太阳能作为可再生能源的重要组成部分，在推动可再生能源的发展，优化能源消费结构方面扮演着重要的角色。如果能合理利用太阳能资源，可以缓解甚至解决目前全球面临的能源短缺和环境污染问题。光伏太阳电池直接将太阳能转换为电能，可以源源不断地为人类社会的生产和生活提供动力。目前已经实现产业化的太阳电池可以分为两大类，分别是晶硅太阳电池和薄膜太阳电池，其中晶硅太阳电池的市场占比达到95%。而在晶硅太阳电池中，基于p型单晶硅的钝化发射极背电池（Passivated Emitter and Rear Cell, PERC）已经成为新一代太阳电池的常规技术，并且有着很好的发展空间和发展前景。据国际光伏技术路线图 (ITRPV) 统计，2019年PERC电池的市场占有率接近40%，未来这个比重还将不断提高，到2029年将达到70%。目前PERC电池的量产效率可以达到22.3%，但为了满足日益增长的市场需求，还需进一步“提效降本”。为了进一步提高PERC电池的电性能，产业界面临着如何进一步提升表面钝化性能、如何减少光生载流子复合、如何提高光生载流子收集效率等一系列问题和挑战。

针对这些问题，中国科学院上海高等研究院李东栋研究员、鲁林峰副研究员和晋能清洁能源科技有限公司合作，从模拟仿真的角度，建立了面向产业化PERC电池的光学和电学模型，并从发射极表面钝化、硅片质量和金属化技术等三方面对未来PERC电池的技术改进路线进行了研究和分析。电池照片及其剖面结构示意图如图1所示。图2模拟总结了未来PERC电池可能的优化方向。第一步为n+发射极表面钝化层的优化，发现采用SiO2/SiNx叠层薄膜作为发射极钝化层时，PERC电池的模拟电性能最好，转换效率为22.2%，比参考PERC电池提升了0.3%，开路电压VOC为682.7 mV，短路电流JSC为40.47 mA/cm2，填充因子FF为80.37%；在此基础上，进一步对硅片特性进行优化，得到硅片电阻率和少子寿命的优化值分别为1.5 Ω·cm和2500 μs，此时电池的模拟效率为22.98%，开路电压VOC为704.4 mV，短路电流JSC为40.71 mA/cm2，填充因子FF为80.06%；最后我们对金属电极进行优化，电池正面栅线采用12BB的技术，电极制备方式为电镀Ni/Cu合金，经过模拟计算后，电池的最高效率达到24.04%，填充因子FF为81.24%，VOC为708 mV，JSC为42.17 mA/cm2。

图1. PERC太阳电池的（a）照片和（b）剖面结构示意图。

图2. 未来PERC电池可能的优化方向。

图3给出了模拟效率为24.04%的PERC太阳电池的损失来源分析和基于Shockley – Queisser模型的29%极限效率的计算结果。复合损失占的比重最大，达到2.73%，其次是光学损失（1.42%）和欧姆损失（0.81%）。将各项损失细分后发现由SRH和固定载流子寿命带来的复合损失占比最大，达到0.61%，其次是表面反射损失（0.54%）和寄生吸收损失（0.51%）。将这些损失效率叠加后得到27.51%的电池效率。另外，VOC和JSC存在协同增加效应，即提升其中一个参数后另一个参数也会随之升高，这部分的效率增益为1.49%。综上所述，在考虑了电池内部所有的损失来源后，最终通过计算得到了PERC太阳电池29%的极限效率。

图3. 24.04%产业化PERC太阳电池的损失来源分析和29%极限效率的计算。

随着人们环保意识的增强和光伏太阳电池生产成本的不断下降，未来有望实现光伏入户，家家自给自足。作为新一代太阳电池的主流技术，PERC电池会在“提效降本”的道理上继续走下去，为实现光伏入户承担起重要的责任和作用。本论文针对产业化的PERC电池展开了系统的模拟研究，分析了未来进一步提升PERC电池性能的路径和方法，为以后产业界的工艺生产优化提供参考。

Numerical study of mono-crystalline silicon solar cells with passivated emitter and rear contact configuration for the efficiency beyond 24% based on mass production technology

Peng Wang, Gaofei Li, Miao Wang, Hong Li, Jing Zheng, Liyou Yang, Yigang Chen, Dongdong Li, Linfeng Lu

J. Semicond. 2020, 41(6): 062701

doi: 10.1088/1674-4926/41/6/062701

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