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

本研究引入了激光輔助燒結技術（具體為JSIM工藝）。該技術在傳統燒結后增加激光掃描與施加反向偏壓的步驟，通過局部焦耳熱選擇性地優(yōu)化金屬接觸。實驗表明，JSIM技術將量產電池的轉換效率顯著提升約0.58%（絕對值），其核心機理是將前/后表面金屬誘導復合電流密度從基準工藝的~280/~98 fA/cm2大幅降低至~88/~21 fA/cm2。損失分析與模擬進一步證實，接觸復合已不再是主要損耗來源，且通過優(yōu)化柵線設計等途徑，效率仍具備約0.3%（絕對值）的提升潛力。這項工作為突破TOPCon電池量產效率瓶頸提供了明確且已產業(yè)化的技術方案。

實驗方法

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，具體工藝流程及測試方案如下：

電池制備流程

(a) 基準（BL）電池、燒結后均勻發(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太陽電池結構示意圖；(c) 本研究中所用基準TOPCon太陽電池結構示意圖

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

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?與等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）SiN?鈍化層，背面僅沉積 PECVD SiN?鈍化層。

金屬化與燒結：BL電池采用商用鋁銀正面絲網印刷漿料，經傳統單步工業(yè)燒結；JSIM 電池使用定制銀漿，先經低 30℃的低溫燒結，再實施JSIM 工藝：以 1064 nm 波長、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印刷圖形。

測試與仿真方案

用于提取金屬誘導復合的特殊子電池設計：(a) 正面采用不同接觸面積分數的設計；(b) 背面采用與每個正面子電池對應圖案相同的柵線設計

基于Quokka 3模擬評估雙面接觸復合的流程圖

為量化金屬誘導復合，設計特殊子電池結構：正面設置 8 個柵線間距 0.57~2.86 mm 的子電池以改變接觸面積占比，背面采用統一柵線圖形。通過Sinton WCT-120測試儀完成 Suns-Voc與壽命測試，結合Quokka 3仿真提取復合參數；同時借助電致發(fā)光（EL）設備、冷凍聚焦離子束-掃描電鏡（Cryo-FIB-SEM）、能量色散譜（EDS）、傳輸長度法（TLM）測試系統及四點探針臺，分別完成電池電學均勻性、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) 燒結后均勻發(fā)射極（HE）電池和 (b) 經過JSIM工藝后的HE電池的EL圖像

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

EL成像顯示，僅經低溫燒結的HE電池接觸不良，而經過JSIM處理后，接觸均勻性大幅改善。橫截面EDS分析發(fā)現，JSIM使用的定制漿料中，用于促進燒結的玻璃料和鋁添加劑含量顯著低于BL漿料。這解釋了JSIM在預燒后接觸較差的原因，但也可能帶來復合較低的潛在優(yōu)勢。

電流-電壓（I-V）性能

圖1a所示的燒結后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)域對藍光的寄生吸收有關。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

電阻測量顯示，兩種電池的背面接觸電阻率和柵線電阻相當。JSIM電池的正面接觸電阻率高于BL電池，這主要歸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。

寄生復合損耗特性

左：經過相應燒結工藝后，HE和SE前驅體的iVoc；右：具有不同正面接觸面積分數的子電池的測量與Voc，用于評估JSIM電池和BL電池的正面與背面金屬誘導復合

對前驅體的測量表明，SE激光摻雜工藝本身會引入輕微的體/表面損傷，導致iVoc略低于HE前驅體。更重要的是，通過模擬擬合發(fā)現，JSIM電池的正面和背面金屬誘導復合電流密度分別僅為BL電池的31%和21%。這巨大的復合優(yōu)勢是JSIM電池Voc顯著升高的核心原因，其背后的機理可能與較低的燒結溫度及優(yōu)化的局部接觸形成有關。

模擬分析與效率潛力

Millennial Solar

上：瀑布圖，顯示了BL與JSIM TOPCon太陽電池之間的主要差異對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合電流密度變化對PCE的影響；(b)正面柵線接觸寬度與接觸間距變化對PCE的影響

Quokka 3模擬結果與實驗數據高度吻合。損失分解表明，在BL電池中，前后接觸復合是最大的功率損失源。而在JSIM電池中，接觸復合損失大幅降低，體材料和前表面非接觸區(qū)域的復合成為主要限制。模擬進一步指出，通過優(yōu)化硅體質量、表面鈍化以及正面柵線設計（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，激光輔助燒結（JSIM）技術可成功應用于TOPCon太陽電池的大規(guī)模生產，并帶來顯著的效率提升（約0.58% abs）。其核心優(yōu)勢在于大幅降低了金屬-接觸界面的復合損失，使接觸復合不再是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)，但通過柵線設計優(yōu)化等方案可予以彌補。這項工作為TOPCon電池在量產中持續(xù)提效提供了明確且可行的技術路徑。

美能PL/EL一體機測試儀

美能PL/EL一體機測試儀模擬太陽光照射鈣鈦礦太陽能電池片，均勻照亮整個樣品，并用專業(yè)的鏡頭采集光致發(fā)光（PL）信號，獲得PL成像；電致發(fā)光（EL）信號，獲得EL成像。通過圖像算法和軟件對捕獲的PL/EL成像進行處理和分析，并識別出PL/EL缺陷，根據其特征進行分析、分類、歸納等。

• EL/PL成像，500萬像素，實現多種成像精度切換
• 光譜響應范圍：400nm~1200nm
• PL光源：藍光（可定制光源尺寸、波長等)
• 多種缺陷識別分析(麻點、發(fā)暗、邊緣入侵等)可定制缺陷種類

美能PL/EL一體機測試儀對晶硅太陽能電池片內部的缺陷，如晶體缺陷、雜質等，進行高精度檢測從而幫助生產人員及時調整工藝參數，提高產品質量。

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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