通过背面处理技术优化形貌，实现24.78%转换效率的n-TOPCon太阳能电池

在“双碳”目标驱动下，n-TOPCon晶体硅太阳能电池因其优异的钝化接触结构而成为研究焦点。但其效率受背面形貌影响显著：背面抛光虽能提升长波长光利用率以提高开路电压（Vₒc），却会减小金属接触面积导致填充因子（FF）下降，酸刻蚀等工艺也存在接触性能或 Vₒc 短板，且不同背面形貌对电池钝化、接触及电性能的调控机制尚不明确。美能QE 量子效率测试仪可用于精确测量太阳电池的EQE与光谱响应，帮助优化界面工程和背接触设计，从而提升电池的量子效率和整体性能。

本研究采用酸刻蚀（E）、酸刻蚀+ 微织构（EM）、碱抛光（P）、碱抛光 + 微织构（PM）四种工艺，探究背面形貌的影响，结果显示PM2工艺可在维持高Vₒc 的同时将FF提升至 84.24%，效率达 24.78%，为制造高效率、低银耗的n-TOPCon电池提供了明确且可行的技术路径。

实验方法

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(a) n-TOPCon太阳电池结构示意图；(b) 织构处理后硅片背面的微观形貌；(c) 织构处理后硅片截面的微观形貌

化学清洗工艺核心参数（体积比 %）

不同背面形貌硅片的质量损失与表面积比

电池制备：选用n型CZ硅片（182 × 182 × 0.14 mm33，电阻率0.8 Ω/cm22），双面碱织构形成随机金字塔（高1.3 ± 0.2 μm）。进行硼扩散形成p++层（方阻137.4 Ω/sq），去除BSG后，分组进行酸蚀刻或碱抛光处理。随后采用PECVD沉积a-Si（n）/SiOx堆叠，经850°C退火形成150 nm poly-Si(n)层。正面沉积20 nm Al2O3与110 nm SiNx作为钝化与减反射层，最后丝网印刷并共烧完成电池制备。

背面处理分组：E组：酸蚀刻，控制反射率36.0%；P1–P3组：碱抛光，金字塔底边长分别为6 μm、11 μm、16 μm；EM组：酸蚀刻+微织构，反射率29.0%；PM1–PM3组：基于P2进行微织构，反射率分别为39.2%、36.1%、33.0%。

背面形貌与光学性能

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（a-d）酸刻蚀/碱抛光预处理后硅片背面的 3D 形貌；(e-h) 硅片背面微观形貌的光学显微镜图；(i-l) 酸刻蚀/碱抛光+微织构预处理后硅片背面的微观形貌

碱抛光+微织构预处理后硅片背面的二次电子像

双面对称样品的反射率

形貌特征：酸蚀刻（E）表面呈现圆晶颗粒与盆状凹坑；碱抛光（P）使金字塔结构趋于平坦、底边扩大；微织构处理（EM, PM）则在上述基础上，引入了密集的微小金字塔结构（底边约0.8 μm）。

反射率：微织构处理显著降低了背面反射率，尤其在长波段（>900 nm）。例如，PM3组的反射率最低（26.8%），表明微结构有效增强了光捕获能力。

隧穿氧化层与掺杂特性

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(a) 隧道氧化层厚度；(b) 各组样品的背面方块电阻（Rₛₕₑₑₜ）分布

氧化层厚度：酸蚀刻组（E）的隧穿氧化层厚度为1.20 nm，微织构使其减薄21%至0.90 nm（EM）。碱抛光则使氧化层增厚（P3组达1.80 nm），而后续的微织构又能将其重新减薄（PM3为1.20 nm）。

方阻与掺杂：氧化层厚度与背面方阻（RsheetRsheet）变化趋势一致。薄氧化层有利于磷掺杂原子的活化与扩散，从而降低方阻。ECV测试证实，微织构引入的粗糙度会降低掺杂峰值浓度。

接触性能与金属诱导复合

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发射极的电化学电容电压曲线：(a) 测试所得曲线；(b) 经表面积比拟合所得曲线

