可用于大規(guī)模量產(chǎn)的新型雙面銅鍍膜技術(shù), 王璐博士團(tuán)隊(duì)最新WILEY發(fā)文

在光伏行業(yè)中，降低產(chǎn)品的 “碳足跡”至關(guān)重要。銅在碳排放和成本方面優(yōu)于銀，因此用鍍銅觸點(diǎn)替代銀漿觸點(diǎn)是太陽能電池金屬化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。與金屬銀相比，銅具有低排放和低成本的特點(diǎn)，能有效降低碳足跡。

不同金屬產(chǎn)出的溫室氣體排放分配情況

基于不同定義方法的溫室氣體排放在不同產(chǎn)出金屬中的分配

圖中比較了銅和銀在不同分配條件下的碳足跡。結(jié)果顯示，在所有四種分配條件下，銅的碳足跡都小于銀。這表明在光伏產(chǎn)業(yè)中，使用銅作為金屬化材料相比于銀可以更有效地減少碳排放。

太陽能電池結(jié)構(gòu)

具有雙面鎳/銅金屬化的 TOPCon 太陽能電池的示意圖

正面結(jié)構(gòu)紋理化：使用 NaOH 堿性溶液與硅襯底反應(yīng)，形成高度約為 3μm 的均勻金字塔結(jié)構(gòu)。這種紋理化結(jié)構(gòu)可以有效減少光的反射，增加光在電池內(nèi)部的吸收路徑，從而提高光的利用率。鈍化：先沉積 3nm的AlOx 層，再沉積80nm折射率為1.93的SiNx層作為減反射涂層。AlOx 層和 SiNx 層的鈍化作用可以降低硅表面的懸掛鍵，減少表面復(fù)合，提高少數(shù)載流子壽命，進(jìn)而提升電池的開路電壓和轉(zhuǎn)換效率。

金屬化：Cu金屬化層厚度超過5μm，為電池提供良好的導(dǎo)電性，確保光生載流子能夠有效地收集和傳輸?shù)酵獠侩娐?，減少電阻損耗，提高電池的填充因子。

背面結(jié)構(gòu)

隧穿氧化層：沉積 2nm 的超薄隧穿氧化層，該層允許多數(shù)載流子通過的同時(shí)阻礙少數(shù)載流子，有助于提高電池的鈍化效果，減少背面的載流子復(fù)合，從而提升電池的性能。

多晶硅層：制備約85nm的磷摻雜多晶硅，先通過PECVD沉積磷摻雜非晶硅，再退火形成多晶硅，其背面方塊電阻約為50Ω/sq。多晶硅層在電池中起到鈍化和載流子傳輸?shù)淖饔茫軌蜻M(jìn)一步提高電池的轉(zhuǎn)換效率。

鈍化與金屬化：PECVD 沉積82nm折射率為2.18的SiNx層進(jìn)行鈍化，背面介質(zhì)層開口約為16μm，通過光誘導(dǎo)電鍍方式進(jìn)Ni/Cu電鍍。SiNx層的鈍化作用與正面類似，而光誘導(dǎo)電鍍的 Ni/Cu 金屬化則為電池背面提供良好的導(dǎo)電性能，保證載流子的有效收集和傳輸。

激光圖案化工藝

太陽能電池在經(jīng)過激光刻蝕過程后的表面圖像

激光消融寬度：從圖中可以清晰地看到，激光消融區(qū)域呈現(xiàn)出一定的寬度，約為 10μm。這個(gè)寬度對(duì)于太陽能電池的制造來說是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到后續(xù)金屬化過程中電極柵線的寬度。

SiNx 層去除效果：太陽能電池表面的SiNx層被超快激光完美去除，而原始的金字塔結(jié)構(gòu)仍然保留。這表明激光刻蝕過程對(duì)硅基底的損傷很小，有利于后續(xù)的金屬化過程。

通過顯微鏡圖像和SEM圖像展示了激光刻蝕過程對(duì)太陽能電池表面的影響，強(qiáng)調(diào)了激光刻蝕在太陽能電池金屬化過程中的重要性和有效性。

水平雙面電鍍金屬化設(shè)備

低破碎率：與其他電鍍方法相比，HDPLATE 不需要夾持硅片，這一特點(diǎn)使其具有低破碎率的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的夾持方式可能會(huì)對(duì)硅片造成機(jī)械應(yīng)力，導(dǎo)致硅片破碎，而 HDPLATE 避免了這種情況的發(fā)生，提高了生產(chǎn)過程中的成品率，降低了生產(chǎn)成本。良好的導(dǎo)電效果：HDPLATE 具有獨(dú)特的導(dǎo)電裝置，從而具備了優(yōu)秀的導(dǎo)電效果。良好的導(dǎo)電效果可以確保在電鍍過程中電流均勻分布在硅片表面，使金屬鍍層均勻生長(zhǎng)，從而提高電池的一致性和可靠性，同時(shí)也有助于保護(hù)太陽能電池不受損壞。

