近日,2025年諾貝爾物理學獎揭曉,科學家約翰·克拉克(John Clarke)、米歇爾·H·德沃雷特(Michel H. Devoret)和約翰·M·馬丁尼斯(John M. Martinis)三人獲獎,以表彰他們在電路中實現(xiàn)宏觀量子力學隧穿效應和能量量子化方面的貢獻。量子隧穿效應這一微觀粒子“穿墻而過”的奇特現(xiàn)象,不僅是此次諾獎的核心理論,也是TOPCon太陽能電池實現(xiàn)高效載流子傳輸?shù)奈锢砘A,早在2016年,中來股份便率先在國內(nèi)研發(fā)基于“量子隧穿”原理的TOPCon電池,中來作為n型TOPCon電池技術(shù)變革的重要推動力量,加速了這一經(jīng)典量子原理在新能源領(lǐng)域的工程化應用。
什么是量子隧穿?
在經(jīng)典物理學中,一個粒子如果遇到比自身能量更高的勢壘,是無法穿越的,就像小球無法自行滾過一座比它起始點還高的山。但在量子力學中,像電子這樣的微觀粒子,卻有一定的概率能夠“穿過”這個勢壘,仿佛在山上打了一條隧道一樣,這就是量子隧穿效應。量子隧穿效應有著廣泛的應用,例如掃描隧道顯微鏡、半導體器件、納米技術(shù)等。
光伏電池的效率秘密?
諾貝爾獎背后的量子效應!
早在2016年,當全球光伏行業(yè)大部分企業(yè)仍專注于PERC電池的量產(chǎn)與效率優(yōu)化時,基于第一性原理、致力于為客戶提供更高效率的光伏產(chǎn)品,中來便率先基于量子隧穿效應開展n型TOPCon電池研發(fā),并成為中國乃至全球范圍內(nèi),最早研發(fā)并實現(xiàn)GW級量產(chǎn)TOPCon產(chǎn)品的光伏企業(yè)之一。
TOPCon,全稱為隧穿氧化層鈍化接觸(Tunnel Oxide Passivated Contact),以“隧穿氧化層+摻雜多晶硅層”的鈍化接觸結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬接觸結(jié)構(gòu),降低少數(shù)載流子復合的同時,通過量子隧穿機制進行多數(shù)載流子傳輸,從而兼顧鈍化與良好的電導性能,實現(xiàn)超高的太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率??梢哉f,量子隧穿效應是TOPCon太陽能電池的核心所在。
TOPCon電池與量子隧穿
中來深入探索了量子隧穿效應在TOPCon技術(shù)上的應用,創(chuàng)新研發(fā)一種用于制備n型TOPCon太陽能電池背面超薄氧化硅層和摻雜多晶硅層的核心工藝技術(shù),利用等離子體在硅片表面生長一層超薄、高質(zhì)量的超薄二氧化硅(SiO?)層。理論上,二氧化硅是絕緣體,對導電的載流子(電子)來說,它就像一個能量的“高墻”(勢壘)。在經(jīng)典物理中,電子如果能量不夠,是無法翻過這堵墻的。但是,當這層二氧化硅被做到極薄(1~2納米,約幾個原子層的厚度)時,這堵“墻”就變得非常薄了。根據(jù)量子力學,電子不再需要“翻過”這堵墻,而是有一定概率直接“穿過”它。隧穿概率與勢壘的厚度成反比,SiO?層的厚度越小,電子隧穿的概率越高。此外,超薄氧化層本身還提供了“第二層選擇性”,能有效阻擋空穴等不需要的載流子注入接觸,從而減少在多晶硅或金屬處的復合,而允許電子隧穿進入多晶硅被收集。
通過持續(xù)的理論探索與工藝技術(shù)研發(fā),2019年,中來就建成了全球首個GW級TOPCon電池量產(chǎn)線,是全球最早將TOPCon技術(shù)從實驗室推向規(guī)?;a(chǎn)的企業(yè)。如今,中來股份已圍繞TOPCon技術(shù),構(gòu)建了完善且具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專利保護體系。
中來TOPCon電池
量子隧穿:賦能中來TBC技術(shù)
在n型TOPCon技術(shù)大規(guī)模量產(chǎn)并引領(lǐng)行業(yè)的同時,中來股份已將研發(fā)視野投向更前沿的未來。公司正積極布局TBC(TOPCon Back Contact)技術(shù)。BC技術(shù)可以消除正面柵線的遮光,實現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率。TBC技術(shù)巧妙地將中來已深耕多年的TOPCon技術(shù),與BC的電池結(jié)構(gòu)設計相融合,能夠?qū)㈦姵卣摻饘匐姌O全部精巧地排列在電池背面,從而徹底消除正面主柵線和細柵線對入射陽光的遮擋損失。
可以說,量子隧穿效應,就是TOPCon和TBC電池能夠“封神”的核心技術(shù)。它就像一份原子級別的“通關(guān)文牒”,讓電子能夠“穿墻而過”,一舉解決了高效電池的兩大核心難題:既要大門緊鎖(極致表面鈍化,鎖住能量不流失),又要道路暢通(高效載流子傳輸,形成強大電流)。
未來,我們探索量子世界的腳步不會停歇。中來股份將繼續(xù)積極與高校、科研院所及產(chǎn)業(yè)鏈伙伴合作,不斷拓寬光伏產(chǎn)品的性能極限,為推動全球能源變革貢獻更多“量子智慧”。
(來源:中來股份)