1。 TOPCon技術介紹

隧穿氧化層鈍化接觸太陽能電池（Tunnel Oxide Passivated Contact solar cell，TOPcon）是2013年在第28屆歐洲 PVSEC 光伏大會上德國 Fraunhofer太陽能研究所首次提出的一種新型鈍化接觸太陽能電池，首先在電池背面製備一層 1～2nm 的隧穿氧化層，然後再沉積一層摻雜多晶矽，二者共同形成了鈍化接觸結構，為矽片的背面提供了良好的介面鈍化。

2。 TOPCon 理論極限效率

不同電子/空穴選擇性接觸材料結合組成電池的極限效率28。7%，目前全面積電池最高轉化效率達到25。4%；

3。 電池效率損失分析

3。1 光損失（疊層電池）

長波長的入射光子能量小於材料的禁頻寬度，導致入射光直接穿過電池—低能量光子損失；

入射光能量遠高於材料的禁頻寬度，產生的高能電子-空穴對與晶格碰撞熱弛豫損失掉—高能量光子損失；

3。2 複合損失（PERC/HJT/TOPCon）

電子和空穴穿越P-N結的複合損失；

電子和空穴在電極接觸區的複合損失；

電子和空穴在襯底內/介面處複合損失；

4。 介面鈍化目的

4。1 制約傳統晶體矽（c-Si）太陽能電池效率進一步提高的關鍵因素是在金屬電極和矽之間的介面處載流子複合造成的損失，造成Jo負荷電流偏高。

4。2 常規AL-BSF背電場全鋁接觸

常規AL-BSF（Aluminium Back SurfaceField）鋁背場太陽能電池由於背面金屬電極直接與Si接觸，背面全金屬複合，載流子複合嚴重，導致J0偏高，Voc難以超過685mv，目前最高效率20。3%，基本已被市場淘汰；

4。3 PERC背鈍化區域性接觸

採用PERC背鈍化接觸技術後，由於AL2O3/SiNx均為介質絕緣膜，為實現電學接觸，需對介質膜進行局域開孔，由此造成載流子需透過二維輸運才能被金屬電極收集，造成橫向電阻輸運損耗，FF隨著金屬接觸間距的增加而減少，同時金屬與Si局域接觸仍然在該區域存在較高的複合，即Jo，metal比較高，且Voc無法超過700mv。目前最高效率24。06%，根據ISFH測算，PERC電池的理論極限效率為24。5%；

4。4 TOPCon 隧穿鈍化接觸

TOPCon 鈍化接觸電池的Poly-Si與Si基底介面間的氧化矽對鈍化起著非常關鍵的作用，氧化矽透過化學鈍化降低Si基底與Poly-Si之間的介面態密度，多數載流子濃度遠高於少數載流子，降低電子空穴複合機率的同時，也增加了電阻率形成多數載流子的選擇性接觸。

在選擇性接觸區域，多子傳輸導致電阻損失，同時少量少子向金屬接觸區遷移導致複合損失，前者對應接觸電阻pc，後者對應介面複合J0，目前J0低至2fA/cm2，pc低至3mΩ/cm2的n+Poly鈍化接觸，Voc高達733mv，電池Voc突破700mv，目前最高效率為25。4%，根據ISFH測算，TOPCon電池的理論極限效率為28。7%；

5。 TOPCon電池結構

5。1 因其特殊的能帶結構，超薄氧化層可允許多子隧穿而阻擋少子透過，在其上沉積一層金屬作為電極就實現了無需開孔的鈍化接觸結構；

5。2 無需鐳射開孔，採用N型矽片無光致衰減，相容中高溫燒結；

5。3 主要提升的鈍化是背面鈍化，背面採用1-2nm的高質量SiOx層結合摻雜非晶矽進行高溫晶化退火從而實現全區域的鈍化接觸，採用高質量的超薄氧化矽和摻雜多晶矽層，實現全背面的高效鈍化和載流子選擇性收集；

6。 TOPCon隧穿鈍化原理

跟現有PERC相比，TOPCon的核心結構是超薄的二氧化矽層，利用量子隧穿效應，既能讓電子順利透過，又可以阻止空穴的複合。

7。 TOPCon隧穿鈍化效果

7。1 全面積鈍化表面使得無矽/金屬接觸介面，有利於提升開路電壓Voc，而全面積地收集載流子，降低壽命敏感度，有利於提升填充因子FF；

7。2 阻擋少子透過同時使多子無障礙的輕鬆透過，因此可以減少複合；

7。3 結構中的鈍化層可以抑制矽片表面的載流子複合，提高矽片的少子壽命和電池的開路電壓，載流子選擇收集鈍化接觸結構可以被應用到電池的全表面，而無需開孔形成區域性鈍化接觸，這不僅簡化了製造工藝同時載流子只需進行一維方向的輸運而無需另外的橫向傳輸，因而可以獲得更高的填充因子；

8。 TOPCon 電池與無氧化矽鈍化電池 I-V 對比

上圖電池Ｒef（a）（ b）是無氧化矽鈍化的電池，其中電池b比電池a增加了背表面重摻雜的n + -poly-Si層，而TOPCon具有氧化矽雙面鈍化功能，使得Voc，Jsc，FF和Eff均為最高，分別達到729。8mV，39。98mA/cm2、0。86和24。98%。

