研 究 背 景

晶硅（c-Si）太阳能电池凭借接近最优的带隙、出色的环境稳定性、丰富无毒的原材料以及成熟的微电子产业基础，持续主导着商业光伏市场。尽管钙钛矿、硫族化合物和有机光伏等新兴薄膜技术快速发展，但通过制造工艺优化、电池结构创新和组件生产成本降低，晶硅技术预计在未来二十年仍将是主流光伏技术。

然而，传统铝背场（Al-BSF）电池由于全金属化背面的复合损失，效率已触及瓶颈。虽然钝化发射极和背面电池（PERC）、隧穿氧化层钝化接触（TOPCon）和硅异质结（SHJ）等钝化接触技术已将单结晶硅电池效率推向27%以上，但这些技术通常需要高温和/或高真空沉积工艺，增加了制造复杂度和资本支出。

在此背景下，碳/硅（C/Si）异质结太阳能电池作为一种低成本、低温制备、环境友好的替代方案应运而生。碳材料具有可调控的光电特性，通过纳米尺度结构控制可实现从非晶到晶态的多种形态，为下一代光伏技术提供了新的可能性。

成 果 介 绍

沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学Stefaan De Wolf等人系统梳理了四种主要碳同素异形体在C/Si异质结中的应用进展，揭示了不同碳材料的特性与器件性能的内在关联。非晶碳（a-C）于1996年首次应用于C/Si电池，凭借低温可扩展制备的优势实现了3.8%的初始效率，但受限于高缺陷密度和低载流子迁移率，最新记录仅达7.9%；C₆₀富勒烯自2016年引入以来，虽具备利于电子提取的能级匹配特性，但受困于低电导率和光化学不稳定性，经TBAI掺杂优化后效率记录为8.43%；石墨烯自2010年应用于该体系，依托其光学透明性、机械柔韧性和可调功函数，通过多层堆叠、化学掺杂及界面工程策略，效率已提升至约17%，然而相对较高的面电阻、寄生光吸收和界面复合问题仍制约其进一步发展；相比之下，碳纳米管（CNT）自2007年首次应用于C/Si异质结以来，凭借优异的电导率、一维载流子传输特性和简单的溶液法制备工艺，在与有机钝化层（如Nafion）集成后实现了界面钝化和电荷选择性的协同优化，已在小面积器件（~6.2 cm²）上取得超过23%的功率转换效率，显著优于其他碳基结构，成为未来低成本、高效率C/Si光伏器件最具产业化潜力的技术路线。该成果以“Carbon/Silicon Heterojunction Solar Cells: Status and Perspectives”为题发表在Carbon Energy 上。

研 究 亮 点

1.CNT/硅异质结的效率优势与机理优势

CNT结合了出色的电导率、一维载流子传输特性和简单的溶液法制备工艺，在与优化的钝化层集成时，能够支持高效的电荷分离和提取。相比石墨烯在绒面表面的沉积难题，CNT具有更好的工艺适应性，可兼容平面和绒面硅片表面。

2.有机钝化接触技术的突破

研究团队开发了CNT：全氟磺酸（Nafion）复合钝化接触层。Nafion的磺酸基团（-SO₃H）能够与硅表面形成Si-O-SO₂-R键，有效饱和硅的悬挂键，实现优异的界面钝化。该体系在n型硅上实现了隐含开路电压（implied V_OC）达724 mV，与传统a-Si：H或poly-Si钝化接触相当。

更重要的是，CNT：Nafion复合层展现出>80%的填充因子（FF），优于其他无掺杂选择性接触（如DASH电池的75%），最终实现了>22%的PCE（5 cm²活性面积）和>23%的效率（商业级器件）。

3.背结结构设计的优化策略

针对碳材料在前结结构中面临的光学透明性与电导率权衡难题，研究团队提出了背结（back-junction）架构——将碳层沉积在电池背面。该设计消除了碳膜厚度对光吸收的严格限制，同时允许使用更厚的碳膜以降低电阻，显著提升了器件性能。

4.可扩展制备工艺的兼容性

CNT薄膜可通过多种溶液法工艺制备，包括：迈耶棒涂布（Mayer rod coating）；旋涂（Spin coating）——已实现>245 cm²大面积器件，效率>20%；喷涂（Spray coating）；气刀/狭缝涂布（Air knife/Slot-die）——最具工业化潜力。

研究团队已成功在15 cm × 15 cm商业级硅片上实现CNT：Nafion背接触，并在微米级随机金字塔绒面上完成全覆盖沉积，证明了该技术的产业化可行性。

图 文 解 析

图1 晶硅光伏技术演进路线图

从1970年代铝背场电池（PCE 19-20%）到1997年PERC技术（24-25%），再到2012年SHJ和2018年TOPCon（均为26-27%），展示晶硅电池效率持续提升历程，C/Si异质结技术以其低温工艺、简化制造、低成本特点成为"后钝化接触时代"的重要发展方向。

图2 碳同素异形体与C/Si异质结发展时间线 

四种碳材料的关键里程碑：非晶碳1996年首次实现3.8%效率，2012年优化至7.9%；C₆₀富勒烯1985年发现，2016年通过TBAI掺杂达到8.4%；碳纳米管1991年发现，2007年首次应用于C/Si（1.4%），2021年通过Nafion钝化实现22.0%；石墨烯2004年发现，2010年首次制备Graphene/Si器件（1.6%），2023年通过PMMA/MgCl₂优化达到17.0%。

