当前,太阳能光伏已成为全球实现“碳达峰、碳中和”战略的重要路径,也是能够满足未来人类能源需求可持续发展的首选技术。自上世纪中叶第一片现代硅基太阳电池问世以来,持续的技术创新和资本投入推动了光伏产业的蓬勃发展。从产业的角度来看,晶硅太阳电池光电转换效率的提升有助于降低光伏供应链整体成本,因而成为产业界的关注焦点。从科研的角度而言,晶硅太阳电池作为一种平面p-n结型半导体光电器件,硅基体、正面、背面的光学和电学性能是决定电池效率“水桶”的三块木板;然而,传统的绒面结合减反射层的结构难以高效陷光,成为电池效率进一步提升的一个短板。近年来,本课题组研究的金属催化化学蚀刻（MCCE）纳米黑硅技术,较大程度上弥补了多晶硅电池正面的陷光短板,业已在行业得到大规模应用。随着钝化发射极与背面电池（PERC）,隧穿氧化层钝化接触（TOPCon）,异质结（HJT）等新一代太阳电池技术的应用,电池的表界面陷光技术仍面临一些挑战,如:如何有效协同双面电池正面和背面陷光性能、如何优化背面介质层以减少金属寄生吸收、如何平衡正背面的陷光与钝化性能等。本论文针对高效晶硅太阳电池的陷光需求,采用模拟和实验相结合的方法研究了正背面陷光微结构的构筑技术、复合膜层材料的表界面特性;成功构筑了多种表界面协同陷光结构;并在大面积电池和组件上直接验证上述技术、结构和材料的有效性。主要研究内容包括以下几个方面:（1）采用基于光线追踪法的OPAL 2和SunSolve软件模拟分析电池正背面陷光微结构,这些结构的尺寸通常大于电池所吸收的入射光波长;构建单晶硅PERC太阳电池正、背界面介质膜层的光学模型,将经典的矢量法和传输矩阵法应用于光学模拟中,有效指导了可以增强电池陷光性能的新膜层结构设计。（2）针对金刚线切多晶硅片的酸制绒技术反射率偏高的问题,采用激光制绒技术在硅片表面形成了独特的小坑嵌套于大坑（PIC）结构。研究了在具有不同缺陷浓度的金刚线切多晶硅片上,制备出的具有不同PIC结构的铝背场太阳电池的光学和电学性能。与传统酸制绒得到的凹坑结构相比,优化后的PIC结构降低反射率约2.4%,且其反射率具有更优的入射光角度响应性能;优化后的PIC结构还减轻了激光制绒造成载流子复合增加这一副作用;具有PIC结构的铝背场太阳电池的短路电流（Isc）提升了 127mA,开路电压（Voc）和填充因子（FF）略有降低,总体上效率提升0.16%;封装成组件后,虽然PIC结构电池的短路电流密度提升比例低于常规凹坑结构电池,但仍具有较高的绝对值。相关工作已发表于Sol.Energy Mater Sol.Cells.2020。（3）构建PERC太阳电池的光学模型,基于模拟仿真结果指导电池正背面的复合介质膜层设计和陷光性能优化。首先,将SiNx/SiNx/SiOxNy膜层作为减反射膜层（ARC）沉积在电池正面,电池的Isc和效率分别提升50 mA和0.1%,相应组件功率提升0.71 W;随后,将SiNx/SiOxNy/SiNx膜层作为背面Al2O3钝化层的覆盖层,电池的Isc和效率分别提升24 mA和0.07%;最后,将优化后的正面SiNx/SiNx/SiOxNy ARC和背面SiNx/SiOxNy/SiNx覆盖层集成在一起作为最佳组,与正面使用高/低折射率双层SiNxARC和背面使用单层SiNx覆盖层的参照组相比,最佳组电池的短波长范围内的减反射性能和长波长范围内的背面内反射效果均得以增强,电池的Isc和效率分别提升80 mA和0.18%,组件功率增加1.75 W。相关工作已发表于Prog Photovolt Res Appl.2021。（4）针对在正面和背面光照条件下,需要合适的电池背面形貌提升双面PERC太阳电池陷光性能,研究了传统酸抛光技术、改良酸抛光技术与一种环境友好型碱抛光技术。基于HF/HNO3/去离子水（DIW）的酸抛光体系和基于KOH/添加剂/DIW的碱抛光体系,在双面PERC太阳电池背面制备了倾斜角（金字塔抛光后角度）从50.2°到0°变化的绒面结构。正面光照下,得益于最优的陷光和背面复合之间的平衡,倾斜角为11.2°的电池获得了最高Isc和效率,分别为10.606 A和22.86%;背面光照下,倾斜角为50.2°的电池因具有最低的背面反射率而获得了最高效率;即便在反照率为40%的情况下,倾斜角为11.2°的电池仍保持着最高等效双面效率,达到了 29.82%。单片电池双玻小组件的光学性能测试与模拟表明:正面光照下,封装材料的引入增强了组件陷光性能,同时弱化了不同背面形貌在电池端造成的陷光性能差异;背面光照下,得益于封装材料与空气界面处的全内反射比例较高,倾斜角为29.5°和37.4°的样品获得了更明显的背面陷光增强。相关工作已发表于ACS Applied Energy Materials.2022。