愛旭研發中心編者按：

單結晶硅太陽電池技術發展迅速，已經逼近其29.56%的理論效率。超越單結晶硅太陽電池效率的下一代光伏技術將是基于雙結的硅基疊層太陽電池。根據疊層電池的電極配置，可以分為兩端、三端和四端疊層。兩端疊層具備工藝簡單優點，四端疊層提供設計靈活性，三端疊層則憑借最高理論效率(45.3%)和融合兩者的優勢脫穎而出。BC電池憑借其天然適配三端疊層的優勢，成為鈣鈦礦-晶硅疊層底電池實現更高效率、更高發電量的最優選擇；同時，基于BC底電池的三端疊層所具備的無電流失配、高工藝容忍度、戶外使用場景更廣泛等優勢，使其具備更高發展及應用潛力。

下面將從第一性原理與電路理論、制備流程與工藝窗口、疊層電池組件性能以及場景適應性、度電成本等多角度進行論述。

從第一性原理角度看，根據細致平衡原理，雙結疊層電池的效率只與頂底電池的帶隙有關。因此基于鈣鈦礦頂電池和晶硅底電池的疊層電池都應該只有一個極限效率，與晶硅電池的具體結構無關。具體到考慮晶硅底電池形式后的疊層結構，也有學者進行了理論計算[1]并給出了兩端、三端和四端電池的理論效率，如下表：

表一 單結和疊層電池在不同帶隙下的理論效率（根據細致平衡原理計算）

根據計算結果可以看出，晶硅電池作為底電池的話，基于三端疊層結構的雙結疊層電池具有最高的理論效率。

從最基本的電路理論上看，TOPCon、HJT與鈣鈦礦串聯的兩端疊層電池存在“最小電流限制”，疊層電池電流是兩個串聯電池中的最小電流。只有在兩個串聯電池的電流匹配或匹配附近時，整個器件才能以最大功率工作。在電流存在較大失配時（比如早上或傍晚時分，太陽光色溫更低，光譜會發生紅移，見圖1a和1b），兩端疊層電池的發電功率顯著下降。而鈣鈦礦/BC三端疊層電池其結構設計更為巧妙，可通過多出的一端電極對失配電流進行輸出，保證電池能相對更高功率地運行，見圖1c。并且幸運的是，三端疊層電池中要求的電壓匹配受太陽光譜變化的影響要比電流小，因此三端疊層相比兩端疊層，從第一性原理上就決定了前者具有更廣泛的場景適應性和生命力。

圖1 a. 不同時間段太陽光色溫變化；b.不同色溫下的光譜（更低色溫下光譜發生紅移）；c. 不同時間段三端與兩端疊層組件功率輸出趨勢

退一步說，BC底電池通過只接觸極性相反的電極，同樣可以構建兩端串聯結構。若頂電池采用具有pn反式結構的太陽電池，則可以從正面p型接觸和背面n型接觸提取功率。在相反的情況下（np正式結構），可以從正面n型接觸和背面p型接觸提取功率，即可實現從三端到兩端結構的轉換。

盡管在電池層面上三端疊層電池有3個端子輸出，但關于如何使它們在電池串和組件層面實現2個端子輸出，學術界已經進行了各種研究并給出了詳盡的解決方案[2-3]. 因此，帶有3端子輸出的三端疊層電池組件可以以2個端子輸出與光伏電站中的逆變器連接，大大降低了其在組件到電站端的組網難度。

從疊層電池制備流程上看，相對于頂底電池相互獨立的四端疊層電池，TOPCon、HJT與鈣鈦礦電池串聯的兩端疊層電池以及鈣鈦礦/BC三端疊層電池（如圖2）均可通過在晶硅底電池上直接進行鈣鈦礦頂電池沉積的方式將頂底電池相連，無需額外的電路設計，大大降低了組件端制造成本。

圖2 兩端、三端、四端疊層電池結構示意圖及等效電路模型[4]

從光學與鈍化角度出發，在大絨面上進行鈣鈦礦的保形沉積生長，能實現對入射光的最大化利用。由于TOPCon只有一個極性采用鈍化接觸技術，且SiOx/poly-Si難以在大絨面上實現優異的雙極鈍化接觸，同時poly-Si存在長波段寄生吸收問題，導致采用TOPCon底電池的兩端疊層電池開路電壓和短路電流更低，雙面發電性能也因此受限打折扣；現階段兩端疊層電池的主流以及小面積/大面積疊層效率世界紀錄器件均采用全極鈍化接觸的HJT底電池。而BC作為平臺技術可以同樣利用HJT電池的這些優勢。

再看BC電池與鈣鈦礦頂電池的適配性，鈣鈦礦/BC三端疊層電池無需考慮電流匹配，這也意味著對鈣鈦礦的帶隙與厚度容忍度高。兩端疊層電池的鈣鈦礦最佳帶隙在1.68 eV左右，且存在最優厚度（見圖3、4）。當兩端疊層電池的鈣鈦礦頂電池帶隙由于制備或者長期運行偏離最佳帶隙，會導致器件性能急劇下降，并加速鈣鈦礦穩定性惡化。