不同背面形貌对应的 (a) 比接触电阻率与 (b) 金属诱导复合电流密度

ECV曲线关键位置磷浓度（atoms・cm⁻³）

接触电阻（ρc）：具有微织构的EM组接触性能最佳（ρc=0.33 mΩ⋅cm2）。碱抛光组接触电阻较高，且随抛光程度加剧而上升（P3组为1.61 mΩ⋅cm2），但微织构处理可显著改善此问题。

金属诱导复合（J0,metal）：接触电阻与金属诱导复合电流密度呈反比关系。接触最好的EM组J0,metal最高（78.5 fA/cm²），表明粗糙表面在提升载流子传输的同时，也可能引入更多复合中心。

电池电性能参数

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各组样品的箱线图：(a) 开路电压；(b) 短路电流密度；(c) 填充因子；(d) 效率

不同背面形貌 n-TOPCon电池关键电性能参数

EM组：微织构带来最佳的接触性能（最高FF），但过薄的氧化层和增加的表面复合使其Vₒc和Jsc受损，效率提升有限。

P组：碱抛光提供了平整的表面，有效抑制界面缺陷，从而获得高Vₒc和Jsc，但较差的接触导致FF偏低。P2组取得了最佳平衡，效率为24.73%。

PM组：在抛光基础上进行微织构，成功地在较高Vₒc和Jsc水平上提升了FF。PM2组实现了最高的转换效率24.78%，凸显了协同优化的优势。

电流损失分析

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(a) 外量子效率（实线）与光学反射率（虚线）；(b) 不同背面形貌n-TOPCon太阳电池的电流损失分析

不同背面形貌对应的开路电压、填充因子与效率对比

EQE与电流损失分析表明，在长波段（>750 nm），碱抛光处理的背面形貌具有显著优势。P3组的前表面逃逸损失和近红外寄生吸收损失最低，这主要归因于其优异的背面钝化性能和优化的光管理能力。

机理讨论与结论

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背面形貌通过以下多种机制综合影响电池性能：

接触面积：改变金属栅线与硅片的实际接触面积。

隧穿机制：影响隧穿氧化层的厚度与均匀性，从而改变载流子输运机制。

掺杂与复合：影响磷原子的掺杂浓度与分布，并改变表面缺陷态和悬挂键密度，进而调控载流子复合。

冶金学接触：影响银浆烧结过程中的峰值温度、银晶粒的形成及欧姆接触质量。

本研究通过系统比较不同背面处理工艺，明确了n-TOPCon电池性能优化的关键路径。结果表明，背面形貌通过调控隧穿氧化层厚度（EM组低至0.9 nm）与接触特性（ρc最低0达0.33 mΩ·cm²），深刻影响钝化与接触的平衡。单纯酸蚀刻与微织构虽改善接触，却因复合增加导致Voc降至701.5 mV；而单纯碱抛光虽将Voc提升至710.2 mV，却因接触不良限制FF。最终，“碱抛光+微织构”的协同方案（PM2组）在保持高Voc（706.1 mV）的同时，将FF提升至84.24%，实现了24.78%的最高效率，为解决钝化与接触的矛盾、推动高效n-TOPCon电池量产提供了明确可行的技术方向。

美能QE量子效率测试仪

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美能QE量子效率测试仪可以用来测量太阳能电池的光谱响应，并通过其量子效率来诊断太阳能电池存在的光谱响应偏低区域问题。它具有普遍的兼容性、广阔的光谱测量范围、测试的准确性和可追溯性等优势。

兼容所有太阳能电池类型，满足多种测试需求

光谱范围可达300-2500nm，并提供特殊化定制

氙灯+卤素灯双光源结构，保证光源稳定性

美能QE量子效率测试仪通过对n-TOPCon太阳电池的外量子效率（EQE）及光谱响应精准测量与分析，为不同背面形貌（酸刻蚀、碱抛光、微织构等）对电池长波长光吸收、电流损失及效率调控机制的研究提供关键数据支撑，显著提高了n-TOPCon电池背面结构优化设计的精准度与高效低银耗量产方案开发的效率。

原文参考：Research on electrical properties and mechanism of n-TOPCon solar cells with different rear surface morphologies

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