纳米结构硅技术突破，或助太阳能电池效率创新高

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（来源：电力国际汇epintl）

纳米结构太阳能电池低能电子倍增(LEEMONS)项目正致力于研究纳米结构硅材料，该材料利用低能电子倍增(LEEM)技术，使得单个高能光子能够产生多个电子，从而减少太阳能电池中的能量损失。科学家们通过离子注入技术，将超薄非晶硅层嵌入晶体硅内部，从而突破肖克利-奎伊瑟效率极限，提升太阳能电池的转换效率，同时保持与现有制造工艺的兼容性。

一个欧洲研究联盟正在探索一种新型纳米结构硅方案，该方案有望帮助晶体硅太阳能电池突破效率限制。这项名为“纳米结构太阳能电池低能电子倍增”(LEEMONS)的倡议，聚焦于利用一种称为低能电子倍增的机制，该机制可使单个高能光子产生多个低能电子，从而减少通常因多余光子能量以热形式耗散而造成的能量损失。

低能电子倍增是一种载流子倍增过程，这是一种极具前景的技术，若能成功应用，将有望大幅提升光伏器件的效率。该过程发生在单个光子的吸收导致多个电子被激发之时。在传统太阳能电池中，单个光子仅能激发一个电子跨跃电池的带隙，这使得所有高能光生载流子以热能形式耗散。

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硅的纳米结构化

据称，载流子倍增技术有望使光伏发电更接近超越肖克利-奎伊瑟极限--这是通过计算每个入射光子能提取的电能而得出的、使用单p-n结的太阳能电池所能达到的最大理论效率。然而，迄今为止，该技术仅在实验研究中应用于太阳能领域。与经典的载流子倍增相比，低能电子倍增能够在更低的过剩电子能量下实现载流子倍增，从而减少热化损失。所提出的低能电子倍增方法旨在改变硅材料本身的光电响应特性，且无需像使用钙钛矿或其他吸收体材料的叠层太阳能电池那样引入额外的半导体吸光材料。

为了进行实验，科学家们正在通过受控离子注入技术对硅进行纳米结构化处理。该工艺在晶体硅基体内创建了嵌入式的超薄非晶硅区域。在这些纳米结构区域中，高能载流子更有可能在通过热化过程损失能量之前，通过碰撞电离产生额外的电子-空穴对。该技术的关键步骤是，先通过离子注入形成埋层非晶硅区域，再经过受控退火工艺处理。

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离子注入

“LEEMONS项目中使用的纳米结构硅，是通过对传统晶体硅片进行受控离子注入工艺生产的，”项目协调员布里斯·鲁菲向《光伏》杂志解释道，“在注入过程中，高能离子被引入硅晶格，局部破坏晶体结构，在表面下方形成薄的层非晶区域。由于注入的离子都具有明确的动能，它们在能量耗尽前会穿透硅至可预测的深度。因此，晶格损伤集中在非常狭窄的区域，从而能够形成超薄的非晶层。”

随后的热退火步骤使硅发生部分再结晶，同时将极薄的非晶埋层保留在晶体基体内。沿特定晶向的再结晶速度优于其他方向，这一过程能自然地将非晶与晶体之间的界面平滑化。这些非晶层的厚度通常在纳米级，并可被精准地置于受控深度。

研究团队通过透射电子显微镜观察发现，在晶体硅片内制备的纳米级非晶层适用于太阳能电池的初步实验。为精确定义注入区域，他们采用了硬掩模技术，包括具有微米级孔径的超薄硅掩模和最小开孔达7微米的金属网状掩模。这些技术不依赖光阻剂工艺即可实现图案化离子注入，从而避免了晶片表面的污染或损伤。

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制造工艺

科学家们解释说，将这种纳米结构硅集成到实用器件中，需要对多个制造步骤进行精细调整。其中一个关键挑战是金属化工艺，因为标准的太阳能电池烧结工艺通常超过400℃，这可能会改变注入形成的纳米结构。为解决这一问题，他们正在探索低温金属化方法，包括在低于100℃的温度下，通过磁控溅射沉积银电极。钝化工艺是另一个研究重点，德国ISCKonstanz和瑞士电子与微技术中心的研究团队正在评估介电层和扩散工艺，以期在兼容注入结构的同时，维持载流子寿命。

“初步研究工作仍在进行中，项目尚未达到测试完整集成的M6尺寸太阳能电池原型的阶段，”鲁菲表示，“ISCKonstanz当前的工作重点是优化金属化工艺，以确保离子注入形成的纳米结构区域能够承受工业太阳能电池制造中使用的高温烧结步骤。初步测试表明，当采用合适的陪片配置和激光增强接触优化工艺时，这些非晶硅层能在烧结过程中保持稳定，这对工艺兼容性而言是一个令人鼓舞的结果。”

与此同时，瑞士电子与微技术中心的研究团队正致力于探究低能电子倍增纳米结构对载流子寿命的影响。“2026年1月的首轮实验未达到预期效果，因此目前正在进行第二轮优化实验，以改进注入和退火条件，并更深入地理解影响载流子寿命的机制，”他继续说道，“一旦完成关于载流子寿命的优化工作，并且工艺集成趋于稳定，项目联合体计划自2026年年中起，开始制备并测试首批集成低能电子倍增纳米结构的完整M6尺寸电池原型。”

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效率路线图

鲁菲解释说，在肖克利和奎伊瑟的细致平衡计算中，假设每个被吸收的光子最多只能产生一个电子-空穴对。这一假设是限制传统光伏器件理论效率极限的主要因素之一。

“载流子倍增过程通过允许单个高能光子产生多个电荷载流子，对这一限制提出了挑战，”他强调道。“理论上，这可以将效率极限推高至远超无载流子倍增器件在单倍太阳光照和最大聚光比下分别计算出的31.0%和40.8%。细致平衡计算预测，假设太阳作为温度为5,762开尔文的黑体辐射，在单倍太阳光照下效率可高达44.7%，在聚光条件下可达到85.9%。”

鲁菲表示:“这些结果证实了德国哈梅林太阳能研究所所长罗尔夫·布伦德尔早先的计算结果，他在略微不同的假设条件下获得了相近数值，即最佳带隙为0.768电子伏时效率为43.6%，带隙为0.048电子伏时效率为85.4%。在标准光照条件下也获得了类似的效率极限。总体而言，对于单结光伏电池，理论效率从未考虑载流子倍增时的约33.7%，提升至考虑倍增效应时的约44.4%。”

“预计低能电子倍增技术的表现将优于其他已知的载流子倍增过程，如多激子生成，因为其低能激活阈值可能允许更大范围的太阳光谱对该效应做出贡献，”他还强调道。“此外，减少热化损失将降低太阳能电池的工作温度，从而进一步提升器件的整体性能。因此，低能电子倍增技术有潜力显著提高硅太阳能电池的效率，或许都不需要从根本上改变制造工艺，就能使理论效率极限接近翻倍。”

未来，研究人员的目标是利用成熟的太阳能电池结构，来研制原理验证型器件，包括钝化发射极和背接触以及异质结太阳能电池。

“现阶段，该项目并未设定具体的商业化效率目标，”鲁菲总结道。“主要目标是通过实验验证，在纳米结构硅中能否诱导出低能电子倍增机制，以及它能否带来可测量的载流子产生效率的提升。如果能证实这种效应，考虑到引入载流子倍增机制后预测的理论极限更高，单结硅器件的效率有望接近30-35%。”