激光辅助烧结技术提升量产TOPCon太阳电池效率0.58%绝对值

TOPCon太阳能电池凭借其高效率与产线兼容性已成为市场主流，但其量产效率仍受限于金属-硅界面处的载流子复合损失。美能PL/EL一体机测试仪的EL电致发光成像通过探针上电，可以分析电池的缺陷，尤其是电极和接触异常，属于接触式测试，适合测试成品电池片。

本研究引入了激光辅助烧结技术（具体为JSIM工艺）。该技术在传统烧结后增加激光扫描与施加反向偏压的步骤，通过局部焦耳热选择性地优化金属接触。实验表明，JSIM技术将量产电池的转换效率显著提升约0.58%（绝对值），其核心机理是将前/后表面金属诱导复合电流密度从基准工艺的~280/~98 fA/cm²大幅降低至~88/~21 fA/cm²。损失分析与模拟进一步证实，接触复合已不再是主要损耗来源，且通过优化栅线设计等途径，效率仍具备约0.3%（绝对值）的提升潜力。这项工作为突破TOPCon电池量产效率瓶颈提供了明确且已产业化的技术方案。

实验方法

本研究选取 M10 规格（182.2×183.75 mm）、厚度 130 μm、电阻率 1 Ω・cm 的 n 型硅片为基底，分别制备BL 电池与JSIM 电池，具体工艺流程及测试方案如下：

电池制备流程

(a) 基准（BL）电池、烧结后均匀发射极（HE）电池以及JSIM电池的工艺流程图；(b) 本研究中所用采用JSIM工艺的均匀发射极TOPCon太阳电池结构示意图；(c) 本研究中所用基准TOPCon太阳电池结构示意图

基础制绒与掺杂：所有硅片先经清洗制绒形成金字塔表面，再通过硼扩散制备正面 p⁺发射极；BL 电池额外通过激光掺杂形成局部 p⁺⁺选择性发射极（SE），JSIM 电池则采用均匀发射极（HE）结构。

钝化与薄膜沉积：去除硼硅玻璃（BSG）层并完成背面抛光后，利用等离子体氧化与等离子体辅助原位掺杂沉积（POPAID）工艺，在背面制备隧穿 SiOₓ层与多晶硅层，经缓冲氧化物刻蚀（BOE）清洗后，正面依次沉积原子层沉积（ALD）AlOₓ与等离子体增强化学气相沉积（PECVD）SiNₓ钝化层，背面仅沉积 PECVD SiNₓ钝化层。

金属化与烧结：BL电池采用商用铝银正面丝网印刷浆料，经传统单步工业烧结；JSIM 电池使用定制银浆，先经低 30℃的低温烧结，再实施JSIM 工艺：以 1064 nm 波长、50 kHz 频率的激光扫描栅线区域，并施加 17.5 V 反向偏压，利用局域载流子分离与电流产生的高温降低金属 - 硅接触电阻。两种电池采用完全相同的丝网印刷图形。

测试与仿真方案

用于提取金属诱导复合的特殊子电池设计：(a) 正面采用不同接触面积分数的设计；(b) 背面采用与每个正面子电池对应图案相同的栅线设计

基于Quokka 3模拟评估双面接触复合的流程图

为量化金属诱导复合，设计特殊子电池结构：正面设置 8 个栅线间距 0.57~2.86 mm 的子电池以改变接触面积占比，背面采用统一栅线图形。通过Sinton WCT-120测试仪完成 Suns-Voc与寿命测试，结合Quokka 3仿真提取复合参数；同时借助电致发光（EL）设备、冷冻聚焦离子束-扫描电镜（Cryo-FIB-SEM）、能量色散谱（EDS）、传输长度法（TLM）测试系统及四点探针台，分别完成电池电学均匀性、接触区元素分布、接触电阻率与线电阻的表征。

