基于数值模拟的LECO技术增强工业TOPCon太阳电池发射极接触钝化的机理研究

《Progress in Photovoltaics: Research and Applications》：Simulation Insights Into Enhanced Emitter Contact Passivation via LECO on Industrial TOPCon Solar Cells

　　

近期，工业隧穿氧化层钝化接触（TOPCon）太阳电池的研究进展表明，激光增强接触优化（LECO）技术可显著降低发射极接触复合电流密度（J0e,metal），从而实现电池效率的大幅提升。然而，该抑制效应的物理机制尚未得到充分解析。本研究采用先进数值模拟，系统揭示了烧结条件、LECO处理与掺杂动力学之间的相互作用。工艺模拟结果显示，典型烧结步骤后硼掺杂分布几乎无偏移，排除了热再分布对J0e,metal抑制的贡献。相反，较低的峰值烧结温度可促进形成局域、非连续的接触形貌。在基准效率为25.5%的TOPCon太阳电池中，该部分金属接触比例被量化为37.27%，与复合损失的降低直接相关。为降低接触电阻率（ρc），LECO通过形成优异的银/硅（Ag/Si）接触，对欠烧结接触进行了互补性修复。基于上述发现，研究人员提出了一种双重优化策略：（1）通过选择性发射极（SE）技术实施掺杂工程，在最小化ρc的同时最大化接触钝化；（2）通过调控烧结参数、银浆组分、LECO能量密度等降低部分金属接触比例，目标是在不影响ρc的前提下将比例降至1%。实施该策略后，模拟电池效率从25.5%提升至26.07%，为工业TOPCon优化提供了可操作的指导。该策略同时提出了抑制J0e,metal的替代路径，为推动传统TOPCon太阳电池效率提升、使其与更先进的双面及背接触太阳电池竞争提供了可行途径。

在工业n型晶体硅太阳电池技术迭代中，隧穿氧化层钝化接触（TOPCon）凭借背面多晶硅/氧化硅叠层结构带来的优异载流子选择性与低复合特性，已取代钝化发射极及背面电池（PERC）成为主流高效技术。然而，正面硼掺杂p⁺发射极与金属电极的接触区域仍是制约效率进一步提升的核心瓶颈——该区域的金属诱导复合损失严重，且与接触电阻率（ρ_c）存在显著的权衡关系。近年来，激光增强接触优化（LECO）技术在产业化中逐步推广，研究表明其可通过施加高强度激光脉冲与反向偏压，修复欠烧结电池并拓宽工艺窗口，甚至可将开路电压提升21 mV、效率提升0.6%。尽管实验已观测到LECO处理后发射极接触复合电流密度（J_0e,metal）可低至88 fA/cm2，但学术界对其微观抑制机制仍缺乏系统性认知，这限制了该技术的进一步优化潜力。为此，研究人员开展了一项结合实验表征与数值模拟的综合性研究，旨在阐明LECO抑制金属诱导复合的物理本质，并提出可落地的效率提升方案，相关成果发表于《Progress in Photovoltaics: Research and Applications》。

为实现上述目标，研究人员采用了三个关键技术方法：首先，基于Sentaurus TCAD工具包构建二维对称少子寿命结构与全尺寸TOPCon电池模型，集成Shockley-Read-Hall复合、俄歇复合及光子循环效应，并通过准稳态光电导（QSSPC）测试数据校准模型参数；其次，开发双高斯（DG）拟合方法精确描述工业硼掺杂分布，涵盖结深0.3~1.6 μm、方阻40~300 Ω/□的10种典型剖面；最后，提出有效发射极接触复合电流密度（J_0e,metal,eff）与部分金属接触比例（f_pmc）的解耦模型，量化接触几何形貌对电学性能的影响权重。

3.1 J_0e,metal抑制的根本原因

研究人员首先对烧结过程中的硼热扩散进行模拟，结果表明典型烧结曲线（峰值温度740°C）几乎不改变硼掺杂分布，排除了热再分布机制。通过将模拟结果与文献实验数据对标，发现实测J_0e,metal实为加权平均值J_0e,metal,eff，而非理想全接触下的本征值J_0e,metal,int（计算值为735.4 fA/cm2）。进一步分析证实，低温烧结降低了玻璃熔体对钝化层的腐蚀性，配合LECO诱导的局域高温形成碗状Ag/Si纳米合金，减少了实际接触面积，使基准电池的f_pmc降至37.27%，从而显著降低了有效复合电流。

3.2 掺杂工程

研究人员系统研究了硼掺杂剖面对方阻（R_sh）及J_0e,metal,int的影响规律。结果显示，在恒定R_sh下，J_0e,metal,int随结深增加呈先升后稳趋势；而在恒定结深下，J_0e,metal,int随R_sh降低而单调下降。基于此，研究引入选择性发射极（SE）设计，在金属接触下方采用重掺杂（R_sh,SE=10~100 Ω/□），其余区域保持轻掺杂（165 Ω/□）。模拟表明，当R_sh,SE=30 Ω/□时，电池效率达到25.91%，较基准电池提升0.41%，同时开路电压提升至729.16 mV。

3.3 部分金属接触比例降低

研究人员量化了f_pmc对电池性能的权衡效应。当采用实验级本征接触电阻率（ρ_c,int=0.339 mΩ·cm2）时，效率随f_pmc降低而提升，但在低于14%时因填充因子（FF）骤降而恶化；若采用理论级低ρ_c,int（1.06×10?2 mΩ·cm2），效率则可持续提升至f_pmc=3%时的峰值26.02%，此时FF保持稳定，增益完全来源于开路电压的提升。这表明通过优化烧结与LECO参数降低f_pmc具有明确的理论上限。

3.4 TOPCon的双重优化策略

结合掺杂工程与f_pmc降低的协同效应，研究人员构建了综合优化路线图。结果表明，在f_pmc=1%且采用R_sh,SE=117 Ω/□的工业兼容硼剖面时，模拟效率达到26.07%的峰值，此时J_0e,metal,eff降至20 fA/cm2，已接近钝化发射极区域的复合水平（6 fA/cm2）。虽然更高R_sh,SE可进一步降低J_0e,metal,eff至12 fA/cm2，但会导致ρ_c,eff急剧上升，需在两者间进行折衷。

讨论与结论

研究最终证实，LECO降低J_0e,metal,eff的核心机制并非硼再分布，而是低温烧结与激光处理共同形成的局域化接触形貌。双重优化策略通过选择性发射极降低本征复合，通过工艺调控降低部分金属接触比例，突破了单一优化的瓶颈。值得注意的是，当接触复合被充分抑制后，表面钝化质量将成为新的效率限制因素。该研究不仅为工业TOPCon电池跨越26%效率门槛提供了具体技术路径，也为传统光伏技术的升级提供了替代思路，使其在与下一代双面及背接触电池的竞争中保持优势。