等离子体诱导的界面工程技术使得无需银元素的硅异质结太阳能电池能够实现高效发电，同时这些电池还采用了电镀金属化工艺

《Journal of Energy Chemistry》：Plasma-induced interface engineering enables high-efficiency Ag-free silicon heterojunction solar cells with electroplated metallization

通过Ar/H?等离子体处理改善ITO表面特性，解决铜电镀附着力差和接触电阻高的问题，实现银-free异质结太阳能电池高效金属化，效率达25.20%。

　　

王泰强|严宇|李伟|高倩峰|邓洪宇|杨明宇|李中天|陈大明|陈景韶|黄倩|张晓丹|侯国富

天津南开大学光电薄膜器件与技术研究所，中国天津300350

摘要

由于具有高效率和可靠性，晶体硅太阳能电池在光伏市场中占据主导地位。然而，对昂贵银浆的依赖（占非硅材料成本的60%以上）构成了严重的经济限制。虽然铜电镀被视为银浆的有前景的替代方案，但其应用于硅异质结（SHJ）太阳能电池的氧化铟锡（ITO）表面时，仍受到界面粘附性差和接触电阻高的阻碍。本文提出了一种基于Ar/H₂等离子体的界面工程策略，以实现高质量铜在ITO上的沉积。物理溅射（Ar）与氢活性物种（H）之间的协同作用将间隙氢引入ITO晶格并增加氧空位，同时使ITO表面羟基化，从而实现超亲水性。系统的原子尺度和电沉积动力学分析表明，这些表面改性有效促进了镀层金属的均匀成核和稳定生长。结果表明，采用电镀铜进行金属化的概念验证型双面SHJ太阳能电池的效率达到了25.20%，开路电压（V_oc）为742.1 mV，短路电流（J_sc）为40.49 mA/cm²，填充因子（FF）为83.86%。这项工作为银浆提供了一种高效的替代方案，实现了无银、可持续的光伏技术。

引言

向碳中和经济的转型需要部署太瓦级光伏（PV）技术。在各种PV技术中，硅异质结（SHJ）太阳能电池（SCs）因其超过27%的功率转换效率以及与低温制造工艺的兼容性而成为最具竞争力的候选者[1]、[2]、[3]、[4]。然而，SHJ SCs的广泛商业化受到金属化相关挑战的阻碍，尤其是在降低成本和电气性能方面。尽管丝网印刷仍是行业标准技术，但对昂贵低温固化银浆的依赖仍构成重大经济限制。此外，这些浆料存在固有的电气限制，其电阻率可高达2–8 μΩ cm，远超过块状银的1.59 μΩ cm水平[5]、[6]。

预测显示，到2035年，与PV相关的银消耗量可能激增至9.5千吨，约占全球银供应总量的30%[7]、[8]、[9]。对PV行业的经济分析表明，银粉占总浆料成本的88%–91%。因此，银浆的成本已上升至约9.7美元/kW，占电池总成本的27%，甚至更高，占非硅材料成本的52%[10]、[11]。铜电镀是未来最具可行性的金属化解决方案之一，旨在摆脱对银的依赖。铜金属化的成本约为8.3–11.1美元/kW，而银浆的成本可降低4.2–6.9美元/kW[12]、[13]。更重要的是，铜电镀能够实现类似块状材料的电导率，并具有更好的结构稳定性，同时有助于制造高纵横比金属指状结构，这对于分离光学遮挡损失和串联电阻至关重要[14]。Yu等人通过将电镀铜接触集成到SHJ器件上，实现了银的消除和铟的还原[15]。

然而，在电镀铜与氧化铟锡（ITO）薄膜之间建立稳健的电气和机械界面仍面临重大挑战。关键问题包括高接触电阻和较差的机械粘附性，这在大规模生产中尤为突出[16]、[17]、[18]。尽管提出了诸如电镀后退火[19]、种子层沉积[20]和原位电化学还原种子层等缓解策略，但过度的热处理会降低非晶硅层的钝化质量，或不可避免地损害透明导电氧化物（TCO）薄膜的光电性能[21]、[22]、[23]。表面处理方法也存在固有局限性。例如，O₂等离子体处理会降低后续电气接触的质量，纯Ar等离子体和UV-臭氧处理激活效果不足，而湿化学方法精度不高，同时会引入残留物或导致表面不均匀[24]、[25]、[26]。因此，开发一种非破坏性的、与SHJ工艺兼容的界面工程策略至关重要。