图3 非晶碳与C₆₀基前接触层器件结构 

展示四种代表性器件：(A) 1998年C/n-Si异质结电池，PCE 6.45%；(B) 含7 nm硼掺杂氢化多相C/Si前层的a-Si:H/a-SiGe:H双结电池，PCE 10.80%；(C) 400 nm硼注入C₆₀与n型硅形成p-n结，PCE仅0.023%；(D) 含Sb₂O₃减反射涂层的p-Si/C₆₀混合太阳能电池，PCE 8.43%，为C₆₀/Si体系最高记录。

图4 石墨烯/Si异质结的掺杂与界面工程策略 

系统展示提升石墨烯/Si电池性能的核心方法：(A) 化学掺杂集成窗口结构；(B) p型掺杂提高石墨烯功函数和肖特基势垒高度；(C) 多种化学掺杂剂（HNO₃、SOCl₂、TFSA等）的PCE对比；(D) 四种氧化剂处理的J-V特性曲线；(E) Au纳米颗粒填充裂纹的自修复策略；(F) 界面层集成窗口结构；(G) 不同界面层（P3HT、MoO₃、h-BN等）的PCE对比；(H) 原生氧化层厚度控制的制备流程与J-V曲线；(I) 氟化石墨烯（FG）偶极子取向调控的可切换光伏效应。

图5 CNT薄膜溶液法制备工艺 

详解CNT薄膜的沉积与干燥机制：(A) 剪切滑动沉积技术三步流程——滴加CNT墨水、压制、剪切；(B) 聚电解质水溶液与超酸溶液干燥机理对比，超酸法通过库仑排斥降低实现长程有序排列；(C) 四种可扩展沉积技术——迈耶棒涂布、旋涂、喷涂、气刀/狭缝涂布，其中旋涂已实现>245 cm²大面积器件>20%效率。

图6 CNT薄膜化学掺杂方法 

展示湿法与干法掺杂技术：(A) 硝酸渗透处理填充CNT网络空隙，降低接触电阻并提供表面钝化；(B) H₂O₂处理形成CNT/Si/H₂O₂电化学电池模型，部分生成SiO₂钝化层；(C) XeF₂氟化处理制备氟化CNT（F-CNT）薄膜的工艺流程；(D) 臭氧（O₃）处理刻蚀外壁形成非晶碳"洋葱状"剥离效应，同时诱导强p型掺杂，优化后实现17.5%效率。

图7 CNT/Si异质结光伏性能汇总 

对比不同制备方法和处理工艺的器件性能：(A) PCE随器件面积变化，Nafion混合法在大面积（>245 cm²）实现>20%效率；(B) V_OC分布，Nafion混合法达到>680 mV；(C) FF对比，Nafion混合法>80%；(D) J_sc分布，Nafion混合法约40 mA/cm²，全面优于HNO₃、金属氯化物、MoO_x等其他方法。

图8 CNT/有机钝化复合接触 

揭示高效钝化的化学本质：(A) Nafion聚合物钝化n型硅的注入水平依赖寿命曲线，隐含V_OC达724 mV，插图展示PSS分子与H终止硅表面的化学接枝；(B) CNT与Nafion混合及后处理两种制备方法对比；(C) 潜在p型与n型有机钝化材料候选，包括咔唑、三苯胺、噻吩并吡咯等强给电子基团及共轭聚电解质。

图9 CNT/Si异质结可扩展制备 

展示产业化关键进展：(A) 15 cm × 15 cm商业硅片上的CNT:Nafion背接触器件实物照片（背面硅、CNT:Nafion涂层、Ag电极、正面视图）；(B) 扫描电镜显示CNT:Nafion在随机金字塔绒面表面的均匀全覆盖；(C) 两种高效器件结构示意图——n型硅上的p型CNT:Nafion发射极结构，以及p型硅上的p型CNT:Nafion背场（BSF）结构，分别对应SHJ和PERC电池的碳基替代方案。

研 究 小 结

碳/硅异质结太阳能电池已从早期的概念验证发展为具有产业化潜力的高效率技术。通过系统比较四种碳同素异形体，碳纳米管/硅异质结凭借>23%的效率记录、优异的电学性能、简单的溶液法制备工艺以及与现有产线的兼容性，展现出最广阔的应用前景。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Carbon/Silicon Heterojunction Solar Cells: Status and Perspectives

文章研究方向：

太阳能电池

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70197

DOI: 10.1002/cey2.70197

关于“Carbon Energy”

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。期刊创刊主编为温州大学副校长王舜教授。

Carbon Energy 2018年创刊，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，2020年获批国内统一连续出版物号，连续四年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告、“中国最具国际影响力学术期刊”、中国科学院材料科学1区Top期刊，连续两年入选“北京国际图书博览会中国精品期刊展”，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD、OAJ、中国科技核心期刊目录等收录，2024年入选中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例和中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊项目。2024年影响因子为24.2，在能源与燃料、纳米科技、物理化学三大领域位列全球期刊前八，材料科学（多学科）领域460本期刊中，位列14。在此基础上，孵化《碳中和（英文）》和《碳创新（英文）》子刊。

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