在相同帶隙與鈣鈦礦膜層厚度下，鈣鈦礦/BC三端疊層電池展現出45.3%的最高光電轉化效率[1]（見圖3，三種電池的模擬結果均基于細致平衡原理進行模擬，而非采用低效電池性能數據作為模擬輸入值得出32%的誤導結果）。這意味著其在制作工藝流程中的工藝窗口更大，更利于鈣鈦礦大面積制備和結晶以及疊層技術的產業化。此外，歐洲學者的研究成果[5]表明，3T結構具有更高的抗局部陰影特性、更低的反向偏壓敏感度、更高的電池片間差異容忍度。

圖3 鈣鈦礦帶隙對兩端、三端、四端疊層電池光電轉換效率的影響[1]

圖4 鈣鈦礦厚度對兩端、三端、四端疊層電池發電性能影響[4]

考察疊層組件的發電性能，鈣鈦礦/BC三端疊層組件具有最高的年發電量[6]（見圖5，模擬結果基于相同底電池IV參數）。這源于鈣鈦礦/BC三端疊層電池可以在更廣泛的氣候、場景、季節（1sun或非1sun條件）下都能實現更大功率運作。從圖5也可以看出，在單雙面發電場景下，2T疊層相比3T疊層展現出對鈣鈦礦帶隙更大的依賴性，導致2T疊層工藝窗口更小或器件設計復雜度更大，產品使用場景更受限制。根據模擬[7]，基于相同底電池性能的BC三端疊層組件每年可以比TOPCon兩端疊層組件多產生1.2-6.2%的額外電量（和地理位置和應用相關，見圖6），從而降低了發電成本。同時可以明顯看到，相對于兩端疊層組件，鈣鈦礦/BC三端疊層組件在雙面發電場景下也更有優勢。

圖5 基于TOPCon與BC底電池（相同IV性能）的疊層組件發電性能與鈣鈦礦帶隙關系模擬結果[6]

圖6 基于TOPCon與BC底電池（相同IV性能）的疊層組件年發電性能比較（德國弗萊堡與中國珠海）[7]

最后再來看兩端和三端疊層技術的平準化度電成本[7]（LCOE）。與當下主流的23%單結TOPCon組件的LCOE相比（見圖7），基于采用相同TOPCon底電池的兩端疊層組件將使LCOE降低15.3%-17.1%。然而，由于三端疊層的能量產出增益，相比BC單結組件，BC三端疊層組件LCOE可以降低16.3-18.6%。無論三端疊層組件是用于單面還是雙面場景，基于BC底電池的三端疊層組件的LCOE都將低于基于TOPCon底電池的兩端疊層組件的LCOE。

圖7 基于TOPCon和BC底電池的兩端和三端疊層組件的LCOE對比[7]

秉持“第一性原理”的研發理念，筆者堅信“基于BC底電池的三端疊層技術”是難而正確的事情。未來，隨著BC電池量產技術越來越成熟，成本逐漸逼近TOPCon水平，三端鈣鈦礦-晶硅疊層技術的研發隊伍將不斷壯大，更多成果將如雨后春筍般破土而出，不斷推動這對“黃金組合”實現"度電成本下降+應用場景拓展"的雙螺旋進化歷程?。

【參考文獻】

[1] Tockhorn P, Wagner P, Kegelmann L, et al. Three-terminal perovskite/silicon tandem solar cells with top and interdigitated rear contacts[J]. ACS Applied Energy Materials, 2020, 3(2): 1381-1392.

[2] McMahon W E, Schulte-Huxel H, Buencuerpo J, et al. Homogenous voltage-matched strings using three-terminal tandem solar cells: fundamentals and end losses[J]. IEEE Journal of Photovoltaics, 2021, 11(4): 1078-1086.

[3] Schulte‐Huxel H, Witteck R, Blankemeyer S, et al. Optimal interconnection of three‐terminal tandem solar cells[J]. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2023, 31(12): 1350-1359.

[4] Gota F , Langenhorst M , Schmager R ,et al.Energy Yield Advantages of Three-Terminal Perovskite-Silicon Tandem Photovoltaics[J].Joule, 2020, 4(11):2387-2403.DOI:10.1016/j.joule.2020.08.021.

[5] Miha Kikelj, Laurie-Lou Senaud, Jonas Geissbu¨hler, Christophe Ballif, Quentin Jeangros, Bertrand Paviet-Salomon. Do all good things really come in threes? The true potential of 3-terminal perovskite-silicon tandem solar cell strings. Joule. 2024, 8, 852–871.

[6] P. Tillmann, "Design criteria of bifacial tandel solar cells" 12th bifiPV Workshop, Zhuhai, 2024.

[7] D.Bogachuk, "Techno-economic Assessment and LCOE Benefits of the 3-terminal Perovskite/Silicon (ABC) Tandem Solar Modules" 12th bifiPV Workshop, Zhuhai, 2024.