中科院宁波材料所叶继春团队最新AFM：工业级微纳结构用于构建高效钙钛矿/TOPCon叠层太阳能电池

第一作者：江盛国

通讯作者：杨阵海*，杨伟创*，曾俞衡*，叶继春*

单位：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，苏州大学

在钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池中，绒面结构是实现优异光学性能的关键。然而，直接引入微米级绒面会导致钙钛矿成膜困难以及造成晶硅底电池钝化质量下降等问题。因此，在工业化可行的绒面上制备出高质量钙钛矿薄膜，同时保证晶硅底电池优异的钝化性能对实现高效钙钛矿/TOPCon叠层太阳电池来说至关重要。

鉴于此，2024年4月11日中科院宁波材料所叶继春团队于Advanced Functional Materials刊发题为”Advancing Monolithic Perovskite/TOPCon Tandem Solar Cells by Customizing Industrial-Level Micro-Nano Structures”的研究成果。该研究提出了一种基于工业级亚微米金字塔绒面的钙钛矿/TOPCon叠层太阳电池。该研究得到了与产业化大绒面相当的低反射率亚微米金字塔绒面，然后通过退火温度平衡SiOx主导的化学钝化和内扩散诱导的场效应钝化，实现了高钝化的双绒面TOPCon底电池。此外，该研究发现与平面表面相比，工业级亚微米金字塔绒面有利于形成晶粒尺寸较大以及较少内部针孔的高质量钙钛矿薄膜。最终基于亚微米金字塔绒面的钙钛矿/TOPCon叠层太阳能电池效率达到了28.67%。该工作对于理解绒面TOPCon钝化以及推动钙钛矿/TOPCon叠层太阳电池商业化提供指导。

通过对比平面、小绒面、大绒面的形貌结构，发现金字塔高度在0.6-0.8 μm时，其反射率可以与微米级金字塔绒面相媲美，有着优异的陷光性能，且亚微米金字塔尺寸分布均匀。

与平面表面相比，绒面的引入会增加表面的缺陷态密度进而降低表面钝化性能，本工作通过优化退火温度平衡化学钝化和场效应钝化实现了高钝化性能的小绒面TOPCon底电池，其钝化性能略高于大绒面。

高温退火虽然会导致金字塔的谷底和塔尖出现SiOx区域变薄甚至消失，形成类似“针孔”结构，导致SiOx薄膜的化学钝化质量降低，但是掺杂原子可通过“针孔”区域实现更深的内扩散，增强局部场效应钝化从而弥补化学钝化的下降。此外，“针孔”的存在可以有效的增强载流子的传输能力，降低TOPCon的接触电阻率。

进一步的，在小绒面TOPCon底电池上通过旋涂法制备钙钛矿薄膜，发现钙钛矿可以很好的覆盖亚金字塔绒面，并且与平面样品相比，亚微米金字塔绒面有利于形成晶粒尺寸较大及内部针孔较少的高质量钙钛矿薄膜。

基于亚微米金字塔绒面单结TOPCon电池获得了优异的电学性能，其Suns-VOC达到了702 mV，与钙钛矿顶电池集成后，得到了效率达为28.67%的钙钛矿/TOPCon叠层太阳电池。

“Advancing Monolithic Perovskite/TOPCon Tandem Solar Cells by Customizing Industrial-Level Micro-Nano Structures”

杨阵海简介：主要从事光伏器件仿真和设计研究，目前以第一作者/通讯作者在Nature Energy、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials和ACS Energy Letters等高影响力杂志上发表论文40余篇。获‘2019 年度教育部自然科学二等奖’、‘2019年度中国光学学会光学科技奖二等奖’、‘宁波市优秀科技论文’等奖项；主持国家自然科学基金青年项目一项，参与国家重点研发计划、国家自然科学基金面上基金等项目。

杨伟创简介：2018年本科毕业于西南石油大学新能源材料与器件专业，2023年在中科院宁波材料所获得材料物理与化学博士学位，毕业后至今在宁波材料所从事博士后研究工作，研究方向为高效钙钛矿及叠层电池的光电设计，目前以第一作者/共同第一作者在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Solar Energy和Optics Letters等杂志发表论文，获得2023年度国家资助博士后研究人员计划B档资助。

