IBC太阳能电池凭借其背接触设计（电极全部位于电池背面），消除了正面金属栅线导致的遮光损失，从而提高了光吸收效率。然而，其制造过程复杂且成本高昂，主要技术挑战在于实现有效的表面钝化和相关参数的精细化优化。本研究利用Quokka3模拟软件，系统分析了晶体硅（c-Si）体寿命、晶圆电阻率、背面硼掺杂层方块电阻、复合电流密度（J₀）等关键参数对电池性能的影响规律。美能四探针电阻测试仪可以对电池样品进行快速、自动的扫描，获得样品不同位置的方阻/电阻率分布信息。

研究方法

本研究基于Quokka3软件对IBC电池结构进行模拟。模拟电池采用n型晶体硅（c-Si）晶圆作为基底。电池正面覆盖钝化层和减反射层（ARC）以优化光子捕获并最小化损失。电池背面设计有p⁺型发射极（Emitter）和n⁺型背表面场（BSF），两者交错排列且无物理隔离区，以增强电学连续性。优化的背面钝化/减反射层以及电极设计进一步降低了复合损失。

IBC太阳能电池结构示意图

关键模拟参数包括：

电池厚度：150 μm

晶圆电阻率：0.6–1.8 Ω·cm

体寿命（SRH电子/空穴寿命）：1–5 ms

发射极方块电阻：100–500 Ω/sq

BSF方块电阻：35 Ω/sq

前表面钝化复合电流密度J₀：1–60 fA/cm²

后表面钝化复合电流密度J₀：1–60 fA/cm²

发射极/BSF接触电阻：2×10⁻⁵ Ω·cm²

 c-Si体寿命和晶圆电阻率的影响

IBC太阳能电池电学参数随n型c-Si硅片体寿命变化的仿真结果

延长c-Si的体寿命（1-5ms）显著提升Voc、Jsc、FF和η。体寿命延长直接降低了载流子复合率，从而减小了饱和电流密度I₀，导致Voc升高。同时，载流子扩散长度增加提高了光生载流子的收集效率，进而提升Jsc和FF。模拟结果表明，当体寿命达到5 ms时，电池效率η最高可达24.64%，充分证明了高品质硅材料对电池性能及可靠性的关键作用。

IBC太阳能电池电学参数随n型c-Si硅片电阻率变化的仿真结果

晶圆电阻率变化（0.6–1.8 Ω·cm）对电池性能的影响呈现非线性特征。在0.6–1.2 Ω·cm范围内，随着电阻率升高，Voc和Jsc呈现上升趋势。这主要因为较高的电阻率拓宽了pn结耗尽区宽度，有利于降低体区复合损失，并增强了长波长光子的吸收。当电阻率超过1.2 Ω·cm后，串联电阻增加导致FF下降，效率在达到峰值后开始降低。模拟结果显示，电阻率为1.2 Ω·cm时电池效率达到峰值24.65%，表明优化晶圆电阻率是平衡材料导电性与复合损失的关键。

背面硼掺杂层方块电阻的影响

后硼方块电阻(Rsh)对IBC太阳能电池FF与η影响的Quokka3仿真结果

模拟结果显示，背面硼掺杂层方块电阻Rₛₕ的增加会导致FF轻微下降和转换效率η降低。这主要是由于Rₛₕ升高增大了电池的串联电阻，阻碍了载流子的有效收集和传输，导致I-V曲线“方形度”变差。值得注意的是，开路电压Voc 和短路电流密度Jsc基本不受Rₛₕ变化的影响，因为它们分别由材料的带隙和光吸收能力决定。这突显了背面发射极特性对FF的显著影响，优化硼掺杂浓度以平衡导电性和复合至关重要。

复合电流密度J₀对钝化效果的影响

Quokka3仿真的前表面钝化层复合电流密度(J₀)对IBC电池电学参数的影响

前表面复合电流密度J₀的增大会导致Voc、Jsc、FF和η全面下降。较高的J₀值意味着前表面复合加剧，减少了可用于收集的光生载流子数量，并劣化了I-V曲线特性。模拟数据表明，当J₀超过约30 fA/cm²时，效率开始显著下滑，这强调了在正面应用高质量钝化层的必要性。

Quokka3仿真的后表面钝化层复合电流密度(J₀)对IBC电池电学参数的影响

背面复合电流密度J₀的增大同样会降低Voc、Jsc、FF和η。对于IBC电池，由于所有载流子收集均通过背面接触完成，背面钝化质量J₀的影响尤为关键。背面J₀升高直接增加了在pn结弯曲区域的复合损失，显著劣化Voc和FF。采用选择性钝化技术（例如在p⁺发射极上使用Al₂O₃，在n⁺ BSF上使用SiO₂）可以有效降低复合并提升Voc，但pn结区域的设计和钝化仍是影响伪填充因子（pFF）的敏感因素。

发射极覆盖与后硼片电阻的交互

后硼方块电阻与覆盖率对IBC电池参数的联合影响仿真

发射极覆盖率与背面硼方块电阻 的协同优化是实现峰值效率的核心。模拟结果表明，当发射极覆盖率约为40%且背面硼方块电阻Rₛₕ = 100 Ω/sq时，电池性能达到最佳：Voc = 719.2 mV, Jsc = 41.66 mA/cm², FF = 84.71%, 转换效率η = 25.2%。此优化点有效平衡了接触区复合损失和电阻损失。当覆盖率低于40%时，电流聚集效应导致损失显著增加；当覆盖率高于40%时，大面积钝化表面的复合损失开始主导，抵消了低接触电阻带来的益处。

本文系统研究了IBC太阳能电池的钝化和减反射技术优化，通过Quokka3模拟揭示了c-Si体寿命、方块电阻和J₀的精细化调控对效率的提升机制。首次整合体寿命、电阻率、背面硼方块电阻和发射极覆盖的交互效应，实现25.2%的峰值效率，为行业设立新基准。

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原文参考：Improved passivation and antirefection techniques for higherefciency Interdigitated Back Contact (IBC) solar cells