在这项工作中，我们开发了一种基于Ar/H₂等离子体的界面工程策略，有效解决了SHJ太阳能电池电镀金属化中的关键问题，从而在不对SHJ前驱体钝化性能造成影响的情况下，在ITO上实现了超高质量铜的沉积。物理溅射和化学掺杂的独特协同作用将间隙氢引入ITO晶格，增加了氧空位浓度，同时使ITO表面羟基化，实现了超亲水性。我们结合了系统的密度泛函理论（DFT）计算、有限元模拟（FEM）和基于Python/OpenCV的成核量化方法，共同证实了等离子体诱导的ITO羟基化和导电性增强增强了Ni²⁺的吸附（E_ads: ?0.753至?2.18 eV），并使电镀过程中的表面电流分布更加均匀。结果，电镀样品的电阻率（ρ_c）低于0.2 mΩ cm²，剥离力从3.80 N/mm增加到9.30 N/mm（增强了约145%）。双面电镀SHJ SCs的转换效率（PCE）达到了25.20%（V_oc = 742.1 mV，J_sc = 40.49 mA/cm²，FF = 83.86%）。这项工作为太阳能电池的低银和无银金属化提供了一条实用且有前景的途径。

Ar/H₂等离子体处理ITO的制备与表征

ITO薄膜是通过物理气相沉积（PVD）在预清洗的玻璃基底上沉积的。在等离子体处理之前，样品依次在丙酮、乙醇和去离子水中进行20分钟的超声清洗，然后在N₂下干燥并空气干燥。等离子体处理是在配备直径为4英寸（面积约81.1 cm²）的圆形射频（RF）电极的等离子体增强化学气相沉积（PECVD）系统中进行的。所施加的RF功率

Ar/H₂等离子体对ITO薄膜表面化学改性的作用机制

利用X射线光电子能谱（XPS）阐明了Ar/H₂等离子体处理对SHJ SCs ITO表面引起的化学改性。如图1(a–c)所示，O 1s光谱被分解为三个特征峰：晶格氧（O_L）位于529.69 eV，空位氧（O_V）位于530.38 eV，表面羟基氧（O_OH）位于约531.63 eV [27]。与原始ITO相比，经过Ar/H₂等离子体处理（80 W，10分钟）的样品显示出

结论

总结来说，我们开发了基于Ar/H₂等离子体的ITO界面工程策略，有效解决了SHJ SCs电镀金属化中的关键问题，包括粘附性差、接触电阻高和稳定性有限等问题，从而在ITO上实现了超高质量铜的沉积。物理溅射与氢活性物种的协同作用将间隙氢引入ITO晶格，增加了氧空位浓度，同时

CRediT作者贡献声明

王泰强：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，软件，方法论，研究，正式分析，数据管理，概念化。严宇：软件，方法论，研究，数据管理。李伟：软件，方法论，正式分析，数据管理。高倩峰：可视化，方法论，数据管理。邓洪宇：可视化，软件，数据管理。杨明宇：软件，正式分析。李中天：资源协调。陈大明：资源协调。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2022YFB4200200）、国家光伏科学与技术重点实验室开放研究基金（PVST251203）、天津市自然科学基金（23JCYBJC01620）、国家自然科学基金（62074084和62274098）、天津市科技项目（24ZXZSSS00120）、“111”项目（B16027）以及南开大学中央高校基本科研业务费（63241573）的支持

王泰强目前是天津南开大学光电薄膜器件与技术研究所的博士候选人。他的研究兴趣集中在开发高效太阳能电池的低成本技术上，包括用于硅异质结（SHJ）和TOPCon器件的先进铜和镍金属化技术。