突破24.3%！铜电极TOPCon：LECO+丝网印刷实现低成本替银

随着TOPCon电池成为主流晶硅电池技术，其正面硼发射极的金属化复合已成为效率提升的主要限制因素，同时双面银浆消耗导致成本居高不下。用更廉价且储量丰富的铜替代银是理想方案，但铜在高温烧结时易扩散进入硅基体，形成复合中心并引发漏电，过去难以实现可靠的丝网印刷烧穿型铜接触。美能TLM接触电阻测试仪是专用于太阳能电池电极优化中关键电学参数提取的高精度分析设备，具备接触电阻率与栅线电阻双重测试功能，为TOPCon电池等高效结构的电极材料优化与工艺改进提供可靠的量化依据。

本研究采用一种特殊的可抑制铜扩散的烧穿型铜浆，并结合LECO（激光增强接触优化）工艺，在n-TOPCon电池背面成功实现了高效率丝网印刷铜接触。通过优化烧结温度（530-535°C）和LECO偏压（17-19 V），铜接触的接触电阻率从300 mΩ·cm²以上降至约10 mΩ·cm²，同时保持了低金属诱导复合（25-45 fA/cm²）。最终制备的铜接触电池最高效率达24.3%，与全银参考电池的绝对效率差距仅0.2%，且经过1000小时高温或湿热测试后性能稳定。该工作为低成本铜金属化替代银提供了可行路径。

实验方法

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铜接触n-TOPCon电池的截面示意图及工艺流程

本研究基于标准工业TOPCon工艺制备电池：

首先，选用n型硅片，经制绒与清洗后形成电池前驱结构。前表面为约300 Ω/□的硼扩散发射极，并采用Al₂O₃/SiNx进行钝化；背面为典型TOPCon结构（SiOx / n⁺ poly-Si / SiNx）。

在金属化工艺中：

正面采用银浆丝网印刷，并在约700 ℃高温烧结形成电极；

背面采用可烧穿铜浆，在500–550 ℃低温烧结，以抑制铜向硅中扩散；

电池整体经历“两步烧结”：先Ag高温烧结，再Cu低温烧结。

随后，对所有电池进行LECO处理，通过调节反向偏压优化接触性能。在表征方面，通过IV测试与EL成像评估电池性能，并结合TLM方法提取接触电阻，同时通过不同金属覆盖率分析金属诱导复合电流密度。

铜接触的烧结温度优化

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不同峰值温度下烧结的铜接触n-TOPCon电池的实测性能及电致发光（EL）图像

烧结温度对铜接触性能具有显著影响：

在较低温度（<520 ℃）下，电池串联电阻较高，EL图像出现大面积暗区，表明接触不良；

随着温度升高至530–535 ℃，接触电阻显著降低（10 mΩ·cm²以下），填充因子与效率同步提升；

当温度进一步升高（>535 ℃）时，铜扩散加剧，导致TOPCon钝化性能退化，表现为Voc与pFF下降。

因此，在接触形成与钝化保持之间存在明显权衡，最佳烧结窗口为530–535 ℃。

LECO工艺优化

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经LECO工艺处理后铜接触n-TOPCon电池的性能参数（反向偏压Vrev：10–21 V）

在最佳烧结温度（530°C）基础上，对LECO参数进行优化：

在低反向电压（如13 V）下，虽然Voc与pFF较高，但串联电阻仍偏大；

随着电压提升至17–19 V，接触电阻明显降低，填充因子达到最优。

当电压进一步升高至21 V时，器件性能反而下降，可能源于铜进一步渗入poly-Si甚至接触至硅基底，引发局部短路或肖特基效应。

TLM测试表明，LECO处理后接触电阻率由约300 mΩ·cm²显著降低至约10 mΩ·cm²，说明其对接触改善具有决定性作用。

铜接触与银接触的性能比较

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（a, b）银接触和铜接触n-TOPCon的金属接触分数与实测J₀₁、VOC的函数关系、（c）接触电阻率

银接触与铜接触n-TOPCon电池的性能对比

通过对比Ag与Cu两种金属体系，可以得到以下结论：

在复合特性方面，Cu接触的金属诱导复合电流密度略低于Ag，表明其在界面复合控制上具有一定优势；但在接触电阻方面，Cu约为Ag的10倍，需要通过增加金属覆盖率进行补偿。

在电池性能上：

Cu接触电池最高效率达到24.3%；

Ag接触电池为24.5%；

二者差距仅约0.2%。同时，两者的Voc与pFF基本一致，说明Cu接触并未显著损伤钝化质量。

采用背面银金属化与铜金属化制备的最佳n-TOPCon电池性能对比

铜接触界面的微观结构分析

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LECO处理前（a）后（b）铜接触n-TOPCon界面的微观结构和成分图像（STEM和EDX）

利用STEM和EDX对LECO处理前后的铜接触界面进行了观察。处理前，玻璃层与多晶硅之间存在较厚且不均匀的SiNx残留，导致接触不良。LECO处理后，多晶硅表面的铜胶体密度显著增加，并在 SiNx 较薄或缺失的区域形成了更多的铜微晶。这些富铜微晶被限制在多晶硅层内，未到达隧道氧化层，因此不会引起钝化退化或分流。LECO产生的局部焦耳热促进了这一结构的形成，从而显著降低了接触电阻。

铜接触的耐久性和稳定性

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（a, b）铜接触n-TOPCon在加速热应力下 Voc 和 pFF的稳定性、（c）铜接触n-TOPCon微型组件的效率稳定性

在可靠性测试中，铜接触TOPCon电池表现出良好的稳定性：

在200°C氮气氛围中干热处理1000小时，Voc与pFF基本保持不变（归一化值分别为 1.004 和 1.005），说明未发生明显的铜扩散或复合劣化。

在85 ℃ / 85%湿热测试中，基于该电池制备的微型组件在1000小时后仍保持接近初始效率，表明其具备良好的组件级可靠性。

本研究成功实现了背面采用丝网印刷烧穿型铜接触、正面采用银接触的 n-TOPCon 电池，最佳效率达到24.3%，与全银参考电池的绝对效率差距仅为0.2%。铜接触表现出略优的金属诱导复合特性，但接触电阻率约为银接触的 10 倍，这是当前效率差距的主要原因。通过优化栅线设计、烧结温度和LECO条件，可以弥补这一差距。铜接触电池及其微型组件在 1000小时的热处理或湿热测试中均表现出优异的稳定性。该技术为降低 TOPCon 电池的银耗量、实现低成本铜金属化提供了可行路径。

美能TLM接触电阻测试仪

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美能TLM接触电阻测试仪所具备接触电阻率测试功能，可实现快速、灵活、精准检测。

静态测试重复性≤1%，动态测试重复性≤3%

线电阻测量精度可达5%或0.1Ω/cm

接触电阻率测试与线电阻测试随意切换

定制多种探测头进行测量和分析

美能TLM接触电阻测试仪通过测量不同间距下传输线模型的总电阻并线性拟合，精准提取接触电阻率。该测试方法在本研究中发挥了关键作用：优化前铜接触电阻率高达300 mΩ·cm²以上，经最佳烧结（530-535°C）和LECO处理后显著降至约10 mΩ·cm²，而银接触更低至约1 mΩ·cm²。TLM测试为优化金属化工艺、降低接触电阻并实现24.3%的铜接触n-TOPCon电池效率提供了重要数据支撑。原文参考：>24% screen printed Cu contacted n-TOPCon solar cells with successful implementation of LECO process

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