TOPCon电池热稳定性：激光辅助烧结在层压后出现~0.29%可逆效率损失

激光辅助烧结（LAF）技术（如激光增强接触优化LECO）已广泛应用于隧穿氧化层钝化接触（TOPCon）太阳能电池的大规模生产。虽然LAF可优化金属-半导体接触、提升钝化效果，但业界对其在热过程（特别是组件制造与潜在高温暴露）中的可靠性存疑。本研究旨在建立LAF TOPCon电池的热稳定性边界，并解析其背后的物理机制。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。

激光辅助烧结（LAF）技术可显著提升TOPCon电池效率，但其热稳定性是产业化关注的核心问题。本研究系统性评估了LACon电池在组件制造过程（焊接、层压）中的温度耐受性，以及在450℃极限高温下的性能演变规律。

实验方法

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（a） LAF TOPCon太阳能电池的结构示意图，以及稳定性测试的实验流程图：（b）在焊接和层压过程中的热条件下（c）在高温RTA和LAF循环下

研究采用G10尺寸n型硅衬底制备TOPCon电池，前表面为硼扩散发射极，背面为SiOx隧穿层与磷掺杂多晶硅。前后表面分别采用ALD、AlOx/PECVD、SiNx与PECVD SiNx钝化。电池金属化采用商用银浆与LAF工艺。

热稳定性测试分为两部分：

中等温度测试：模拟组件制造中的焊接（350°C、10秒光浸泡）与层压（150°C、15分钟暗退火）过程，测量电池性能变化。

高温测试：进行450°C RTA（峰值430°C、3秒）与LAF循环，评估接触稳定性。

测试设备包括Sinton I-V测试仪、电致发光（EL）与光致发光（PL）成像系统，用于分析效率参数、复合特性及载流子寿命分布。

结果与讨论

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组件制造过程中的热损失

TOPCon太阳能电池在焊接和层压过程后，单太阳光下（a）PCE、（b）Jsc、（c）Voc和（d）FF值的绝对变化

层压过程导致PCE下降约0.29%，主要源于FF降低（约0.66%）与Voc轻微下降（约1.5 mV）。焊接过程未引起退化，甚至因氢钝化作用使Voc略有上升。这表明层压相关的热应力是引起电池-组件（CTM）损失的主要原因。

中等温度热稳定性分析

TOPCon太阳能电池分别在150°C、180°C和250°C暗退火过程中，单太阳I-V参数的绝对变化

TOPCon太阳能电池在150°C暗退火、光浸泡和暗存储循环下，（a）Voc和（b）pFF值的相对变化

（a）TOPCon太阳能电池在150°C暗退火15分钟前后的开路基态PL图像（b）短路基态PL图像

150°C暗退火导致FF与Voc先下降后逐渐恢复，Jsc保持稳定。FF损失主要源于伪填充因子（pFF）下降，后者与类J02复合增加密切相关。更高温度（180°C、250°C）退火加速退化与恢复过程，表明退化与恢复为竞争机制。

PL成像显示，退化在低注入水平下更为显著，且全区域寿命下降，排除边缘复合为主要原因。短路PL图像表明退化发生在前表面区域，结合J02上升，推断空间电荷区（SCR）复合是主导机制。

暗退火与光浸泡的交互作用

TOPCon太阳能电池在250°C暗退火和/或350°C光浸泡过程后，再经过15分钟150°C暗退火，其单太阳下（a）Voc和（b）pFF值的绝对变化

TOPCon太阳能电池经受150°C/250°C暗退火和350°C光浸泡循环时（a）Voc和（b）pFF值的相对变化

250°C预退火可稳定电池性能，但后续焊接（模拟为350°C光浸泡）会重新激活缺陷，导致层压时再次退化。循环测试表明，光浸泡主要使已钝化的缺陷重新激活，而非产生新缺陷。

值得关注的是，层压后仅需1分钟室温光浸泡即可完全恢复性能，说明野外运行中此类CTM损失可自修复。但在暗存储中仍会出现部分性能衰减，这与紫外诱导退化（UVID）行为相似。

高温RTA引起的接触退化

TOPCon太阳能电池在450°C RTA和LAF循环过程中，单太阳下（a）PCE、（b）Jsc、（c）Voc、（d）FF、（e）Rs和（f）pFF值的绝对变化

样品在初始状态以及经过3步RTA过程后的EL图像

450°C RTA导致FF大幅下降（约21.6%），主要源于串联电阻（Rs）急剧上升。后续LAF处理可恢复接触性能，使FF与PCE回归初始水平。重复RTA循环中，退化程度逐渐减弱，表明接触劣化具有饱和趋势。

EL图像显示RTA后出现暗区，对应接触不良，与I-V结果一致。

热稳定性机制探讨

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SEBL、SELAF和HELAF太阳能电池在150°C暗退火15分钟后，单太阳下（a）PCE、（b）Jsc、（c）Voc和（d）FF值的绝对变化

为LAF TOPCon太阳能电池中退化和再生所提出的三态缺陷模型及转化路径

氢相关退化模型：

研究提出三态缺陷模型（前驱态A、复合激活态B、恢复态C），用于描述缺陷在热与光照下的动态转换。LAF过程可能引入更多氢并改变其分布，氢在发射极区积累可能导致SCR复合，表现为J02上升。高温RTA中氢在金属-硅界面聚集可能增加接触电阻，而LAF处理可驱散界面氢，恢复接触性能。

其他可能机制：

金属沉淀物在高温下扩散并与氢形成复合体，引起性能波动。

接触结构在高温下发生变化：RTA使玻璃料软化，破坏隧穿通道；LAF重建纳米银胶体隧穿路径并增加直接接触点，使后续RTA退化减轻。

本研究系统评估了LAF TOPCon电池在适中与高温下的热稳定性。层压过程引起的CTM损失（约0.29%绝对PCE）主要由空间电荷区J02型复合导致，但可通过短时光照完全恢复，户外运行中影响甚微。高温RTA导致接触劣化，但可通过LAF修复。提出氢主导的三态缺陷模型，解释了缺陷激活、钝化与再激活的动力学。LAF引入的氢重新分布、金属杂质以及接触结构重组均是潜在机制。这些发现为LAF TOPCon电池的可靠性评估与组件制造工艺优化提供了重要依据。

美能PL/EL一体机测试仪

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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：Thermal stability of laser-assisted fired TOPCon solar cells: Crucial insights for module manufacturing, certification testing, and field conditions

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