可回收水系統(tǒng)：設(shè)備配備了可回收水系統(tǒng)，用于回收電鍍?nèi)芤?/strong>，使其能夠連續(xù)循環(huán)使用而無需更換。這一設(shè)計(jì)減少了電鍍?nèi)芤旱南?，降低了生產(chǎn)成本，符合綠色生產(chǎn)的理念。

太陽能電池的制備

制造TOPCon太陽能電池的七個(gè)主要步驟，從表面紋理化到雙面包覆Ni/Cu金屬化和燒結(jié)，每個(gè)步驟都對(duì)電池的性能有重要影響。1、前表面紋理處理2、通過擴(kuò)散形成 P+層3、在背面制備隧道層和多晶硅層4、在前表面鍍覆氧化鋁(AIOx)和氮化硅(SiNx)5、在背面涂覆氮化硅(SiNx)6、激光開槽和高溫修復(fù)(T=750℃，t=30 秒)7、雙面Ni/Cu金屬化和燒結(jié)這個(gè)制備過程中的每個(gè)步驟相互配合、協(xié)同作用，從硅片的初始處理到正面和背面結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，再到最后的金屬化和燒結(jié)，全方位地優(yōu)化了太陽能電池的性能。通過精確控制各層的厚度、濃度、結(jié)構(gòu)等參數(shù)，以及合理安排各工藝步驟，最終實(shí)現(xiàn)了雙面 Ni/Cu 金屬化 TOPCon 太陽能電池的高效光電轉(zhuǎn)換，為大規(guī)模生產(chǎn)高性能太陽能電池提供了可靠的技術(shù)方案。

太陽能電池性能測(cè)試與分析

拉伸測(cè)試

進(jìn)行了拉伸測(cè)試以確保太陽能電池的導(dǎo)電柵線滿足機(jī)械強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，防止在使用過程中發(fā)生斷裂。測(cè)試結(jié)果顯示，采用電鍍工藝的太陽能電池柵線能夠承受超過規(guī)定的0.8 N的力，合格率達(dá)到100%，表明電鍍工藝生產(chǎn)的柵線在機(jī)械強(qiáng)度上是合格的，并且與傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷工藝相比，平均拉伸力更高，顯示了電鍍工藝的可靠性。

Ni/Cu接觸

SEM圖像

通過SEM圖像觀察，Ni/Cu金屬化后的柵線寬度僅為17.6微米，相較于傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷技術(shù)大幅減少。這種細(xì)化的手指結(jié)構(gòu)不僅可以減少遮光區(qū)域，還能降低串聯(lián)電阻，從而顯著提高光電轉(zhuǎn)換效率。

高溫修復(fù)

研究中使用了水平雙面包覆Ni/Cu金屬化工藝，并輔以高溫修復(fù)，以提高太陽能電池的電氣性能。高溫修復(fù)后的太陽能電池效率分布更集中，整體效率比未進(jìn)行高溫修復(fù)的提高了0.422%，表明高溫修復(fù)是一個(gè)必要的工藝步驟。

電氣性能

鎳/銅金屬化的電性能分布

使用I-V測(cè)試設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件為AM1.5G，1000 W/m2，25°C。測(cè)試結(jié)果顯示，采用激光刻蝕和Ni/Cu金屬化的太陽能電池具有出色的電氣性能分布，表明水平雙面包覆Ni/Cu鍍膜技術(shù)的效果優(yōu)秀。

接觸電阻和網(wǎng)格電阻

接觸電阻：Ni/Cu金屬化的接觸電阻為0.71 mΩ·cm2，而Ag/Al絲網(wǎng)印刷的接觸電阻為1.53 mΩ·cm2。這表明Ni/Cu金屬化技術(shù)具有更低的接觸電阻，這意味著在金屬和硅基底之間的電阻較小，有利于提高電流傳輸效率。網(wǎng)格電阻：在網(wǎng)格電阻方面，Ni/Cu金屬化的值為1.75×10?3 mΩ/cm，而Ag/Al絲網(wǎng)印刷的值為5×10?3 mΩ/cm。Ni/Cu金屬化技術(shù)的網(wǎng)格電阻更低，這有助于減少太陽能電池的串聯(lián)電阻，從而提高電池的整體效率。

iVoc的影響

太陽能電池iVoc的影響

太陽能電池經(jīng)過雙面硅氮化物鈍化后，iVoc約為750mV，激光刻蝕和Ni/Cu金屬化后，iVoc降低到約719mV。光電轉(zhuǎn)換效率：Ni/Cu金屬化電池的平均效率為26.259%，而Ag/Al絲網(wǎng)印刷電池的平均效率為26.117%。這表明Ni/Cu金屬化技術(shù)在提高電池效率方面與傳統(tǒng)的Ag/Al絲網(wǎng)印刷技術(shù)相當(dāng)，甚至略有優(yōu)勢(shì)。