TOPCon電池與具有背場功能的Ｒef（ b）電池相比，Jsc只增加了0。89mA/cm2 ，增幅為2。3%，而Voc增加了73。4mV，增幅達到了 11。2%，這說明氧化矽對晶體矽前後表面的鈍化可以大幅減少載流子在電池前後表面的複合，增加電池的開路電壓，從而提升電池的效率。

9。 不同SiOx厚度對 TOPCon 電池 Voc、Jsc、FF、Eff 的影響

氧化矽厚度對TOPCon電池效能的影響，隨著厚度的增加，Voc快速增加，然後基本保持不變，當氧化矽厚度為1。2nm時，Voc達到最大值738。1mV，另外3個電池引數Jsc，FF和Eff 隨氧化矽厚度的變化趨勢基本一致，隨厚度遞增先緩慢增大然後迅速減小，當氧化矽厚度為1。2nm時，Jsc和Eff分別達到最大值42。02mA/cm2和26。8%，說明TOPCon電池中，氧化矽的厚度存在一個最佳值（1。2nm）．當氧化矽厚度大於1。2nm時，電池的效率開始急劇下降。

10。 不同 SiO x 厚度下 TOPCon 電池的能帶及電子和空穴濃度

當不存在SiOx時，其電子準費米能級（EnF）在SiOx與n-c-Si介面之間出現了輕微的不連續，這種不連續幾乎很難對多數載流子（電子）造成影響。但是當插入SiOx薄層時，p + -poly-Si/n-c-Si 介面出現了很明顯的電子準費米能級的不連續性。在開路的條件下，載流子的淨複合率等於淨產生率．氧化物的插入會阻止 n-c-Si 中的多子流向前表面與空穴複合，這在一定程度上降低了 n-c-Si 與 p + -poly-Si 和前電極的複合．另外，n-c-Si 中的電子濃度大於空穴，在高複合區域存在較少的電子濃度．正是因為存在電子準費米能級的不連續性才導致了在SiO x 與n-c-Si 之間複合速率的降低。

在 n-c-Si 中的電子和空穴濃度基本是接近的，但還是電子濃度大於空穴濃度，表明電子儘管在前介面處不易隧穿 SiO x ，但是後介面處容易隧穿．同時，空穴沒有形成準費米能級的不連續性，前表面的空穴容易隧穿，而後表面對空穴則形成一定的阻礙，這都表明鈍化效果體現在載流子的輸運上，也就是鈍化介面態作用。

11。 氧化矽介孔密度（Dph）對 TOPCon電池 Voc、Jsc和Eff的影響

氧化矽的介孔密度（Dph）表徵氧化矽中的缺陷密度，載流子在分佈有介孔密度的氧化矽體內的隧穿，本質上是載流子在二維空間上的輸運，但是在氧化矽為幾個nm 的厚度情況下，可以把這種載流子二維輸運近似為一維輸運來處理，當 Dph低於 10－6時，最高的Voc可達到約740mV，如圖 5 所示，這表明低的介孔密度對 Voc幾乎沒有影響，當Dph介於10－6～10－4時，對Voc影響也可以忽略不計的。

Dph對TOPCon電池Jsc的影響，Dph從10－12增大到10－6的過程中，當氧化矽厚度為0。6nm時，Jsc保持為40。0mA/cm2幾乎沒有變化，然而，當氧化矽厚度為1。2nm時，Jsc從46。2mA/cm2 顯著降低到38。8mA/cm2，這已經低於沒有氧化矽鈍化時器件的 Jsc。

這表明氧化矽的厚度越大，介孔密度對短路電流的影響越大，氧化矽的介孔密度越大，器件的鈍化效果越差，器件的漏電流增大，當介孔密度大於10-2時，介孔密度對短路電流的影響已經與氧化矽厚度無關。

12。 氧化矽中的隧穿電流和針孔導致的區域性複合電流的模型

針孔導致多晶矽與晶體矽直接接觸形成高複合電流（Jrec），另外電子從多晶矽直接隧穿透過氧化矽形成隧穿電流（Jtun）．

13。 多晶矽摻雜濃度對TOPCon電池的 Voc和 Eff的影響

對於傳統的 p-n 結 c-Si 太陽能電池，發射層的摻雜濃度越高，耗盡區的內建電場越大，減少了光生載流子在 c-Si 介面的積累，從p-n結的另一側注入的少數載流子的數目僅僅是處於熱平衡的少數載流子的數目．降低少數載流子濃度可以減少複合，而提高摻雜濃度可以使少數載流子濃度最小化．然而，高摻雜會導致載流子擴散長度的減少，從而增載入流子複合。

因此，在傳統的p-n結c-Si太陽電池中，存在一個最佳的發射層摻雜濃度．由於TOPCon太陽電池中p+或n+多晶矽層的厚度只有30nm，因此不會出現沒有高摻雜濃度導致擴散長度減小的現象．此外，p+或n+多晶矽層中的高摻雜會增加電子或空穴在氧化矽中的隧穿機率．因此，多晶矽層的摻雜濃度越高，TOPCon 太陽能電池的開路電壓和效率就越高．

14。 具有區域性針孔的n+型多矽/矽結的簡圖

當氧化矽厚度＜2nm時，主要以載流子隧穿進行傳輸；

當氧化矽厚度＞2nm時，載流子主要透過氧化矽層中的針孔（pinhole）進行傳輸，pinhole密度高雖然對傳輸有利，但對鈍化不利，載流子傳輸會受限；