si的价带边缘落在n+多晶硅的禁忌间隙内，也可能无法隧道通过。由于少数载流子无法通过隧道，它们在n+掺杂的多晶或金属接触中的重组就会减少或消除。

　　(4) 除了载流子的选择性，少数载流子的重组也由于场效应而在界面缺陷处减少，这增加了电子浓度（积累层），减少了Si-氧化物界面的空穴浓度。这种不对称的电子和空穴浓度减少了缺陷诱发的肖克利-雷德霍尔（SRH）重组。

　　同样的机制也适用于p+多晶硅的空穴选择性钝化接触，然而，相对于n-TOPCon而言，p-TOPCon中的重组略高于n-TOPCon，已经有报道。

　　图27：过去30年中不同高效单元体系结构的效率演变：PERL、TOPCon和HIT，在小面积研发单元中前后接触（从[43]中重新引用）。

　　表3：大面积n型Cz晶片上丝网印刷n-TOPCon太阳能电池的文献综述。

　　图31:23%以上n-TOPCon电池的技术路线%nPERT电池开始。每个条形图显示了正面和背面金属化和非金属化区域以及基材的J0贡献，以及所有关键电池参数和效率。

　　低金属化J0和接触电阻率对高效率都很重要，铝基动力母线因为J0会影响VOC，而接触电阻率会影响FF。为了了解金属化前发射器（J0e,total）和后部n-TOPCon（J0b,total）对n-TOPCon电池的影响，分别在图34和图35中绘制了效率敏感性曲线。铝基动力母线模型显示，对于我们提议的电池设计，J0e或J0b增加5 fA/cm2将导致电池效率下降~0.1%abs。

　　图34: Quokka 2模拟的电池效率是J0e,total的函数，假设2ms的体积寿命（表5的第5列）。星形显示的是我们23%电池设计的金属化J0e。

　　图35:Quokka 2模拟的电池效率随J0b’的变化，拟议的23%n-TOPCon电池的总效率（表5第5列）。星形显示了我们23%电池设计的金属化J0b。

　　在Quokka 2设模拟中，通过仅改变接触电阻率，也考察了前后接触电阻率对电池效率的影响。图36显示了电池效率作为前后接触电阻率的函数。模型显示，正面的接触电阻率每增加2 mΩ-cm2，电池效率就会下降0.1%abs。然而，铝基动力母线在后侧，它只导致0.02%abs的效率下降。这是因为在后侧没有由于遮光而产生的权衡，这使得后侧的金属覆盖率增加了5倍，以减少对接触电阻的敏感性。

　　图36:Quokka 2模拟的电池效率与拟用23%n-TOPCon电池的前后接触电阻有关（表5第5列）。恒星显示了我们23%电池设计的接触电阻率。

　　开发网版设计模型和计算器，用于优化双面TOPCon太阳能电池的前部和后部接触网版设计

　　网格模式由大量网格线）母线组成。栅极线收集基极中产生的载流子，这些载流子经过栅极线之间的掺杂区分离并横向传输。然后，电网收集的载波被馈入母线，铝基动力母线母线将载波传输到外部电路中进行发电（图37）。因此，电网设计必须考虑体积电阻、电网线之间的薄板电阻、接触电阻、电网电阻和母线电阻，以计算总串联电阻。由于更高的电阻会降低FF，更多的网格线会增加遮光和金属诱导复合或J0，因此网格设计优化不仅要小化串联电阻，还要考虑遮光和金属诱导复合损失，以将总损失降至。图38显示，更多网格线通常会降低串联电阻，但会增加着色或JSC和J0，因此，设计网格模式对于优化电池效率至关重要。

　　图38：网格线设计的权衡。图中的箭头显示了格栅金属覆盖率在前侧增加时的趋势。

　　一些商业和非商业的网格设计模型，如PV Lighthouse [88]，只考虑了串联电阻和光学遮挡，而没有考虑金属诱导的重组，当你走向非常高效的电池时，这种重组变得非常重要。像Sentaurus和Quokka 2这样的设模拟器是优化电网设计的选择。然而，这些模拟器对于网格优化是非常有限和复杂的，因为单元格的大小是由前后网格间距的小公倍数（LCM）定义的，而单元格的大小需要很小，以便在Sentaurus和Quokka有一个合理的低计算时间。因此，在这项任务中为前后接触的双面太阳能电池开发了一个网格设计计算器，在这项研究中考虑了金属诱导的重组。

　　图90：先进的无主栅选择性TOPCon电池的效率等值线图与体电阻率和中间隙SRH寿命的函数关系。白色虚线对应于体电阻率，该体电阻率在给定的中间隙SRH寿命下产生的电池效率。

　　在硅晶圆正面栅格下方加入选择性区域厚TOPCon (~ 100 μm宽)，以减少寄生吸收和消除丝网印刷接触诱导的钝化质量退化。Larionova等人[135]在双面全面积TOPCon的成品电池上实现了728 mV的VOC(图87)，但报告了由于寄生吸收导致的短路电流密度损失，即使在非常薄(10-12 nm)的全面积多晶硅层在正面，导致只有22.3%的效率。此外，由于在正面使用了非常薄的多晶硅，金属化只限于低温工艺，以防止高温烧结过程中的金属穿孔，这增加了制造成本，限制了电池的性能。Young等人[136]试图通过钝化场区域的反应离子刻蚀(RIE)来制造选择性区域TOPCon电池，铝基动力母线金属网格指形作为刻蚀掩模。然而，他们报告了由于非均匀蚀刻和RIE诱导的表面钝化降解而导致的性能损失。也有人尝试使用阴影掩模来沉积多聚[137]和光刻定义的[138]图案来制造选择性区域TOPCon，但它们在工业上不兼容。因此，在本任务中，我们进行了二维设建模，以建立单元设计，包括所有实际可以实现的材料和设参数，可以或已经使用工业工艺实现，以实现25%的高效可制造的丝网印刷后结双面单元，在前面有选择性的TOPCon。

　　图87：全面积双面接触TOPCon太阳能电池的示意图，两侧均具有TCO和低温银丝网印刷金属化（改编自【135】）。

　　一个定量的理解和效率潜力的丝网印刷双面后结细胞与选择性TOPCon在前面提出。该单元结构由n型硅晶圆背面的全区域p-TOPCon和正面的选择性区域n-TOPCon组成。详细的建模使用实际可实现的材料和设参数表明，采用传统丝网印刷工艺，该设计可达到约25.4%的印刷效率。这是因为在前端的选择性n-TOPCon限度地减少了寄生吸收，而后结设计允许在前端网格下使用更厚的多晶硅，而不需要在场区域进行任何扩散。 未扩散场区域用Al2O3/SiN涂层钝化，以提供与TOPCon钝化Si表面相当的J0，而没有任何吸收损失。模拟表明，这种结构不需要任何前沿扩散，因为侧向传导通过Si体发生，没有明显的电阻或FF损失。 由于体材料特性对这种后结器件非常重要，通过数值模拟生成了效率等值线图，表明给定的目标效率可以通过体寿命和电阻率的几种组合来实现。然而，为了在固定的体寿命内达到的效率，存在一个电阻率。 对于拟议的设计和结构，体寿命需要≥3ms，以实现 25%的电池效率。
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