能源的合理开发与利用不仅是现代社会发展的基石,也是全球经济持续增长的重要源动力;能源技术正在向清洁、高效以及多元化方向加速转型,其中光伏作为新能源体系的一份子,在调节气候和节能减排等方面所做的贡献日益突出。我国在上世纪六七十年代开始涉足光伏领域研究,光伏的产业化起步也较晚,即便如此,研发投入和装机规模却逐年增长,光伏发电在我国总发电量中所占的比重在2019年已经提升到3.1%,体量非常可观。太阳电池按照材料性质可以分为晶体硅、化合物、有机物和染料敏化等几个大类。其中晶体硅太阳电池具有原材料丰富和工艺成熟的优势,在商业化市场中占有绝对优势地位,目前的市场占有率在85%以上,并且将在未来十几年甚至更长时间内占据主导地位。提高太阳电池转换效率和降低生产成本一直是光伏同行们追求的目标,硅太阳电池结构经历了早期转换效率不到20%的铝背场（Al back surface field,Al-BSF）时代,目前市场主体是钝化发射极和背面电池（Passivated emitter and rear cell,PERC）结构,其转换效率已经超过22%,接近该类电池效率极限,导致PERC电池效率进一步提升的空间很有限,有必要投入资源布局下一代高效晶硅电池的研发。隧穿氧化钝化接触（Tunnel oxide passivated contact,TOPCon）和插指式背接触（Interdigitated back contact,IBC）结构是公认的最有发展前景的两种太阳电池,这两种电池的实验室最高效率都达到26%左右,而且具有兼容产线高温工艺的优点。本文聚焦于这两种太阳电池的研究,包括理论计算、制备工艺和光电性能等,主要工作分为以下几部分:首先,针对n型晶硅具有较高少子寿命和无光致衰减的优点,我们创新地在n型钝化发射极和背面全扩散（Passivated emitter and rear totally-diffused,PERT）太阳电池的正面和背面分别引入选择性发射极（Selective emitter,SE）和TOPCon结构,以改善界面钝化。SE结构通过纳秒脉冲激光进行局部重掺杂,把硼离子从硼硅玻璃层快速推进到p+发射区,形成p++选择性发射极;背面经抛光之后,采用硝酸氧化生长超薄Si Ox层,并通过等离子体化学气相沉积（Plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD）设备沉积多晶硅（poly-Si）层并随后进行磷掺杂形成n+poly-Si。能量适中的激光选择性掺杂有利于改善太阳电池的短波响应和金属半导体接触区域的接触。开路电压的降低趋势会随着氧化硅带隙的减小而加快,而短路电流保持不变,表明Si Ox中氧含量的不同影响界面钝化。实验中,与没有TOPCon结构的双面晶硅太阳电池相比,有TOPCon结构的电池的最高开路电压（VOC）会提高19 m V,导致电池转换效率绝对值提高0.9%,证明TOPCon在界面钝化和载流子输运中起着重要作用。除了调节poly-Si层掺杂,电池前发射极和硅衬底质量对VOC也有显著影响,继续优化了前发射极的掺杂浓度（Np+）和晶硅体缺陷态密度（Ntr）,结果表明,Ntr和Np+分别从1×1011 cm2/e V和2×1019 cm-3变化到1×108 cm2/e V和2×1021 cm-3时,VOC会在0.670 V的基础上进一步增加到~0.720 V。同时研究了背面形貌对TOPCon电池的影响。绒面越平缓,钝化性能越好,但是光滑的表面接触电阻一般较高,可以通过调节接触区域掺杂和改变金属浆料成分来优化。其次,p型PERC晶硅太阳电池的产业化应用更广泛,当PERC太阳电池效率提升到一定程度之后,前表面钝化的重要性越来越重要,基于此原因我们在PERC太阳电池前侧绒面结构上沉积TOPCon堆叠层。由于隧穿氧化硅的厚度远小于金字塔的尺寸,对其均匀性的控制有较高难度,这极大地影响界面钝化。在实验中,采用低压化学气相沉积（Low pressure chemical vapor deposition,LPCVD）的热氧化方式在微米级金字塔上覆盖一层超薄Si Ox,紧接着在相同炉管中通过硅烷的热分解沉积一层poly-Si,这样可以避免与空气的接触从而消除自然氧化层。电子显微镜观测到Si Ox和poly-Si层的均匀性和致密性都很好,其中Si Ox的厚度为1.5 nm。由于氢钝化的激活,烧结后样品的平均隐开路电压（implied-VOC）比烧结前的提高了15-25 m V。掺杂时推进温度的降低会增加有效少子寿命和implied-VOC值,但是较低的推进温度会降低混合多晶硅层的结晶度,优化的温度为780℃,这既能充分发挥界面氢钝化的优势,又能避免严重的寄生吸光损失。合适的推进时间也很重要,在多晶硅沉积时间为5 min条件下,当推进时间为900 s时,implied-VOC可达690 m V以上。Poly-Si层沉积时间为5 min的厚度是25 nm。当总复合电流密度从280 f A/cm2降低到33 f A/cm2时,太阳电池转换效率可从21.3%的基础上进一步提高到23.4%。最后,由于TOPCon结构具有界面钝化的优势（电学特性）,而IBC结构具有更多光子吸收的优势（光学特性）,把这两种结构集成在一种电池上是未来的研究趋势之一。本论文重点研究一种新结构IBC太阳电池,结合前漂浮结（Front floating emitter,FFE）对载流子具有抽取输运作用的“泵浦效应”,在背表面设计高低不平的浅槽结构,使掺杂形成的背发射极和背表面场错开位置,避免背发射极区域和背表面场区域之间未掺杂的间隙、或掺杂重叠所形成的表面p-n结造成的复合损失,保证载流子有效分离并被接触电极收集。低掺杂浓度的FFE可以提高硅吸收层对入射光子的利用率,但横向压降也随之减弱,这种平均压降源于FFE和基区之间内建电场的不同;因此通过优化FFE的掺杂浓度是获得高效IBC太阳电池的途径之一,最优量级在1~2×1019 cm-3。根据发射极的掺杂深度,槽深在小于2μm时能获得最大的载流子收集效率。当背发射极和背表面场掺杂浓度分别为8×1019 cm-3和2×1020 cm-3时,相对于常规前表面场IBC结构,前漂浮结IBC太阳电池的转换效率能分别提高6.5%和6.1%。更重要的是,在背表面场宽度和背发射极宽度的比值Wn+/Wp+从1/4下降到4/1时,前表面场IBC和前漂浮结IBC太阳电池的转换效率分别降低21.3%和9.5%,证明高性能前漂浮结IBC结构可以显著提高IBC电池对Wn+/Wp+值变化的容忍度,这有利于降低工艺难度。