北京工业大学材料与制造学部薄膜党支部研究成果刊登上Nature Energy

——高效SHJ光伏电池的突破

2021年2月8日，国际顶级学术刊物《Nature Energy》在线发表材料与制造学部郑坤研究员（固体所）与薄膜支部张永哲教授（新能源材料所）为共同通讯作者的最新研究成果“Identification of embedded nanotwins at c-Si/a-Si:H interface limiting the performance of high-efficiency silicon heterojunction solar cells” DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-020-00768-4。北工大为该文的第一完成单位和唯一通讯单位。据统计Nature Energy创刊五年仅刊文499篇（包括Article 和Review），目前即时影响因子已经超过58。

2020年9月的联合国大会上我国庄严承诺CO₂排放量将分别于2030年前和2060年前达到碳峰值和碳中和，发展太阳能光伏发电等清洁、可再生能源无疑是实现这一目标的主要技术途径之一。追逐更高的光电转换效率是整个光伏行业降低成本、扩大应用的长期核心任务。鉴于材料及其制备工艺技术和性能的优势，晶体硅（c-Si）/非晶硅（a-Si:H）异质结（SHJ）是目前光伏发电领域投资热度最高、在建产能最大的最新一代高效太阳能光伏电池，2020年也被认为是SHJ电池大规模产业化“元年”。全球SHJ电池的领导者、日本Kaneka于2017年创造了面积151.9cm²、转换效率25.1%的世界最高纪录之后，提升转换效率的努力均遭受挫折。普遍认为影响SHJ电池转换效率的关键因素是c-Si/a-Si:H的界面缺陷与钝化机制，因此，在原子尺度上精准认知和调控c-Si/a-Si:H界面结构变得十分迫切但也极具挑战。

北工大团队与汉能成都研发中心团队自2012年建立战略合作协议以来，共同努力、协同创新，不断取得新的突破。本文工作中，选择了性能指标处于国际领先、转换效率高达24.85%量产化的SHJ电池（M2基片，面积244.5cm²）为研究对象，采用球差校正透射电子显微镜观察、理论计算分析相结合的方式，离位/原位观察并确立了界面处的原子结构特征以及退火导致的结构演变规律。针对钝化c-Si{111}表面缺陷的a-Si:H薄膜，不仅观察到存在其中的常规外延生长现象，而且在2~3纳米的外延层中首次发现作为深能级复合中心的“嵌入式纳米孪晶”，造成薄膜中的应变力场并导致较短的光生少子寿命，限制了SHJ电池的转换效率，是颠覆性的新认知。过去的40多年，国内外针对SHJ电池开展了大量研究，一个共识的观点是界面处唯一存在的深能级复合中心是Si-悬挂键点缺陷。然而，我们的最新结果表明还存在有另一个不易常规钝化的非Si-悬挂键界面新缺陷-“纳米孪晶缺陷”！此外，基于“纳米孪晶缺陷”的形核→生长→终止、乃至对称性的反转规律，进一步澄清了产生“纳米孪晶缺陷”的诱导因素和作用机制，为业界提供了具有普适参考价值和发展指导意义的科学依据。在此基础上产生的抑制“纳米孪晶缺陷”新工艺，降低了这类新缺陷的态密度（为原工艺的1/3左右），为量产化SHJ电池创造转换效率新的世界最高纪录（25.11%，由国际公认的第三方德国ISFH认证）奠定了基础，实现了从科学探索到技术创新的跨越，也打破了发达国家在光伏领域“常胜将军”的神话。

本文工作的成果是在学校、学部支持下材制学部固体微结构与性能研究所和新能源材料与技术所密切合作的结晶，更是薄膜支部严辉教授领导的团队过去30多年来持之以恒开展硅基光伏电池的科学研究、并与汉能成都研发中心首席科学家徐希翔博士（北工大校外导师）领导的团队近10年努力推进产学研合作所取得的重大成果。该工作得到了国家自然科学基金项目（No.11774016，61922005，11874314和62034001）、北京市长城学者计划和北京卓越青年科学家项目（BJJWZYJH01201910005018）等资助。