电致发光特性与浆料成分分析

图1a所示的 (a) 烧结后均匀发射极（HE）电池和 (b) 经过JSIM工艺后的HE电池的EL图像

JSIM和基准（BL）样品正面金属接触的横截面EDS分析结果（展示主要元素差异）

EL成像显示，仅经低温烧结的HE电池接触不良，而经过JSIM处理后，接触均匀性大幅改善。横截面EDS分析发现，JSIM使用的定制浆料中，用于促进烧结的玻璃料和铝添加剂含量显著低于BL浆料。这解释了JSIM在预烧后接触较差的原因，但也可能带来复合较低的潜在优势。

电流-电压（I-V）性能

图1a所示的烧结后HE电池、JSIM电池和BL电池的单日光照下PCE、Voc、FF和Jsc值

JSIM电池的平均效率达到25.08%，显著高于BL电池的24.50%。效率提升主要得益于开路电压（Voc）的大幅增加（平均提高约11.7 mV）。短路电流密度（Jsc）的轻微提升可能与BL电池SE区域对蓝光的寄生吸收有关。两者的填充因子（FF）则非常接近。

接触电阻率与线电阻

JSIM电池和BL电池的 (a) 正面与背面接触电阻率及 (b) 正面与背面栅线电阻

电阻测量显示，两种电池的背面接触电阻率和栅线电阻相当。JSIM电池的正面接触电阻率高于BL电池，这主要归因于其缺乏高掺杂的SE区域。然而，得益于定制浆料，JSIM电池的正面栅线电阻反而更低。

寄生复合损耗特性

左：经过相应烧结工艺后，HE和SE前驱体的iVoc；右：具有不同正面接触面积分数的子电池的测量与Voc，用于评估JSIM电池和BL电池的正面与背面金属诱导复合

对前驱体的测量表明，SE激光掺杂工艺本身会引入轻微的体/表面损伤，导致iVoc略低于HE前驱体。更重要的是，通过模拟拟合发现，JSIM电池的正面和背面金属诱导复合电流密度分别仅为BL电池的31%和21%。这巨大的复合优势是JSIM电池Voc显著升高的核心原因，其背后的机理可能与较低的烧结温度及优化的局部接触形成有关。

模拟分析与效率潜力

Millennial Solar

上：瀑布图，显示了BL与JSIM TOPCon太阳电池之间的主要差异对Voc、FF和PCE的影响；中:(a) BL电池和(b) JSIM电池的自由能损失分析；下：(a)正面接触电阻率与接触复合电流密度变化对PCE的影响；(b)正面栅线接触宽度与接触间距变化对PCE的影响

Quokka 3模拟结果与实验数据高度吻合。损失分解表明，在BL电池中，前后接触复合是最大的功率损失源。而在JSIM电池中，接触复合损失大幅降低，体材料和前表面非接触区域的复合成为主要限制。模拟进一步指出，通过优化硅体质量、表面钝化以及正面栅线设计（如减小栅线宽度和优化间距），JSIM电池效率有望轻松突破25.5%。

本研究证实，激光辅助烧结（JSIM）技术可成功应用于TOPCon太阳电池的大规模生产，并带来显著的效率提升（约0.58% abs）。其核心优势在于大幅降低了金属-接触界面的复合损失，使接触复合不再是TOPCon电池的主要瓶颈。尽管因使用均匀发射极而面临较高的接触电阻率挑战，但通过栅线设计优化等方案可予以弥补。这项工作为TOPCon电池在量产中持续提效提供了明确且可行的技术路径。

美能PL/EL一体机测试仪

美能PL/EL一体机测试仪模拟太阳光照射钙钛矿太阳能电池片，均匀照亮整个样品，并用专业的镜头采集光致发光（PL）信号，获得PL成像；电致发光（EL）信号，获得EL成像。通过图像算法和软件对捕获的PL/EL成像进行处理和分析，并识别出PL/EL缺陷，根据其特征进行分析、分类、归纳等。

• EL/PL成像，500万像素，实现多种成像精度切换
• 光谱响应范围：400nm~1200nm
• PL光源：蓝光（可定制光源尺寸、波长等)
• 多种缺陷识别分析(麻点、发暗、边缘入侵等)可定制缺陷种类

美能PL/EL一体机测试仪对晶硅太阳能电池片内部的缺陷，如晶体缺陷、杂质等，进行高精度检测从而帮助生产人员及时调整工艺参数，提高产品质量。

原文参考：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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