激光技术在高效光伏电池制造中的最新应用!

【研究背景】

光伏技术是将太阳能转化为电能的关键技术，因其可再生、清洁的特点，成为了当前全球能源转型的研究热点。然而，光伏电池在高效能转换与材料成本之间存在权衡问题，尤其是在光电转换效率、长期稳定性和制造成本等方面面临挑战。为了解决这些问题，研究者们采用了多种先进的材料和技术，例如氢化非晶硅（a-Si:H）及其层状结构。相关研究表明，优化材料的微观结构和电气性能能够显著提高太阳能电池的效率和可靠性。

在此背景下，隆基绿能科技有限公司李振国、徐希翔博士、Liang Fang 、Chaowei Xue联合扬州大学丁建宁教授携手利用先进的特征化技术，如光束诱导电流（LBIC）和椭偏仪，系统地分析太阳能电池的电流-电压特性及材料的光学性能。这些研究不仅提高了对材料内部机制的理解，也推动了新型光伏材料的开发。通过有限元法（FEM）和双温度模型（TTM）的结合，科学家们模拟了激光作用下各层的瞬态热响应，为优化光伏设备的设计提供了理论依据。研究结果表明，采用新的材料组合和工艺能够显著提升光伏电池的光电转换效率，促进了光伏技术的可持续发展。

【表征解读】

本文通过Sinton FCT-650 IV测试仪和Sinton Instruments WCT-120仪器对太阳能电池的电流-电压（I-V）特性和有效寿命进行了测量，从而揭示了电池性能与材料特性的关系。同时，采用Kane和Swanson方法提取表面复合参数J0，以量化表面复合效应对电池性能的影响，进而挖掘了表面质量与效率之间的微观机制。

针对电气遮挡机制引起的电流损失现象，本文利用自制的光束诱导电流（LBIC）系统进行了系统表征，得到了不同光照条件下的电流分布特征。这一分析使得我们深入理解了在光照强度变化下，太阳能电池中电流损失的微观机制，进一步促进了材料优化的可能性。

此外，本文通过J.A.Woollam M-2000椭偏仪测量了薄膜的厚度、折射率（n）和消光系数（k），并使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）获得了氢化非晶硅层的微观结构（R*）和氢含量（CH）。这些表征手段揭示了氢含量与薄膜性能之间的关联，强调了氢在改善薄膜电气特性方面的关键作用。

在此基础上，结合有限元法（FEM）仿真，本文模拟了激光能量下的瞬态热响应，通过双温度模型（TTM）与波光学模块（WOM）的结合分析了材料在不同激光功率下的热与光学特性。这些发现不仅有助于理解材料的热响应机制，还为未来光伏器件设计提供了重要的理论基础。综上所述，经过系统的表征和微观机理分析，本文深入探讨了氢化非晶硅薄膜的电气特性与微观结构之间的关系，进而制备了性能优异的新型材料。

【图文速递】

图1：HBC太阳能电池设计。

图2. HBC 的密集钝化 N 接触。

图3. 激光图案化过程。

图4: 太瓦级可持续性分析。

【科学启迪】

本文展示了激光图案化技术在高效硅异质结背接触太阳能电池（HBC）的制造中的重要性，尤其是在提高功率转换效率（PCE）和简化生产流程方面。研究表明，优化钝化接触和采用先进的激光技术可以显著降低接触电阻，提高载流子传输效率，最终使HBC电池的效率突破27%。此外，通过无铟和无银的材料创新，研究团队不仅提高了电池的效率，还降低了稀有材料的使用，推动了可持续发展的目标。未来，随着技术的进一步成熟和规模化生产的实现，HBC太阳能电池有望在满足日益增长的能源需求和环境保护方面发挥更大作用。这项研究不仅为光伏技术的进步提供了新的思路，也为其他高效能材料的开发与应用奠定了基础，强调了跨学科合作在解决现代能源挑战中的重要性。因此，继续探索新材料和制造技术将是推动光伏产业可持续发展的关键。

原文详情：LWu, H., Ye, F., Yang, M. et al. Silicon heterojunction back contact solar cells by laser patterning. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08110-8