南开大学研发无银HJT电池效率达25.2%突破银浆依赖瓶颈

中国南开大学的研究团队在光伏技术领域取得重要突破，成功研发出一种无需使用银浆、采用铜电镀金属化技术的异质结（HJT）太阳能电池。该电池在标准光照条件下实现了25.2%的转换效率，这一成果不仅验证了无银金属化路线的技术可行性，也为解决全球白银短缺带来的供应链风险提供了新的解决方案。

等离子体界面工程破解铜电镀难题

HJT太阳能电池的核心在于其透明导电氧化物（TCO）层，通常由氧化铟锡（ITO）构成。ITO层在电池中扮演着多重关键角色：它负责在薄膜非晶硅（a-Si:H）与金属电极之间形成欧姆接触，确保载流子的高效提取；同时保护脆弱的钝化层免受后续金属网格沉积过程中的损伤；此外，作为减反射层，ITO通过调控厚度和折射率，减少光反射损失，提升硅吸收层的光耦合效率。

然而，传统的银浆印刷工艺存在成本高、资源稀缺等痛点。虽然铜电镀被视为替代方案，但面临界面附着力低、接触电阻高以及稳定性差等技术瓶颈。针对这些问题，研究团队开发了一种基于氩氢（Ar/H2）等离子体诱导的界面工程策略。该策略通过物理溅射与活性氢物种的协同作用，将间隙氢引入ITO晶格，增加氧空位浓度，并使ITO表面羟基化，从而实现超亲水性，为后续的高质量铜电镀奠定基础。

“我们开发的Ar/H2等离子体界面工程策略，有效解决了HJT太阳能电池电镀金属化中的低附着力、高接触电阻和有限稳定性等关键挑战，实现了在ITO上进行超高质量铜电镀。”通讯作者侯国富教授向媒体表示。这种处理不仅优化了界面特性，还去除了表面的碳污染，提高了电解液的润湿性，确保电镀过程的均匀性。

多尺度模拟揭示微观机制

为了深入理解该技术的微观机理，研究团队结合了密度泛函理论（DFT）计算、有限元方法（FEM）仿真以及基于Python/OpenCV的定量成核分析。DFT计算结果显示，ITO表面的羟基化显著增强了镍离子（Ni²⁺）的吸附能力，吸附能从-0.753 eV降低至-2.18 eV，表明结合更加牢固。

FEM仿真进一步揭示，等离子体处理改善了ITO的电学性能，使得电镀过程中的表面电流分布更加均匀，有效抑制了局部过沉积现象。图像统计分析证实，经过处理的样品具有更高的成核密度，形成了更致密、晶粒更细且均匀的镍种子层。这种微观结构的优化对于后续铜层的生长至关重要。

在制备工艺上，研究人员首先在清洁的玻璃基板上通过物理气相沉积（PVD）制备ITO薄膜。样品经过、乙醇和去离子水的超声清洗后，进行等离子体处理。处理参数在射频功率0 W至200 W之间优化。随后，使用n型晶体硅晶圆，经氢氧化钾（KOH）溶液织构化后，通过PECVD沉积非晶硅层，并溅射沉积ITO层。

效率显著提升验证技术潜力

基于优化的等离子体界面工程，研究团队整合了双面铜电镀金属化的HJT太阳能电池制造流程。电池通过光刻定义前驱体，并依次进行镍/铜/锡（Ni/Cu/Sn）电镀。其中，镍层作为种子层和扩散阻挡层，抑制铜诱导缺陷；厚铜层负责电荷传输；锡层则提供抗氧化保护和改善可焊性。

测试数据显示，经过等离子体处理的HJT电池达到了25.2%的转换效率，开路电压为742.1 mV，短路电流密度为40.49 mA/cm²，填充因子高达83.86%。相比之下，未进行等离子体处理的参考器件效率仅为21.10%，开路电压为724.1 mV，填充因子为71.5%。这一显著的性能差距充分证明了界面工程对电池性能的关键提升作用。

侯国富教授指出，研究结果证明了Ar/H2等离子体界面工程在高性能无银HJT太阳能电池铜电镀金属化中的可行性。该技术有望降低对低温银浆的依赖，缓解全球白银短缺带来的成本和供应风险。此外，观察到的性能提升具有可扩展性，首批大面积样品已实现超过24%的效率。

这项研究成果以《等离子体诱导界面工程实现高效无银硅异质结太阳能电池与电镀金属化》为题，发表在《能源化学杂志》（Journal of Energy Chemistry）上。该研究不仅展示了中国在光伏前沿技术领域的创新能力，也为全球光伏产业向低成本、可持续方向转型提供了重要的技术参考。