多主栅 TOPCon 太阳能电池边缘隔离技术的前景与理论研究

《Solar Energy Materials and Solar Cells》：Prospects and theoretical investigation of edge isolation technology in multi-cut TOPCon solar cells

　　

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  三维模型揭示了多切分 TOPCon 电池中的边缘复合机制。
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  切边复合导致四分之一电池效率损失高达 1.02%。
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  LAEI 优化使 quarter-I 电池获得 0.80% 的绝对效率增益。
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  LAEI 和边缘钝化协同增强组件功率输出。
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  边缘隔离放宽了工业应用中的钝化要求。

引言

光伏发电 (PV) 是当前绿色能源的主要方式，晶体硅 (c-Si) 太阳能电池占据约 98% 的市场份额 [1], [2]。在 c-Si 电池的技术演进中，隧穿氧化层钝化接触 (TOPCon) 技术凭借其优异的表面钝化和载流子选择性传输特性，已成为行业的主流路线 [3], [4], [5], [6]。各种方法，包括优化的钝化工艺 [7], [8], [9]，高精度钢版印刷 [10], [11], [12]，多层多晶硅设计 [13], [14]，碳/氮掺杂多晶硅 [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21]，高方阻硼发射极 [22]，改进的金属浆料性能 [23], [24], [25]，以及激光增强接触优化 (LECO) 技术 [22], [26], [27]，推动了 TOPCon 电池效率的持续突破。目前，双面对称接触和背接触 TOPCon 电池的效率分别达到了 26.66% [7] 和 27.03% [28]。在电池级别实现进一步的效率增益正变得越来越困难。

或者，组件级别的技术创新提供了更高的功率增益潜力 [29]。在这些创新中，多切分电池组件技术是最具代表性的解决方案。它涉及将大尺寸电池切割成多个较小的电池，以减少组件内部的电阻损耗并增加输出功率。例如，半电池组件技术已被广泛采用，以减少组件级电阻损耗并提高组件功率输出 [30], [31], [32], [33]。随着生产电池尺寸的增大和对高功率组件需求的增长，行业目前正在探索生产更高阶的切分电池组件。其目标是进一步减少内部损耗并增加组件功率输出，使得四分之一电池组件成为未来研究的重点。

然而，在切割过程中，切边处的复合导致了显著的效率损失。尽管热激光分离 (TLS) 技术被广泛用于最大限度地减少切割引起的损伤，但暴露的侧边仍然存在，并成为载流子的强复合中心 [34], [35]。由于周长 - 面积比 (P/A) 更大，四分之一电池在切割后的效率损失更为严重 [36]。因此，与半电池组件相比，四分之一切分组件所实现的功率增益需要进一步评估。为了解决切边复合损失的问题，学术界和工业界都进行了广泛的研究。当前的主流解决方案是边缘钝化 [30], [31], [34], [37], [38]。最具代表性的方法是利用原子层沉积 (ALD) 设备在低温下沉积氧化铝 (AlO_x) 薄膜 [30], [39]。该技术通过化学钝化和场效应钝化机制有效抑制了边缘复合。研究表明，采用 AlO_x 边缘钝化可使主流半电池组件 (210N, 66 版型组件) 的功率输出提升 5-6 W，相当于相对效率提高了 0.8%–0.9% [40]。尽管钝化效果优异，但 ALD 边缘钝化技术的实际工业应用仍面临许多挑战。以下问题显著延长了其投资回收期 [41], [42], [43], [44]：包括设备昂贵，日运营成本高，沉积温度高 (与镀铜和银镀铜金属化兼容有限)，严重的包裹效应，高破损率以及设备占地面积大等。

