BC电池效率达26.85%：边缘遮光抑制复合

烽融爱财阅读：4685 2026-11-14

背接触硅太阳能电池的边缘区域存在载流子复合损失，切割损伤及边缘缺陷会影响器件的光电性能。美能在线非接触式IV测试仪，无损、零耗材、毫秒级测速，适配BC/无主栅，一次测出IV/EQE/PL多维参数。

本研究以异质结背接触硅太阳能电池（HBC）为对象，开展不同宽度的边缘遮光实验，并结合Quokka 3数值模拟、载流子动力学分析和等效电路建模，研究遮光对边缘复合及载流子输运的影响。实验中，5 mm遮光条件下电池效率达到26.85%；模型分析则显示，遮光区域由受光态转为暗态后形成电阻屏障，可抑制载流子向物理边缘迁移。

实验方法与器件结构

研究采用半片M10尺寸的n型直拉单晶硅片制备HBC电池，硅片尺寸为182 mm × 91 mm，厚度为130 μm，电阻率约为10 Ω·cm。

实验设置总面积照明（TA）以及三种边缘遮光条件：M-5、M-10和M-15，分别代表从电池边缘向内遮光5 mm、10 mm和15 mm。遮光膜以聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）为基材，双面涂覆黑色不透光含氟树脂，总厚度约200 μm。在300–1200 nm波长范围内，遮光膜透射率接近零。

电池在AM1.5G标准光谱、1000 W/m²光强和25 ℃条件下进行电流-电压（I-V）测试。研究还通过光致发光（PL）和激光束诱导电流（LBIC）表征边缘区域的复合情况，并利用Quokka 3软件建立数值模拟模型。研究中的PET还用于指代边缘钝化技术。这里的边缘钝化并非切割后额外增加的处理工序，而是电池制造过程中，前表面的本征非晶硅（i-a-Si:H）/氮化硅（SiNₓ）钝化与减反射膜层经等离子体增强化学气相沉积（PECVD）后，自然延伸覆盖到硅片边缘。对照样品通过去除这部分边缘覆盖层制备，用于比较不同边缘钝化状态下的遮光效果。

边缘遮光对光伏性能的影响

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实验结果显示，边缘遮光宽度会影响电池的短路电流密度（JSC）、开路电压（VOC）、填充因子（FF）和光电转换效率（PCE）。

(a) 遮光测试示意图及电池边缘结构 (b)–(e) 不同遮光条件下PCE、JSC、VOC和FF的变化

对于未进行边缘钝化的样品，边缘区域存在较明显的复合损失。适当遮光后，电池的FF得到改善，带动PCE提升。M-5条件下，遮挡最外侧5 mm区域能够有效减弱边缘复合对器件性能的影响，电池效率达到26.85%，相较TA条件下的效率提升约0.2个百分点。

遮光宽度继续增加至10 mm和15 mm后，性能提升不再持续。遮光面积扩大虽然能够进一步减弱边缘复合，但也会减少有效受光面积，增加暗区相对于受光区的比例。暗区逐渐成为额外的寄生负载，对VOC和FF产生不利影响，最终使PCE下降。

因此，遮光宽度需要结合器件结构和边缘复合情况确定。本文实验中的5 mm是该器件的最佳值，不能直接作为其他电池的通用参数。

Quokka 3数值模拟分析

研究利用Quokka 3建立二维数值模型，分析不同边缘复合速度和遮光宽度对电池性能的影响。模型采用厚度130 μm、电阻率10 Ω·cm的n型晶硅衬底，并设置前表面钝化结构及背面电子、空穴传输接触区域。

(a) 模拟器件二维截面结构(b)–(e) 不同边缘复合速度和遮光宽度下的PCE、JSC、VOC和FF分布

模拟结果表明，遮光宽度与边缘复合速度共同影响电池性能。在边缘复合较强时，适当遮光能够改善器件的光电性能；当遮光区域过宽，受光面积减少带来的损失则逐渐占据主导。

研究选取边缘复合速度Sedge = 120 cm/s和4000 cm/s两种条件进行分析，分别用于考察不同边缘复合状态下的遮光效果。模拟结果与实验观察相互印证，说明边缘遮光的作用并非单纯来自受光面积变化，还涉及边缘区域的载流子输运状态。

遮光区域的载流子动力学

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为分析遮光改善电池性能的原因，研究进一步模拟了短路状态下的载流子分布和电流输运情况。

(a) 不同测试条件下的J-V曲线(b) 短路状态下空穴电流密度与过剩载流子浓度分布

在TA条件下，未钝化物理边缘具有较高的复合速度，边缘附近形成明显的载流子浓度梯度，驱动空穴电流向边缘偏转。部分载流子在到达背面电极前便发生复合，造成电流损失。

在M-5条件下，遮光边界与实际物理边缘之间保留了一段暗区。载流子从中心受光区域向边缘迁移时，受到遮光区域输运状态变化的影响，边缘复合对有效受光区域的干扰减弱。模拟中，电池中心区域的局部短路电流密度参考值为42.35 mA/cm²。

(a) 遮光测试示意(b) 边缘复合载流子的输运路径(c) 准费米能级分裂空间分布(d) 电池边缘局部电阻分布

在最大功率点（MPP）附近，研究进一步分析了局部电势和电阻分布。遮光使边缘区域从受光导电状态转为暗态，局部载流子浓度下降，电阻率升高，形成电阻屏障（RB）。这一屏障增加了载流子向物理边缘迁移的难度，从而抑制边缘复合电流。

模拟结果显示，M-5条件下MPP端电压约为670 mV，电池中心内部电压约为680 mV。两者之间的差异反映了边缘区域对载流子输运和局部电势分布的影响。该机制说明，边缘遮光除了改变光照区域，还会改变暗区的电学状态。

等效电路建模与结构优化

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研究通过等效电路模型进一步分析遮光区域对电池性能的影响。模型将器件划分为中心受光区域和边缘遮光区域：中心区域主要考虑体复合和表面复合，边缘区域则额外引入边缘复合支路，并通过面积归一化输运电阻Redge描述载流子向物理边缘迁移时遇到的阻力。

(a) 两区域等效电路模型(b) 不同RS2和Redge条件下的效率计算结果，以及选择性金属化示意

在M-5条件下，模型校准得到Redge约为0.7 Ω·cm²。该参数用于表征边缘附近分布式半导体输运电阻的等效影响，并非某一具体材料或单独接触层的电阻率。基于模型分析，研究提出在遮光区域去除金属栅线的选择性金属化方案。该方案通过提高边缘区域的等效串联电阻RS2，使其趋于无穷大，阻断载流子经金属栅线进入暗区的路径，从而减弱边缘复合支路及暗区负载的影响。

在等效电路模型的理想化假设下，选择性金属化对应的预测效率上限为27.39%。这一数值属于模型预测，并非实验测得的电池效率。实际应用还需要评估电流收集能力、串联电阻、工艺复杂度及图形化对准等因素。

这项研究通过边缘遮光实验和数值模拟，分析了HBC电池边缘复合与载流子输运之间的关系。实验中，M-5条件下电池效率达到26.85%；载流子动力学模拟表明，遮光区域由受光态转为暗态后，局部电阻率升高并形成电阻屏障，限制载流子向物理边缘迁移，减弱边缘复合损失。等效电路模型进一步提出了遮光区域选择性金属化方案，在理想化条件下预测效率可达到27.39%。研究结果表明，边缘遮光宽度、边缘复合水平和金属化布局需要结合器件结构共同考虑。对于不同电池结构，遮光宽度及其带来的性能增益仍需通过具体实验和模型分析确定。

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