光伏產業發展迅速，面臨銀等關鍵資源長期可用性的挑戰，2022年全球光伏產業消耗了約 13%的全球年度銀產量。銅和鋁是替代銀的有潛力材料，其中銅在導電性方面與銀接近，但在高溫電池概念（如 TOPCon）中應用銅基金屬化存在技術挑戰，如銅在硅中的擴散、氧化、交叉污染以及電極的長期可靠性等問題。絲網印刷銅漿料用于TOPCon 電池的金屬化

具有絲網印刷銅背側柵格的iTOPCon 電池結構示意圖

iTOPCon太陽能電池結構：包括n型硅基底、隧道氧化層、鈍化層以及金屬化層等關鍵部分。

銅背面網格：使用了絲網印刷的銅漿料來形成背面的金屬網格，這種設計旨在替代傳統的銀基金屬化，以降低銀的使用量并提高電池的可持續性。合理的網格設計可以有效降低電池的串聯電阻，提高光電轉換效率。

實驗1的流程圖

組1：使用標準的正面銀鋁（AgAl）漿料進行金屬化，背面高溫燒結銅漿料進行絲網印刷。背面的網格布局包括5根主柵線（寬度為100μm）和160根指柵線（寬度為80μm）。

組2：正面和背面均使用商業化的銀漿料進行金屬化。正面網格布局與組1相同，背面為無主柵線布局，包含194根指柵線（寬度為24μm）和12根偽主柵線（寬度為60μm）。

銅漿的絲網印刷

絲網印刷銅漿料的過程：這是實驗中用于TOPCon太陽能電池背面金屬化的一個重要步驟，其中銅漿料通過絲網印刷的方式被應用到太陽能電池上。

太陽能電池的銅網格布局：圖中展示了使用絲網印刷技術在TOPCon太陽能電池上形成的銅網格布局。這個網格布局是太陽能電池金屬化設計的一部分，對于電池的導電性和效率有直接影響。實驗1的實驗結果

銅漿料絲網印刷后的TOPCon電池共聚焦激光掃描顯微鏡圖像

通過顯微鏡測量成像，清晰地顯示了銅漿料指條的寬度。經過絲網印刷和燒結后，指條的寬度約為130-150μm。銅漿料指條的高度，范圍在20-25μm之間。

圖中指條的陰影效應表明其在電池背面形成了明顯的金屬化圖案。這種陰影效應對于電池的光電轉換效率有雙重影響：一方面，金屬化圖案會遮擋部分入射光，減少光生載流子的產生；另一方面，合理的金屬化圖案可以有效收集和傳輸光生載流子，降低載流子的復合損失。

兩組電池I-V測試結果對比

兩組電池的濕銀漿料沉積量數據

開路電壓（Voc）：實驗組的平均Voc比對照組低約45毫伏，這可能是由于背面銅漿料在燒結過程中對TOPCon鈍化層造成了一定程度的損傷，導致了載流子復合損失增加。

短路電流密度（Jsc）：實驗組的Jsc略低于對照組，這與Voc的降低有關，可能是由于載流子復合損失增加導致光生載流子數量減少。

填充因子（FF）：實驗組的FF比對照組低約1.2%，這表明實驗組電池存在一定的串聯電阻損失。

電池效率：組1最佳電池的效率達到了21.6%，平均效率為20.9%；組2最佳電池的效率為23.5%，平均效率為23.3%。

實驗組的銀漿料濕重減少了約65mg，相當于每片電池的銀耗降低了約62%。與對照組相比，實驗組的銀耗從約17mg/W降低到了約7mg/W。電鍍銅金屬化制備大尺寸TOPCon太陽能電池

采用電鍍鎳、銅和銀金屬化工藝的iTOPCon太陽能電池結構

激光接觸開孔（LCO）：使用皮秒脈沖激光在電池的正面和背面鈍化層上局部開孔，形成窄的指狀開口，以便后續金屬化。正面的指狀開口寬度為5μm，背面為10μm。

電鍍金屬化：在LCO后的電池上，通過電鍍工藝依次沉積鎳擴散阻擋層、銅導電層和銀覆蓋層。鎳層作為擴散阻擋層，防止銅擴散到硅中；銅層提供主要的導電功能；銀層則用于防止銅氧化并提高導電性。

網格布局：正面有194根指狀線和12根偽主柵線（寬度為20μm），背面有235根指狀線和12根偽主柵線（寬度為50μm）。這種布局有助于優化電池的電流收集和傳輸效率。

電鍍生產線

實驗2的流程圖

通過示意圖展示了從電池基底到金屬化完成的整個工藝流程，包括鈍化層沉積、激光開孔和電鍍金屬化等關鍵步驟。這有助于理解電鍍Ni/Cu/Ag金屬化工藝在iTOPCon太陽能電池中的應用方式和實現過程。組1（電鍍Ni/Cu/Ag金屬化）：

激光接觸開孔（LCO）：使用皮秒脈沖激光在電池的正面和背面鈍化層上局部開孔，形成窄的指狀開口，以便后續金屬化。正面的指狀開口寬度為5μm，背面為10μm。

電鍍金屬化：在LCO后的電池上，通過RENA InCellPlate電鍍生產線依次沉積鎳擴散阻擋層、銅導電層和銀覆蓋層。鎳層防止銅擴散到硅中，銅層提供主要的導電功能，銀層則用于防止銅氧化并提高導電性。

組2（絲網印刷銀漿料金屬化）：

正面金屬化：使用先進的AgAl絲網印刷漿料在正面進行無主柵線網格印刷，包含154根指狀線，指狀線寬度為24μm。

背面金屬化：使用銀漿料在背面進行網格印刷，包含198根指狀線，指狀線寬度為24μm。實驗2的實驗結果

兩組最佳電池的I-V測量結果

兩組電池的銀消耗估計值

首次成功制備了 M10 大尺寸 TOPCon 太陽能電池，電鍍組和絲網印刷參考組的最佳電池效率均為 24.0%，電鍍組填充因子略高，絲網印刷組開路電壓略高。

電鍍組每片電池僅沉積 9mg 銀作為覆蓋層，銀消耗降至約 1mg/W，相比絲網印刷參考組（約 15mg/W）減少約 93%，若用錫等替代銀覆蓋層，可完全避免銀的使用。

電鍍鎳、銅和銀（Ni/Cu/Ag）金屬化工藝不僅成功地將銀耗降低到約1mg/W，相比傳統絲網印刷工藝減少了約93%，而且在保持電池光電轉換效率穩定在24.0%，展現了其在降低生產成本和提高光伏產業可持續性方面的巨大潛力。美能3D共聚焦顯微鏡

美能3D共聚焦顯微鏡ME-PT3000，運用尖端的光學技術，可以非常精確地測量光伏電池片上的陡峭斜面和復雜的表面結構，實時提供詳盡的高度和寬度分布數據。

• 精確可靠的3D測量，實現實時共聚焦顯微圖像

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• 198-39966倍最大綜合倍率，精確測量亞μm級形貌

全自動光柵絨面測量，快速生成數據

電鍍Ni/Cu/Ag金屬化工藝的成功應用，結合美能3D共聚焦顯微鏡的先進分析手段，為光伏產業的可持續發展注入了新的動力，也為相關技術的深入研究和產業化應用提供了有力的支持。

原文出處：Breaking the Barrier: Unveiling the Potential of Copper for Solar Cell Metallization

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