25.5%的隧穿氧化物钝化接触(TOPCon)太阳能电池的效率极限和路线图的广泛模拟分析和结果，Longi通过连续三年的技术优化试验，将该电池的效率水平提升到了25.21%(设计面积，由ISFH确定)。试验结果表明，实现25.5%目标的关键在于优化硼选择性发射极、多晶硅层的形貌(厚度、掺杂浓度及其下降率)、体性能(少子寿命20ms)、金属接触复合和金属化、制绒表面形态和减反射涂层

　　隧穿氧化物钝化接触(TOPCon)电池概念以生产高效晶体硅太阳能电池而闻名，该技术目前处于快速发展的阶段。对于隧穿氧化物钝化接触结构，在n型硅吸收体的后表面制作1.5nm SiOx层，作为高质量的化学钝化层，并且具有电子隧穿结构功能。在超薄氧化物层上采用重掺杂多晶硅(poly-Si)层作为有效载流子收集层。

　　TOPCon太阳能电池是最有前途的下一代商用产品之一，因为它与钝化发射极和背面电池(PERC)相比具有多项优势。首先，在实验室规模[1,2]和商业制造环境[3-5]中，TOPCon与PERC相比都具有更高的效率潜力。

　　其次，TOPCon太阳能电池的制造工艺与主流生产线兼容，并增加了一些额外的工艺步骤—用于掺硼发射极的管扩散系统和用于多晶硅制造的低压化学气相沉积(LPCVD)或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。同时，该生产线无需激光掺杂或开孔(无硼选择性发射极)。另外，成本也低于异质结太阳能电池。

　　第三，基于n型直拉(Cz)晶片，TOPCon太阳能电池不容易发生光致诱导衰减(LID)[6]。此外，TOPCon太阳能电池的温度系数低于主流产品[7]。

　　Longi研发电池的效率记录。隧穿氧化物钝化接触概念由弗劳恩霍夫研究所于2013年首次提出[8,9]。在短短几年内，得益于众多研究机构和行业机构的努力，TOPCon太阳能电池取得了巨大的发展。图1显示了Longi R&D PERC和TOPCon太阳能电池的记录效率和中试生产线效率。从图中可以看出，ISFH确定的记录效率超过了25.21%，比主流PERC产品高出约1%；此外，72片半切电池组件的功率已达到570W。

　　对于TOPCon太阳能电池，隧穿氧化物钝化触点的形成是一个关键过程。优化n+多晶硅的掺杂分布可以最大限度地减少金属复合，降低接触电阻。类似地，低掺杂浓度和正面的p+发射极的深结深度对于电性能也是有利的。同时，已经证明，通过使用光捕获手段，可以显著提高入射光的利用率，包括制绒表面、优化金属化结构和减反射层[10,11]。人们坚信，大规模生产TOPCon电池的制造是解决平价上网的前进方向，展示了从较低的生产成本、资本化成本到较高的效率等多种优势。此外，对这一结构的具体理解鼓励了行业层面的持续进步。

　　在本文中，将结合在大规模生产和相关理论发展中获得的经验，总结将效率进一步提升至25.5%的潜在路线图。

　　在这里，直拉法生长(170µm，100)的面积为166×166mm的掺磷1Ω·cm硅片用于制造TOPCon太阳能电池。图2显示了TOPCon太阳能电池和工艺流程的示意图。

　　4. 为了进一步降低接触电阻和金属复合，进行BBr3重掺杂工艺，将方块电阻降低到80Ω/sq.。

　　在形成发射极后，通过湿化学工艺移除背面的BSG并进行抛光。接下来，通过热氧化形成超薄隧穿SiOx层(~1.5nm)，然后通过LPCVD沉积原位掺杂的n+多晶硅层(~130nm)。在下一步中，去除多晶硅的包裹物，然后在管式炉中结晶生长并进行清洗。

　　结晶和清洗后，在正面沉积一层6nm的钝化层，然后涂覆减反射层。在背面，通过PECVD工艺制备氢化氮化硅层用于进一步钝化。在金属化阶段，正面丝网印刷银/铝电极，在背面印刷银电极，随后在带式炉中进行烧结。烧结完成后，进行加氢处理。

