TOPCon太陽(yáng)能電池憑借其高效率與產(chǎn)線兼容性已成為市場(chǎng)主流，但其量產(chǎn)效率仍受限于金屬-硅界面處的載流子復(fù)合損失。美能PL/EL一體機(jī)測(cè)試儀的EL電致發(fā)光成像通過(guò)探針上電，可以分析電池的缺陷，尤其是電極和接觸異常，屬于接觸式測(cè)試，適合測(cè)試成品電池片。

本研究引入了激光輔助燒結(jié)技術(shù)（具體為JSIM工藝）。該技術(shù)在傳統(tǒng)燒結(jié)后增加激光掃描與施加反向偏壓的步驟，通過(guò)局部焦耳熱選擇性地優(yōu)化金屬接觸。實(shí)驗(yàn)表明，JSIM技術(shù)將量產(chǎn)電池的轉(zhuǎn)換效率顯著提升約0.58%（絕對(duì)值），其核心機(jī)理是將前/后表面金屬誘導(dǎo)復(fù)合電流密度從基準(zhǔn)工藝的~280/~98 fA/cm2大幅降低至~88/~21 fA/cm2。損失分析與模擬進(jìn)一步證實(shí)，接觸復(fù)合已不再是主要損耗來(lái)源，且通過(guò)優(yōu)化柵線設(shè)計(jì)等途徑，效率仍具備約0.3%（絕對(duì)值）的提升潛力。這項(xiàng)工作為突破TOPCon電池量產(chǎn)效率瓶頸提供了明確且已產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)方案。

實(shí)驗(yàn)方法

本研究選取 M10 規(guī)格（182.2×183.75 mm）、厚度 130 μm、電阻率 1 Ω?cm 的 n 型硅片為基底，分別制備BL 電池與JSIM 電池，具體工藝流程及測(cè)試方案如下：

電池制備流程

(a) 基準(zhǔn)（BL）電池、燒結(jié)后均勻發(fā)射極（HE）電池以及JSIM電池的工藝流程圖；(b) 本研究中所用采用JSIM工藝的均勻發(fā)射極TOPCon太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖；(c) 本研究中所用基準(zhǔn)TOPCon太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖

基礎(chǔ)制絨與摻雜：所有硅片先經(jīng)清洗制絨形成金字塔表面，再通過(guò)硼擴(kuò)散制備正面 p?發(fā)射極；BL 電池額外通過(guò)激光摻雜形成局部 p??選擇性發(fā)射極（SE），JSIM 電池則采用均勻發(fā)射極（HE）結(jié)構(gòu)。

鈍化與薄膜沉積：去除硼硅玻璃（BSG）層并完成背面拋光后，利用等離子體氧化與等離子體輔助原位摻雜沉積（POPAID）工藝，在背面制備隧穿 SiO?層與多晶硅層，經(jīng)緩沖氧化物刻蝕（BOE）清洗后，正面依次沉積原子層沉積（ALD）AlO?與等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）SiN?鈍化層，背面僅沉積 PECVD SiN?鈍化層。

金屬化與燒結(jié)：BL電池采用商用鋁銀正面絲網(wǎng)印刷漿料，經(jīng)傳統(tǒng)單步工業(yè)燒結(jié)；JSIM 電池使用定制銀漿，先經(jīng)低 30℃的低溫?zé)Y(jié)，再實(shí)施JSIM 工藝：以 1064 nm 波長(zhǎng)、50 kHz 頻率的激光掃描柵線區(qū)域，并施加 17.5 V 反向偏壓，利用局域載流子分離與電流產(chǎn)生的高溫降低金屬 - 硅接觸電阻。兩種電池采用完全相同的絲網(wǎng)印刷圖形。

測(cè)試與仿真方案

用于提取金屬誘導(dǎo)復(fù)合的特殊子電池設(shè)計(jì)：(a) 正面采用不同接觸面積分?jǐn)?shù)的設(shè)計(jì)；(b) 背面采用與每個(gè)正面子電池對(duì)應(yīng)圖案相同的柵線設(shè)計(jì)

基于Quokka 3模擬評(píng)估雙面接觸復(fù)合的流程圖

為量化金屬誘導(dǎo)復(fù)合，設(shè)計(jì)特殊子電池結(jié)構(gòu)：正面設(shè)置 8 個(gè)柵線間距 0.57~2.86 mm 的子電池以改變接觸面積占比，背面采用統(tǒng)一柵線圖形。通過(guò)Sinton WCT-120測(cè)試儀完成 Suns-Voc與壽命測(cè)試，結(jié)合Quokka 3仿真提取復(fù)合參數(shù)；同時(shí)借助電致發(fā)光（EL）設(shè)備、冷凍聚焦離子束-掃描電鏡（Cryo-FIB-SEM）、能量色散譜（EDS）、傳輸長(zhǎng)度法（TLM）測(cè)試系統(tǒng)及四點(diǎn)探針臺(tái)，分別完成電池電學(xué)均勻性、接觸區(qū)元素分布、接觸電阻率與線電阻的表征。

電致發(fā)光特性與漿料成分分析

圖1a所示的 (a) 燒結(jié)后均勻發(fā)射極（HE）電池和 (b) 經(jīng)過(guò)JSIM工藝后的HE電池的EL圖像

JSIM和基準(zhǔn)（BL）樣品正面金屬接觸的橫截面EDS分析結(jié)果（展示主要元素差異）

EL成像顯示，僅經(jīng)低溫?zé)Y(jié)的HE電池接觸不良，而經(jīng)過(guò)JSIM處理后，接觸均勻性大幅改善。橫截面EDS分析發(fā)現(xiàn)，JSIM使用的定制漿料中，用于促進(jìn)燒結(jié)的玻璃料和鋁添加劑含量顯著低于BL漿料。這解釋了JSIM在預(yù)燒后接觸較差的原因，但也可能帶來(lái)復(fù)合較低的潛在優(yōu)勢(shì)。

