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太强了！中国科技公司，连发2篇Nature正刊，2年第6篇！

高分子科学前沿

2025-11-13

导读：硅电池效率27.81%，逼近理论极限！在全球能源转型的浪潮中，晶体硅太阳能电池仍是光伏产业的主力军，其高稳定性、成熟工艺与成本优势使其长期占据市场主导地位。

硅电池效率27.81%，逼近理论极限！

在全球能源转型的浪潮中，晶体硅太阳能电池仍是光伏产业的主力军，其高稳定性、成熟工艺与成本优势使其长期占据市场主导地位。然而，随着实验室效率不断逼近理论极限，产业界面临新的瓶颈——填充因子（Fill Factor, FF）难以突破。这一关键指标决定了电池的能量转换效率，却长期受到复合损失与接触电阻的双重制约。尽管业内提出多种模型来描述复合与电阻的关系，但尚缺乏从物理层面系统揭示载流子损耗机制的理论框架。如何在保持优异表面钝化的同时，降低接触损耗、实现高效电荷输运，成为硅基光伏迈向极限性能的最后一道“天花板”。

针对这一核心难题，隆基绿能中央研究院李振国博士、徐希翔博士、 Liang Fang、Chaowei Xue联合兰州大学贺德衍教授、中山大学高平奇教授提出了创新性的解决方案：开发出一种混合型交指背接触（Hybrid Interdigitated Back Contact, HIBC）硅太阳能电池。该设计首次将全表面钝化与激光调控隧穿接触相结合，实现了电学与光学性能的双优化。在这一体系下，团队通过高低温工艺融合、边缘原位钝化（iPET）与激光诱导晶化等多项创新手段，显著抑制了复合损失，使电池效率达到27.81%、填充因子高达87.55%，相当于理论极限的95%。这一成果不仅刷新了硅基太阳能电池的世界纪录，也揭示了填充因子与载流子复合机制之间的物理联系，为高效率光伏器件的设计提供了理论依据和工业化路径。相关成果以“Silicon solar cells with hybrid back contacts”为题发表在《Nature》上，Genshun Wang, Mingzhe Yu, Hua Wu, Yunpeng Li为共同第一作者。

值得一提的是，这已是隆基绿能自去年以来发表的第6篇《Nature》了，上一篇发表在两天前。

从结构设计出发：混合背接触的关键创新

HIBC电池的结构创新在于“背面全整合、正负极交指化”。如（图1a）所示，研究团队在硅片背面交替布置n型与p型接触区，并采用全表面钝化层抑制载流子复合。通过结合高温（>800°C）扩散和低温（<240°C）沉积工艺，形成高质量隧穿接触层。团队还引入了名为iPET的边缘原位钝化技术（图1c、d），这一创新有效抑制了硅片边缘的缺陷复合，使得高电阻率晶圆不再在低注入水平下退化。模拟结果显示，iPET可将边缘复合电流显著降低，提升准填充因子（pFF）并最终带来超过0.5%的效率提升。与此同时，为兼顾导电性与钝化性，研究者将磷掺杂浓度降低十倍，并在n型多晶硅（n-poly-Si）层上沉积ITO导电层以增强横向传输（图1b）。最终，样品实现了J0仅0.89 fA cm⁻²的极低表面复合，填充因子达到86.77%，展现出极佳的载流子输运平衡。

图1：HIBC电池结构与性能提升机制

激光诱导晶化：纳米尺度调控接触性能

然而，电池性能的进一步提升受到p型接触层导电性限制。为此，团队开发了激光诱导晶化工艺，在纳米尺度上实现对非晶硅层（a-Si）的定域改性（图2a）。他们利用532 nm纳秒脉冲激光精准照射于硅金字塔表面，使得a-Si在金字塔顶端局部结晶为纳米晶硅（nc-Si），晶粒尺寸约4–20 nm（图2b）。模拟结果显示，激光能量主要集中于金字塔尖端区域，诱导高温晶化同时保留界面钝化层（图2c）。这种“局部晶化”巧妙地在导电性与钝化性之间取得平衡：晶化层显著降低接触电阻ρc（降至原来的十分之一），同时保持整体复合速率在可控范围内。电流路径模拟（图2d）显示，激光处理后载流子在晶化区域形成“高效通道”，使电荷更容易跨越c-Si/i-a-Si/p-nc-Si/ITO界面，从而提升整体电流密度。最终，HIBC电池的接触区域电阻下降一个数量级，而光电转换效率显著提高——这意味着工业级硅片也能在无需牺牲钝化的情况下，实现高效载流子传输。

图2：激光诱导晶化的界面优化效果

功率损耗解析：谁在偷走电池效率

为了进一步理解效率提升背后的物理规律，研究团队利用Quokka3仿真对能量损耗进行定量分析（图3）。结果揭示，在整块电池中，复合损失占总功率损耗的约2/3，其中体相复合（主要为Auger复合）贡献约74%。这意味着，当表面复合被有效抑制后，体相复合成为主导限制因素。与此同时，表面复合损耗（0.25 mW cm⁻²）仍较体缺陷高约50%，说明进一步提升钝化层质量仍是关键方向。研究还发现，p型接触区的电阻性损耗是n型的1.5倍，这也印证了激光处理在改善p端性能中的重要性。通过分解各区域的电流与功率贡献，团队发现电池的总体损耗主要来源于三类：表面复合、载流子传输阻力与体相复合。在iPET与激光调控共同作用下，这三类损耗被系统性削弱，为27.81%效率的实现奠定基础。

图3：功率损耗分解分析

理论突破：理想因子揭示极限路径

高效电池的实现不仅在于工艺，更源于对物理机制的深入理解。为解释填充因子FF与复合行为的关系，研究团队提出了理想因子（m）与载流子浓度的定量模型。如（图4c）所示，理想因子可通过载流子复合类型（SRH、辐射或Auger）精确计算：当表面钝化良好时，m ≈ 1，对应于SRH复合受抑制；当进入体相区域时，m趋向2/3，代表以Auger复合为主。在实际测试中，研究者测得局部理想因子mlocal ≈ 1.10，而当覆盖边缘区域时m甚至低于1（图4d），这表明载流子损耗主要受体相复合主导，系统钝化几近完美。这一发现不仅从理论上揭示了填充因子的上限来源，更为光伏器件的物理建模提供了可量化的参数体系。通过调节掺杂浓度与界面质量，理想因子m有望在不同结构中趋近于极限值，从而实现更高的光电转换效率。

图4：高效率硅电池的物理模型与理想因子分析

小结

本研究首次在工业可行的硅太阳能电池中实现了27.81%认证效率与87.55%填充因子，逼近晶体硅光伏的理论极限。从iPET边缘钝化到激光诱导晶化，从全表面钝化到理想因子建模，隆基-中山大学团队系统地打通了实验、模拟与理论三大层面，为高效率光伏提供了完整的科学路线图。展望未来，研究者计划进一步优化p型接触区导电层与界面结构，并探索激光工艺在大面积量产中的集成方案。这一“混合背接触+纳米调控”策略，有望成为下一代高效硅电池的主流架构，为实现全球光伏应用提供核心支撑。

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