　　发射极的特性，包括掺杂密度和硼的分布，显著影响太阳能电池的光学和电学特性[12]。例如，重掺杂发射极可以降低接触电阻；尽管如此，太阳能电池还是会受到复合效应的影响，更深层的掺杂曲线也是如此。

　　优化后的硼发射极分几个阶段形成；硼发射极的制造过程如图3(a)所示。选择性发射极结构可以降低发射极饱和电流密度J0,e；这种结构的平均J0,e值为9fA/cm2。同时，40µm宽的重掺杂可以显著降低接触电阻，使其小于1.5mΩ·cm2，J0,metal小于300fA/cm2。图3(b)显示了轻掺杂和重掺杂的电化学电容电压(ECV)分布。

　　阴影损失对效率损失有着显著影响。为了减少金属化阴影造成的效率损失，开发了一种新的先进金属化方案。将金属化区域的平均宽度和高度分别优化为23µm和13µm，而对应细栅宽度为20µm。

　　对硅片的电阻率和载流子寿命进行了一系列实验。图5显示了作为电阻率和寿命函数的实验效率结果，表明可接受的电阻率为~1Ω·cm似乎是最有希望的，而较高或较低的电阻率则是不利的。效率的提高还伴随着硅片寿命的延长(少数载流子寿命20ms)。对体硅性能的优化使效率提高了0.2%。

　　优化后的电池被送给ISFH进行第三方认证。根据上述优化策略制造的性能最佳的电池效率为25.21%(设计面积)。I–V曲线%。

　　通过Quokka 3模拟进行了详细的损失分析，以了解损失机制，并确定改善电池性能的方向[13]。模拟中使用的输入参数基于25.21%TOPCon太阳能电池的实验测量。

　　作为一种间接带隙半导体，晶体硅的吸收性能较差。对入射光进行优化管理可以有效地促进入射光的利用。因此，对前表面的金字塔结构进行了优化，以提高光捕获率。

　　性能。MgF2具有高热稳定性、低光学常数n、耐用性和在感兴趣的波长范围内低吸收率的优点，因此使该材料成为抗反射用途的良好候选材料[14]。通过在减反射膜上涂覆MgF2对其进行优化，使入射光的透过率高于基线的Jsc提升。

　　更好的发射极掺杂分布可以减少正面的复合。为了解决由于方块电阻增加而导致FF降低的问题，开发了一种先进的金属化方案B。

　　表2给出了不同金属化方案的参数。为了尽量减少发射极的复合，方块电阻从200Ω/sq.增加至300平方米Ω/sq.。然而，更高的方块电阻也会导致更大的电流传输损失。因此，使用宽度为18µm的较窄细栅和较小细栅距离来减轻FF和Isc损失。通过使用更窄的细栅方案，以及适当的发射极设计，可以收集更多的载流子，同时降低FF和Isc损失。

　　背面多晶硅中的寄生吸收损失被认为是重要的光学损失之一。为了减少多晶硅造成的光损失，应优化多晶硅的厚度和沉积条件[15]。

　　表3给出了两种不同多晶硅方案的相关参数，其中磷掺杂浓度保持不变(高于7.0E+20cm-3)。当多晶硅薄膜厚度从方案A中的130nm减小到方案B中的90nm时，光生电流可增加0.15mA/cm2。此外，多晶硅制造工艺的优化，例如降低多晶硅沉积温度和压力，可以进一步降低背面的寄生吸收损失。

　　经过多年的工艺和技术开发工作，TOPCon太阳能电池的效率达到了25.21%。基于特性数据库进行的模拟，显示了当前太阳能电池的主要局限性。获得25.5%效率的关键点与体积特性、发射极优化和光损失最小化有关：

　　1.在制造高效TOPCon太阳能电池时，应首先考虑体硅特性。对于硅片，需要合适的电阻率~1Ω 以及更长的寿命(少子寿命20ms)。

　　2.优化硼选择性发射极可以显著降低接触电阻，同时也可以降低前表面的复合损失。有必要在接触电阻和复合之间保持平衡。

　　3.必须从前表面形态和减反射膜以及优化金属化方面处理光学损失。TOPCon太阳能电池应采用优化的金字塔结构、MgF2涂层和超细栅结构。