一、晶硅电池能量损失概述
在太阳能电池将光子能量转换为电能的进程中，由于材料本身的特性以及电荷传输机理的限制，主要存在五种能量损失途径，即反射 / 透射损失、热化损失、复合损失、欧姆损失以及未吸收损失。这些损失共同作用，最终决定了电池的实际效率水平（J.S. Park, 2022）。理解并有效降低这些能量损失，对于提升晶硅电池的性能和效率至关重要。
二、核心能量损失机制深度解析
2.1 光学损失 —— 入射光的首道关卡
- 位置特征
：在能量轴顶部（能量 > 3 eV 区域）较为显著。 - 形成机制
- 表面反射
当光入射到电池表面时，由于表面折射率的突变，会导致部分光能量损失。未经绒面处理的单晶硅，其反射率可高达 35%。 - 透射损耗
在一些超薄电池中，存在未被电池吸收的光子直接穿透材料的情况，从而造成能量损失。 - 图示表征
-
顶部矢量箭头可显示入射光的折返轨迹。 -
利用彩色相位错位来表征反射光的波长分布。 - 损失占比
：约占总转换效率的 3 - 10%。 - 优化方案对比
- 金字塔绒面
：可使反射率 < 10%。 - 多层 SiNx/SiOxNy/SiOx 减反膜
：能够使整体光谱响应提升 2.3%。 - 黑硅结构
：在波长 400 - 1000 nm 范围内，反射率 < 2%。
2.2 热化损失 —— 高能光子的能量耗散
- Energetic 定位
：当光子能量 > 带隙宽度（Si:Eg≈1.12 eV）时发生。 - 物理本质
：受激电子从高能级回落到导带底的过程中，多余的能量会以声子的形式耗散掉。 - 典型例证
：对于 2.5 eV 的蓝光光子，仅能保留约 40% 的有效能量。 - 示意图特征
：在高于带隙的区域呈现热振动波纹图案，能级分裂箭头指示能量耗散路径。 - 理论极限损失
：约占 S - Q 极限的 33%。 - 突破路径
- 多结叠层电池
：例如 GaAs/Si 三层结构，其效率可达 35%。 - 热载流子提取技术
：通过对超快动力学过程进行控制来实现。
2.3 复合损失 —— 载流子寿命的关键制约
- 发生区域定位
- 界面态
：主要出现在表面未钝化区域的悬挂键处。 - 体缺陷
：包括晶界、金属杂质等（当 Fe 浓度 > 1e13 cm⁻³ 时，损失显著）。
2.4 欧姆损耗 —— 电路传输效率的桎梏
- 关键阻值构成
- 横向电阻
：由发射极载流子横向输运产生（典型值 300 - 400 Ω/sq，目前主流 TOPCon）。 - 接触电阻
：源于金属 / 半导体界面势垒（先进工艺 < 1 mΩ・cm²）。 - 热效应影响
：每 0.1Ω・cm² 的接触电阻会导致约 0.3% 的绝对效率损失，非均匀温度分布还会造成局部热斑效应。 - 先进设计方案
- 选择性发射极
：采用激光掺杂技术。 - 新型透明导电氧化物
：开展 ITO 替代材料的研究。 - 超密细栅线工艺
：线宽≤15μm。
2.5 亚带隙损失 —— 红外光子的能量蓝海
- 光谱响应特征
：电池对 1100nm 以上的光子无响应，这导致约 20% 的太阳光谱能量损失。 - 技术突破方向
- 上转换
：利用稀土材料（如 Er³+/Yb³+ 共掺可将 1530nm 转化为 980nm）。 - 下转换
：采用量子点材料拓宽吸收谱。 - 光子转化技术
- 中间带工程
：通过引入纳米结构，实现多光子吸收。
三、理论效率极限与技术演化
3.1 Shockley - Queisser 理论框架
- 基本假设
：S - Q 模型基于五个简化条件构建： - 光学过程
：只有能量大于带隙（Eg）的光子才能被吸收，且每个光子仅产生一个电子 - 空穴对。 - 热力学过程
：载流子能量高于 Eg 的部分以热能形式散失，同时器件与环境保持热平衡（300 K）。 - 电学过程
：仅考虑辐射复合（即电子 - 空穴对复合并发射光子），忽略非辐射复合（如缺陷复合）。 - 理想接触
：电极无电阻，且仅传输单一载流子（电子或空穴）。 - 理论效率上限
：在标准太阳光谱（AM1.5）下，S - Q 极限效率约为 29.4%（对应带隙 1.12 eV），主要受以下能量损失的限制： - 未吸收光子损失（约 25%）
：能量低于 Eg 的光子无法激发载流子。 - 热化损失（约 30%）
：高能光子的多余能量转化为热能。 - 辐射复合损失
：电子 - 空穴对的复合导致能量逸散。 - 等温耗散损失
：载流子输运过程中的电压损失。
3.2 实际效率提升路径
- 技术路线迭代周期分析
：目前，产业化单晶硅电池的最高效率已逐渐接近理论极限： - 实验室层面
：2024 年隆基绿能研发的 HBC 效率达到 27.09%，2025 年爱旭的背接触电池 ABC 效率提升至 27.3%。 - 量产层面
：2024 年主流 N 型 TOPCon 电池平均效率为 25.4%，HJT 电池为 25.6%，XBC 电池为 26%。
四、结论与展望
当前，晶硅电池在产业化进程中已逐步逼近其物理极限。未来，若要实现技术突破，需要综合运用多重光子管理技术以突破带隙限制，借助量子点 / 纳米线等新结构实现载流子的定向输运，并采用智能化缺陷修复工艺降低复合损失。随着针对各损失环节的综合优化技术不断发展，在未来十年内，光伏转换效率有望突破 “35%+”，从而为太阳能的高效利用开辟新的篇章。