開路電壓：Ni/Cu金屬化電池的開路電壓為0.7182 V，而Ag/Al絲網(wǎng)印刷電池的開路電壓為0.7239 V。盡管Ni/Cu金屬化電池的開路電壓略低于Ag/Al絲網(wǎng)印刷電池，但差異不大。

短路電流：Ni/Cu金屬化電池為18.82 A，Ag/Al絲網(wǎng)印刷電池為18.80 A。這表明兩種技術(shù)在收集光生載流子方面表現(xiàn)相似。

填充因子：Ni/Cu金屬化電池的填充因子為85.66%，而Ag/Al絲網(wǎng)印刷電池的填充因子為84.63%。Ni/Cu金屬化電池的填充因子略高，這可能是由于其更低的接觸和網(wǎng)格電阻導(dǎo)致的。

光致發(fā)光（PL）圖像分析

前后表面激光刻蝕前后的光致發(fā)光（PL）圖像

光致發(fā)光（PL）成像原理：PL成像是一種用于評(píng)估半導(dǎo)體材料和太陽能電池內(nèi)部缺陷的技術(shù)。通過測(cè)量從電池表面發(fā)出的光量，可以識(shí)別材料中的重組中心和缺陷。

激光刻蝕對(duì)PL的影響：展示了激光刻蝕前后前后表面的PL圖像灰度值變化。激光刻蝕用于去除表面的SiNx層，以便進(jìn)行金屬化。

前表面PL變化：顯示了激光刻蝕后前表面的PL灰度值明顯下降。這表明激光刻蝕后，前表面的重組活動(dòng)增加，可能是由于激光刻蝕引入的表面損傷或缺陷。

后表面PL變化：顯示了激光刻蝕后后表面的PL灰度值變化較小。這可能表明后表面的多晶硅層對(duì)激光刻蝕有保護(hù)作用，減少了表面損傷。

水平雙面銅金屬化技術(shù)在太陽能電池制造領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。通過對(duì) TOPCon 太陽能電池的研究，我們看到該技術(shù)在提升電池性能方面的顯著優(yōu)勢(shì)，包括提高光電轉(zhuǎn)換效率、降低串聯(lián)電阻、增強(qiáng)電極可靠性等，為太陽能電池的大規(guī)模生產(chǎn)提供了一種新的、有效的金屬化方法。

美能TLM接觸電阻率測(cè)試儀

美能TLM接觸電阻測(cè)試儀所具備接觸電阻率測(cè)試功能，可實(shí)現(xiàn)快速、靈活、精準(zhǔn)檢測(cè)。

• 靜態(tài)測(cè)試重復(fù)性≤1%，動(dòng)態(tài)測(cè)試重復(fù)性≤3%
• 線電阻測(cè)量精度可達(dá)5%或0.1Ω/cm
• 接觸電阻率測(cè)試與線電阻測(cè)試隨意切換

定制多種探測(cè)頭進(jìn)行測(cè)量和分析

隨著太陽能電池技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)金屬化工藝的精確控制和性能評(píng)估變得尤為重要。美能TLM接觸電阻測(cè)試儀作為一種先進(jìn)的測(cè)試工具，為太陽能電池制造商提供了一種高效、準(zhǔn)確的測(cè)量方法，用以評(píng)估金屬化層與硅基底之間的接觸電阻。

原文出處：A Horizontal Double-Sided Copper Metallization Technology Designed for Solar Cell Mass-Production；https://doi.org/10.1002/pip.3863

*特別聲明：「美能光伏」公眾號(hào)所發(fā)布的原創(chuàng)及轉(zhuǎn)載文章，僅用于學(xué)術(shù)分享和傳遞光伏行業(yè)相關(guān)信息。未經(jīng)授權(quán)，不得抄襲、篡改、引用、轉(zhuǎn)載等侵犯本公眾號(hào)相關(guān)權(quán)益的行為。內(nèi)容僅供參考，若有侵權(quán)，請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系我司進(jìn)行刪除。