利用隧道氧化物钝化接触封堵微孔，以实现大面积高效率硅太阳能电池的钝化

为什么微小缺陷会影响太阳能发电

现代硅太阳能电池在将阳光转化为电能方面已经非常高效，但要进一步接近其物理极限，就必须理解在难以想象的小尺度上发生了什么。这项研究深入考察了当今主流太阳能电池设计之一——TOPCon，并发现那些曾被认为在原子尺度上有害的缺陷实际上可以被转化为有益特征。通过学习如何控制这些纳米级“微孔”，作者展示了如何制造出适用于工厂大规模生产且效率创纪录的太阳能电池。

一种新型硅太阳能电池

硅太阳能电池如今为从住宅屋顶到大型沙漠电站等各种应用供能，而TOPCon（隧道氧化物钝化接触）电池正成为一种主力技术。在这些器件中，一层薄薄的绝缘硅氧化物夹在主硅晶片和一层高掺杂硅之间，后者有助于提取电荷。这种结构理论上可以以低成本实现极高的能量转换效率，使其在实现气候和碳中和目标所需的大规模太阳能部署中极具吸引力。公司和研究机构已报告出效率高于26%的TOPCon电池，且某些地区的工业电价已降至每千瓦时仅几分之一美分。

微观间隙之谜

尽管取得了这些成就，TOPCon 电池如何工作的微观细节仍不清晰。尤其是研究者长期争论“微孔”的作用——即氧化层被破坏且两侧硅可以更直接相互作用的微小区域。传统观点认为这些微孔大多有害：它们是保护性氧化层缺失的区域，会产生缺陷，使载流子复合、浪费能量。然而实验与计算模型并未完全一致地表明微孔究竟有多有害，或在性能下降之前可容忍多少微孔。这种不确定性限制了制造商微调工艺的能力。

原子级观察界面

为了解开这一谜团，研究团队使用了最先进的电子显微镜，能够对硅晶片、氧化物和多晶硅层之间界面的单个原子柱进行成像。他们对工业规模的TOPCon电池进行了比较，这些电池的效率相差约1.3个百分点，但在传统显微镜下几乎看不出差别。借助更高的分辨率和化学成分映射，他们发现并非所有微孔都相同。有些微孔完全缺氧，形成直接的硅—硅接触并布满缺陷；这些表现为真正的“复合性微孔”，会损害器件性能。而另一些微孔仍然保留足够的氧原子以在化学上“平滑”悬挂键，同时仍然足够薄以允许电荷隧穿。作者将这些新识别的特征称为“钝化微孔”。

将缺陷转为优势

通过沿不同方向精细切片并计数这些微小结构，研究者发现高性能器件实际上包含大量微孔——大约每平方厘米万亿级别——远超早期估计。关键在于，性能最好的电池以钝化型微孔为主。建模表明，最重要的并非微孔的精确尺寸或间距，而是其表面化学被钝化的程度。如果微孔被很好地钝化，它们能提供许多低电阻的微小电流通道，改善电荷流动而不引入过多损耗。工艺测量支持这一观点：富含钝化微孔的电池表现出更长的载流子寿命、更高的开路电压、更低的接触电阻，以及整块工业晶圆上的性能一致性。采用这种方法，团队演示了经认证效率为25.40%且电压输出优异的商业尺寸电池。

为下一代太阳能电池指引方向

该研究表明，太阳能技术人员应改变对界面缺陷的看法。与其力求完全消除微孔，不如把目标转向工程化这些微孔，使其保持富含氧并在电学上温和。研究列出了可供制造商调控的实用杠杆——如氧化温度、氧供应以及随后的热处理——以偏向形成钝化微孔而非有害微孔。对普通读者而言，关键的信息是：通过掌控仅有几纳米宽的结构，工程师们能够从相同的阳光中榨取更多电能，从而降低成本并加速清洁能源技术的普及。

引用: Zhang, W., Zhang, K., Bai, Y. et al. Passivating pinholes for large-area and high-efficiency silicon solar cells with tunnel oxide passivated contact. Nat Commun 17, 2490 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70511-2

关键词: 硅太阳能电池, TOPCon, 微孔, 界面钝化, 光伏效率