银耗锐减93%，铜电镀革新TOPCon电池迈向1mg/W新时代

光伏产业发展迅速，面临银等关键资源长期可用性的挑战，2022年全球光伏产业消耗了约 13%的全球年度银产量。铜和铝是替代银的有潜力材料，其中铜在导电性方面与银接近，但在高温电池概念（如 TOPCon）中应用铜基金属化存在技术挑战，如铜在硅中的扩散、氧化、交叉污染以及电极的长期可靠性等问题。丝网印刷铜浆料用于TOPCon 电池的金属化

具有丝网印刷铜背侧栅格的iTOPCon 电池结构示意图

iTOPCon太阳能电池结构：包括n型硅基底、隧道氧化层、钝化层以及金属化层等关键部分。

铜背面网格：使用了丝网印刷的铜浆料来形成背面的金属网格，这种设计旨在替代传统的银基金属化，以降低银的使用量并提高电池的可持续性。合理的网格设计可以有效降低电池的串联电阻，提高光电转换效率。

实验1的流程图

组1：使用标准的正面银铝（AgAl）浆料进行金属化，背面高温烧结铜浆料进行丝网印刷。背面的网格布局包括5根主栅线（宽度为100μm）和160根指栅线（宽度为80μm）。

组2：正面和背面均使用商业化的银浆料进行金属化。正面网格布局与组1相同，背面为无主栅线布局，包含194根指栅线（宽度为24μm）和12根伪主栅线（宽度为60μm）。

铜浆的丝网印刷

丝网印刷铜浆料的过程：这是实验中用于TOPCon太阳能电池背面金属化的一个重要步骤，其中铜浆料通过丝网印刷的方式被应用到太阳能电池上。

太阳能电池的铜网格布局：图中展示了使用丝网印刷技术在TOPCon太阳能电池上形成的铜网格布局。这个网格布局是太阳能电池金属化设计的一部分，对于电池的导电性和效率有直接影响。实验1的实验结果

铜浆料丝网印刷后的TOPCon电池共聚焦激光扫描显微镜图像

通过显微镜测量成像，清晰地显示了铜浆料指条的宽度。经过丝网印刷和烧结后，指条的宽度约为130-150μm。铜浆料指条的高度，范围在20-25μm之间。

图中指条的阴影效应表明其在电池背面形成了明显的金属化图案。这种阴影效应对于电池的光电转换效率有双重影响：一方面，金属化图案会遮挡部分入射光，减少光生载流子的产生；另一方面，合理的金属化图案可以有效收集和传输光生载流子，降低载流子的复合损失。

两组电池I-V测试结果对比

两组电池的湿银浆料沉积量数据

开路电压（Voc）：实验组的平均Voc比对照组低约45毫伏，这可能是由于背面铜浆料在烧结过程中对TOPCon钝化层造成了一定程度的损伤，导致了载流子复合损失增加。

短路电流密度（Jsc）：实验组的Jsc略低于对照组，这与Voc的降低有关，可能是由于载流子复合损失增加导致光生载流子数量减少。

填充因子（FF）：实验组的FF比对照组低约1.2%，这表明实验组电池存在一定的串联电阻损失。

电池效率：组1最佳电池的效率达到了21.6%，平均效率为20.9%；组2最佳电池的效率为23.5%，平均效率为23.3%。

实验组的银浆料湿重减少了约65mg，相当于每片电池的银耗降低了约62%。与对照组相比，实验组的银耗从约17mg/W降低到了约7mg/W。电镀铜金属化制备大尺寸TOPCon太阳能电池

采用电镀镍、铜和银金属化工艺的iTOPCon太阳能电池结构

激光接触开孔（LCO）：使用皮秒脉冲激光在电池的正面和背面钝化层上局部开孔，形成窄的指状开口，以便后续金属化。正面的指状开口宽度为5μm，背面为10μm。

电镀金属化：在LCO后的电池上，通过电镀工艺依次沉积镍扩散阻挡层、铜导电层和银覆盖层。镍层作为扩散阻挡层，防止铜扩散到硅中；铜层提供主要的导电功能；银层则用于防止铜氧化并提高导电性。

网格布局：正面有194根指状线和12根伪主栅线（宽度为20μm），背面有235根指状线和12根伪主栅线（宽度为50μm）。这种布局有助于优化电池的电流收集和传输效率。

电镀生产线

实验2的流程图

通过示意图展示了从电池基底到金属化完成的整个工艺流程，包括钝化层沉积、激光开孔和电镀金属化等关键步骤。这有助于理解电镀Ni/Cu/Ag金属化工艺在iTOPCon太阳能电池中的应用方式和实现过程。组1（电镀Ni/Cu/Ag金属化）：

激光接触开孔（LCO）：使用皮秒脉冲激光在电池的正面和背面钝化层上局部开孔，形成窄的指状开口，以便后续金属化。正面的指状开口宽度为5μm，背面为10μm。

电镀金属化：在LCO后的电池上，通过RENA InCellPlate电镀生产线依次沉积镍扩散阻挡层、铜导电层和银覆盖层。镍层防止铜扩散到硅中，铜层提供主要的导电功能，银层则用于防止铜氧化并提高导电性。

组2（丝网印刷银浆料金属化）：

正面金属化：使用先进的AgAl丝网印刷浆料在正面进行无主栅线网格印刷，包含154根指状线，指状线宽度为24μm。

背面金属化：使用银浆料在背面进行网格印刷，包含198根指状线，指状线宽度为24μm。实验2的实验结果

两组最佳电池的I-V测量结果

两组电池的银消耗估计值

首次成功制备了 M10 大尺寸 TOPCon 太阳能电池，电镀组和丝网印刷参考组的最佳电池效率均为 24.0%，电镀组填充因子略高，丝网印刷组开路电压略高。

电镀组每片电池仅沉积 9mg 银作为覆盖层，银消耗降至约 1mg/W，相比丝网印刷参考组（约 15mg/W）减少约 93%，若用锡等替代银覆盖层，可完全避免银的使用。

电镀镍、铜和银（Ni/Cu/Ag）金属化工艺不仅成功地将银耗降低到约1mg/W，相比传统丝网印刷工艺减少了约93%，而且在保持电池光电转换效率稳定在24.0%，展现了其在降低生产成本和提高光伏产业可持续性方面的巨大潜力。美能3D共聚焦显微镜

美能3D共聚焦显微镜ME-PT3000，运用尖端的光学技术，可以非常精确地测量光伏电池片上的陡峭斜面和复杂的表面结构，实时提供详尽的高度和宽度分布数据。

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全自动光栅绒面测量，快速生成数据

电镀Ni/Cu/Ag金属化工艺的成功应用，结合美能3D共聚焦显微镜的先进分析手段，为光伏产业的可持续发展注入了新的动力，也为相关技术的深入研究和产业化应用提供了有力的支持。

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

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