最近，激光辅助边缘隔离 (LAEI) 技术的出现为抑制边缘复合提供了一种新的解决方案。通过将激光烧蚀和湿法蚀刻结合在前端工艺中，LAEI 去除了电池分割指定区域的 pn 结 [31]。这种方法消除了空间电荷区 (S_SCR) 中的复合，该区域占边缘复合的最大比例 [45], [46]，从而提高了半电池的效率。先前的研究表明，LAEI 技术可以使 TOPCon 电池切边的绝对效率提高超过 0.21%，并使组件功率提升超过 3 W (M10, 54 版型组件) [31]。目前，行业主要关注以下几个问题：1) LAEI 技术对半切分和四分之一切分电池的效率提升潜力不明确；2) 边缘隔离和边缘钝化协同组合的潜在优势；以及 3) 缺乏对边缘隔离背后物理机制的全面研究。

为解决这些问题，本工作利用 Quokka3 仿真软件建立了多切分 n 型 TOPCon 电池的三维模型。切边处的复合损失被量化为具有特定复合参数的边界条件。通过这些仿真，我们系统地研究了 LAEI 和边缘钝化对半切分和四分之一切分 TOPCon 电池的影响。结果显示，边缘复合是限制多切分电池性能优势的关键因素，而有效的边缘隔离和钝化可以恢复这些架构的潜在收益。此外，LAEI 和边缘钝化的组合通过抑制不同的边缘复合途径并降低对钝化质量的依赖性，提供了一种更稳健的方法。最后，阐明了不同边缘处理策略下切边处载流子复合和传输的物理机制。本研究提出的系统仿真和机制分析为优化边缘处理策略和促进多切分电池架构的进一步发展提供了理论见解。

章节摘要

仿真细节

本研究使用 Quokka3 (版本 2.6.0) 作为仿真软件。为了准确评估切边复合的影响，基于实际电池架构建立了一个尺寸为 1.02 × 1.08 cm² 的三维 TOPCon 电池模型。关键模型参数列于表 1 中。基于减反射层设置和电池厚度的光学模型是使用 OPAL2 生成的。对于边缘复合的参数设置，我们参考了 Fell 等人的工作 [45], [46]，该

切分电池的效率损失

图 1(a) 清晰地说明了全尺寸 TOPCon 电池分割为半切分和四分之一切分电池的过程。如图所示，两个半电池是相同的，每个包含一个切边。相比之下，四分之一电池是不对称的；包含单个切边的电池被定义为 quarter-O，而包含两个切边的电池被定义为 quarter-I。沿平行于主栅条方向的截面示意图如图 1(b–d) 所示。在全尺寸电池中，两侧边缘都被覆盖

结论

在本工作中，建立了基于 Quokka3 的综合三维仿真框架，以系统研究多切分 TOPCon 太阳能电池中的边缘复合损失和缓解策略。结果显示，在没有边缘处理的情况下，增加的 P/A 比会严重降低高阶电池的性能，其中 quarter-I 电池表现出 1.02% 的绝对效率损失。证明 LAEI 通过去除 S_SCR 区域有效抑制了复合，从而

CRediT 作者贡献声明

Wenli Yan: 撰写 – 初稿，可视化，验证，软件，方法论，形式分析，数据管理，概念化。 Zunke Liu: 撰写 – 审阅与编辑，监督，形式分析，数据管理，概念化。 Xukai Zhao: 验证，方法论，调查，形式分析。 Xiaowei Liu: 监督，资源，项目管理。 Hongping Jiang: 监督，形式分析。 Biao Wu: 方法论，调查。 Zhenhai Yang: 监督，软件。 Yihui

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本论文报道工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢 Andreas Fell 博士在模型设置方面的指导。

本研究受浙江省自然科学基金 (中国) (资助号 LQN26F040010)、浙江省博士后择优资助项目 (ZJ2026110)、中国博士后科学基金会 (GZB20250140)、国家自然科学基金 (62474178)、浙江省重点研发计划 (2024C01055, 2021C01006) 和重点研发

Wenli Yan|Zunke Liu|Xukai Zhao|Xiaowei Liu|Hongping Jiang|Biao Wu|Zhenhai Yang|Yihui Xie|Lina Ye|Hongwei Kang|Wen Lei|Chenpeng Han|Huan Pu|Yueyue Wu|Mingdun Liao|Wei Liu|Yuheng Zeng|Jichun Ye