曾俞衡研究员简介：长期从事晶体硅材料、硅薄膜材料、硅基太阳电池等相关研究；近年来专注隧穿氧化硅钝化接触（TOPCon）技术研究，成功开发新型含氮/碳多晶硅、高质量原位等离子体氧化等新材料新技术，开发出认证效率>25%的新型高效TOPCon概念验证电池；截至2024年3月，累计在Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Small、Sol. RRL、Sol. Energy Mater. & Sol. Cells、Sol. Energy、Cell Reports Phys. Sci.等能源/光伏主流期刊上发表SCI论文120余篇。

其中一作/通讯作者60余篇；申请国家专利110余项，已授权40余项；曾获2011年度浙江省科学技术奖一等奖（排名7）；先后主持国家自然科学面上基金、青年基金、国家重点研发计划二级子课题、浙江省尖兵领雁攻关项目子课题、浙江省自然科学面上基金、辽宁省首批揭榜挂帅科技攻关项目子课题、宁波市科技创新2025项目子课题、宁波市自然科学基金、中国博士后基金面上资助和特别资助；与业内各光伏企业建有广泛联系，参与企业技术委托开发多项，实现技术转移转化1项；与团队成员及合作公司一起开发出具有自主知识产权的量产型管式PECVD装备及其全套技术，获APVIA亚洲光伏-科技成就奖（大学研究所类）、中国发明协会发明创业奖创新奖二等奖、2021年Si-PV十佳贡献奖；推动管式PECVD技术发展，助力其被光伏产业广泛接受并成为TOPCon电池的主要技术路线之一。

叶继春研究员2001年本科毕业于中国科学技术大学, 2005年在加州大学戴维斯分校获得博士学位, 毕业后在美国硅谷Spanion（AMD spinoff）半导体芯片公司和太阳能业内闻名的初创公司从事研究工作。在半导体器件、太阳能电池、和材料等领域具有超过20年的研发积累，在工艺开发、工艺集成、和器件设计与制备表征等领域内有较为丰富的经验。

2012年8月回国后，叶继春研究员组建了一个100余人的科研团队，所从事的研究内容包括新型高效晶硅太阳电池、宽禁带半导体、及相关仪器装备开发和新材料开发。在Nature Energy，Joule，Advanced Materials，Nature Communications，Energy & Environmental Science等杂志上发表200余篇论文，其中影响因子大于10的34篇，2篇著作章节，申请专利220项，授权100余项，曾获得教育部自然科学奖二等奖、中科院朱李月华优秀导师等奖项。培养的博士生获得中科院百篇优秀博士论文一次。

科研团队在太阳能及宽禁带半导体器件领域开展研究工作，主要从事的科研包括高效硅基太阳能电池技术、宽禁带半导体器件、相关仪器装备开发和新材料开发等领域。团队由17位员工、60余位学生及12位国际知名学者作为客聘成员组成，包括6位研究员， 3位副研究员，2位高级工程师，5位助理研究员，和1位工程师，9位高级职称成员中有6位拥有海外留学背景。团队曾经或正在承担国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院重大装备项目、浙江省杰出青年基金、浙江省重大研发计划、宁波市工业重大专项、宁波市重大国家合作，宁波市科技创新2025重大专项、企业联合开发项目等共90余项。多项技术开始产业化应用，其中两项技术已成功获得了量产，率先开展了基于管式PECVD路线的TOPCon技术开发，并全方位推动该技术的产业化应用。同时，团队世界上知名科研机构以及十余家上市公司开展常态化的合作

团队依托宁波材料所光电信息材料与器件实验室的600平米的千级超净室，逐步完善了太阳能及宽禁带半导体的加工制备和表征分析平台。目前拥有总价值超5000万的专用加工和表征设备，拥有全链条物理器件的加工能力；同时，团队还拥有建有计算仿真模拟平台，熟练掌握多种仿真软件，为开展高水平研究奠定基础。

课题组网页：https://jichunye.nimte.ac.cn/

江盛国简介：中国科学院大学硕士研究生，师从宁波材料所叶继春/曾俞衡/杨阵海老师。研究方向为钙钛矿/TOPCon叠层太阳电池，负责开发高性能的TOPCon底电池，以第一作者在Advanced Functional Materials发表一篇文章，对硅基太阳能电池以及半导体物理有较深刻的理解。