電流-電壓（I-V）性能

圖1a所示的燒結(jié)后HE電池、JSIM電池和BL電池的單日光照下PCE、Voc、FF和Jsc值

JSIM電池的平均效率達(dá)到25.08%，顯著高于BL電池的24.50%。效率提升主要得益于開路電壓（Voc）的大幅增加（平均提高約11.7 mV）。短路電流密度（Jsc）的輕微提升可能與BL電池SE區(qū)域?qū)λ{(lán)光的寄生吸收有關(guān)。兩者的填充因子（FF）則非常接近。

接觸電阻率與線電阻

JSIM電池和BL電池的 (a) 正面與背面接觸電阻率及 (b) 正面與背面柵線電阻

電阻測(cè)量顯示，兩種電池的背面接觸電阻率和柵線電阻相當(dāng)。JSIM電池的正面接觸電阻率高于BL電池，這主要?dú)w因于其缺乏高摻雜的SE區(qū)域。然而，得益于定制漿料，JSIM電池的正面柵線電阻反而更低。

寄生復(fù)合損耗特性

左：經(jīng)過(guò)相應(yīng)燒結(jié)工藝后，HE和SE前驅(qū)體的iVoc；右：具有不同正面接觸面積分?jǐn)?shù)的子電池的測(cè)量與Voc，用于評(píng)估JSIM電池和BL電池的正面與背面金屬誘導(dǎo)復(fù)合

對(duì)前驅(qū)體的測(cè)量表明，SE激光摻雜工藝本身會(huì)引入輕微的體/表面損傷，導(dǎo)致iVoc略低于HE前驅(qū)體。更重要的是，通過(guò)模擬擬合發(fā)現(xiàn)，JSIM電池的正面和背面金屬誘導(dǎo)復(fù)合電流密度分別僅為BL電池的31%和21%。這巨大的復(fù)合優(yōu)勢(shì)是JSIM電池Voc顯著升高的核心原因，其背后的機(jī)理可能與較低的燒結(jié)溫度及優(yōu)化的局部接觸形成有關(guān)。

模擬分析與效率潛力

Millennial Solar

上：瀑布圖，顯示了BL與JSIM TOPCon太陽(yáng)電池之間的主要差異對(duì)Voc、FF和PCE的影響；中:(a) BL電池和(b) JSIM電池的自由能損失分析；下：(a)正面接觸電阻率與接觸復(fù)合電流密度變化對(duì)PCE的影響；(b)正面柵線接觸寬度與接觸間距變化對(duì)PCE的影響

Quokka 3模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高度吻合。損失分解表明，在BL電池中，前后接觸復(fù)合是最大的功率損失源。而在JSIM電池中，接觸復(fù)合損失大幅降低，體材料和前表面非接觸區(qū)域的復(fù)合成為主要限制。模擬進(jìn)一步指出，通過(guò)優(yōu)化硅體質(zhì)量、表面鈍化以及正面柵線設(shè)計(jì)（如減小柵線寬度和優(yōu)化間距），JSIM電池效率有望輕松突破25.5%。

本研究證實(shí)，激光輔助燒結(jié)（JSIM）技術(shù)可成功應(yīng)用于TOPCon太陽(yáng)電池的大規(guī)模生產(chǎn)，并帶來(lái)顯著的效率提升（約0.58% abs）。其核心優(yōu)勢(shì)在于大幅降低了金屬-接觸界面的復(fù)合損失，使接觸復(fù)合不再是TOPCon電池的主要瓶頸。盡管因使用均勻發(fā)射極而面臨較高的接觸電阻率挑戰(zhàn)，但通過(guò)柵線設(shè)計(jì)優(yōu)化等方案可予以彌補(bǔ)。這項(xiàng)工作為TOPCon電池在量產(chǎn)中持續(xù)提效提供了明確且可行的技術(shù)路徑。

美能PL/EL一體機(jī)測(cè)試儀

美能PL/EL一體機(jī)測(cè)試儀模擬太陽(yáng)光照射鈣鈦礦太陽(yáng)能電池片，均勻照亮整個(gè)樣品，并用專業(yè)的鏡頭采集光致發(fā)光（PL）信號(hào)，獲得PL成像；電致發(fā)光（EL）信號(hào)，獲得EL成像。通過(guò)圖像算法和軟件對(duì)捕獲的PL/EL成像進(jìn)行處理和分析，并識(shí)別出PL/EL缺陷，根據(jù)其特征進(jìn)行分析、分類、歸納等。

• EL/PL成像，500萬(wàn)像素，實(shí)現(xiàn)多種成像精度切換
• 光譜響應(yīng)范圍：400nm~1200nm
• PL光源：藍(lán)光（可定制光源尺寸、波長(zhǎng)等)
• 多種缺陷識(shí)別分析(麻點(diǎn)、發(fā)暗、邊緣入侵等)可定制缺陷種類

美能PL/EL一體機(jī)測(cè)試儀對(duì)晶硅太陽(yáng)能電池片內(nèi)部的缺陷，如晶體缺陷、雜質(zhì)等，進(jìn)行高精度檢測(cè)從而幫助生產(chǎn)人員及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

原文參考：Higher-Efficiency TOPCon Solar Cells in Mass Production Enabled by Laser-Assisted Firing: Advanced Loss Analysis and Near-Term Efficiency PotentialElectroluminescence Images: The Effect of Daylight and Image Resolution

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