综述：用于高效晶体硅太阳能电池的先进激光技术

《Nano-Micro Letters》：Advanced Laser Technologies for Efficient Crystalline Silicon Solar Cells

　　摘要：激光加工已成为制造高效晶体硅（c-Si）太阳能电池的关键技术。本文系统地探讨了激光技术在光伏行业中的基本原理和应用。首先分析了激光参数对激光-材料相互作用机制的关键影响，这些机制最终决定了加工质量和热损伤的程度。简要的历史回顾追踪了激光应用从早期实验室研究到大规模晶体硅太阳能电池生产的演变过程。本文的核心部分详细讨论了具体的应用领域：利用激光热效应进行掺杂、氧化和结晶；使用激光进行图案化以创建选择性发射极、打开钝化层和定义复杂结构；以及激光在先进金属化技术中的革命性作用，特别是激光图案转移印刷和激光辅助烧结。最后，本文概述了未来的发展趋势，强调了超快激光的潜力、它们与新型串联电池概念的集成，以及智能多功能工作站的出现，这些都有助于提高c-Si太阳能电池的效率和成本效益。

第一章 引言
近几十年来，c-Si太阳能电池经历了显著的发展，从基本结构发展成为高效设备[1,2,3]。最初，大规模生产的晶体硅太阳能电池是铝背表面场（Al-BSF）电池，效率约为20%[4,5,6,7]。随后，生产技术的进步使得钝化发射极和背电池（PERC）技术取代了Al-BSF成为主流技术[8, 9]。然而，由于扩散-发射极区域的复合损失，PERC结构的效率潜力仍然受到限制，导致载流子收集概率降低[10, 11]。目前，随着对更高效率的追求，出现了隧道氧化物钝化接触（TOPCon）和异质结（HJT）电池等先进结构，其效率分别超过了26.4%和27.0%[12, 13]。基于这两种钝化接触结构制造的背接触（BC）太阳能电池被认为最接近晶体硅太阳能电池的理论极限效率[14, 15]。尽管如此，进一步提高高效太阳能电池的效率现在越来越依赖于在微观和纳米级别上精确控制电池结构。掺杂剖面、层厚度和表面钝化的微小调整会对电池内的载流子传输、光吸收和复合过程产生深远影响[2, 3]。这就是激光技术发挥作用的地方。激光提供了精确修改c-Si太阳能电池结构的独特能力，为进一步提高效率开辟了新的途径。

激光技术的发展是一个充满重要里程碑的旅程。自1960年第一台激光器发明以来，激光器在输出功率、波长范围、脉冲持续时间和光束质量方面不断进步[16, 17]。早期的激光器设计相对简单，性能有限。随着光学材料、谐振器设计和泵浦技术的进步，已经开发出了高功率连续波（CW）激光器、超短脉冲激光器和可调谐激光器[18,19,20]。在材料加工领域，由于激光具有高精度、非接触式特性以及能够加工多种材料的能力，激光逐渐取代了一些传统加工方法[21,22,23,24]。这些商业应用包括钻石钻孔[25]、钢板[26]以及加工非金属材料，如陶瓷、聚合物、木材、生物材料、复合材料、电介质和半导体，用于各种工业应用[27]。此外，脉冲激光产生精确亚微米特征的能力在陶瓷和半导体等材料制造领域引起了极大的兴趣[28,29,30,31]。在太阳能电池制造方面，激光的使用已经从实验应用发展到生产过程的重要部分，这是由于需要更高效和精确的电池加工[14, 32,33,34]。

本文旨在全面总结激光技术在晶体硅太阳能电池制造中的应用，如图1所示。首先，将详细阐述决定激光与材料相互作用的关键激光参数，如波长、功率密度、脉冲宽度和重复率。同时，还将追溯激光在c-Si电池中应用的历史发展，突出重要的技术突破和随时间的变化。随后，本文将探讨激光在c-Si太阳能电池中的热效应，包括激光掺杂、激光氧化和激光结晶。然后，将讨论利用激光在电池结构上创建精确图案的激光图案化应用。最后，将探讨激光辅助金属化过程，该过程可以改善金属电极与基底之间的接触，从而提高太阳能电池的整体性能。通过这一全面回顾，我们旨在深入理解激光技术在推进高效c-Si太阳能电池中的作用，同时概述该领域的关键挑战和未来发展方向。

图1

2 关键加工参数和应用历史
2.1 激光加工的关键参数
在受控时间间隔内精确和选择性地操控热能传输对于实现所需的激光-材料相互作用结果至关重要。这些相互作用的性质由几个关键的激光参数决定，包括波长、照射时间、能量密度、重复率和光束轮廓[31, 35]。这些因素共同决定了空间能量吸收、热传递动态和材料的变化，从而直接影响基于激光的加工质量和精度。在这些参数中，激光波长在决定材料的吸收行为方面起着基础性作用。激光波长是光通过受激发射放大的产物，其本质由激光的活性介质和激发机制决定[36, 37]。如图2a所示，在常用的紫外到近红外激光光谱中，材料的吸收深度随着波长的增加而增加。对于需要高精度表面消融的应用，较短波长的激光（例如紫色激光）通常会产生更好的效果，因为它们的光学穿透较浅，热扩散较小。一个典型的例子是在硅异质结背接触（HBC）电池中选择性地去除顶部的氧化铟锡（ITO）导电层，其中紫色激光消融可以有效地隔离ITO层而不损坏下面的敏感钝化层[14]。相反，较长波长的激光（例如绿色激光）通常更适合需要更深能量沉积的情况，或者材料的吸收特性在该特定波长下更优[38]。根据菲涅尔吸收原理，材料对激光能量的吸收强烈依赖于波长，因为其复杂折射率随光子能量的变化而变化[39, 40]（有关吸收机制的更多细节，请参见第3节）。此外，波长还通过薄膜干涉效应和微结构表面的衍射影响吸收，其中地形特征可以通过特定波长的散射选择性地增强吸收[41, 42]。

图2

脉冲持续时间（或脉冲宽度）是另一个决定激光加工过程中能量沉积和随后材料热扩散时间特性的关键参数。CW激光提供持续的能量输入，导致显著的热传导和较大的热影响区，这被称为“热”加工。相比之下，按脉冲宽度分类为纳秒（ns）、皮秒（ps）或飞秒（fs）的脉冲激光将能量沉积限制在超快时间尺度内，从而最小化对周围材料的热扩散，这被称为“冷”加工[43, 44]（图2a）。因此，ns激光通常用于受益于或能容忍热效应的过程，如激光掺杂（利用熔化再生长）和激光烧结[33, 45, 46]。相反，超快（ps/fs）激光对于图案化热敏感层（如HJT太阳能电池中的氢化非晶硅（a-Si:H）钝化层）是不可或缺的，因为在这些过程中最小化热影响区对于保持电池性能至关重要[14, 47]。这种差异的根本原因在于能量沉积与热扩散的时间尺度。ns脉冲足够长，会导致熔化、蒸发和较大的热影响区（HAZ），从而可能引起热应力和晶体缺陷。相比之下，皮秒和飞秒脉冲的能量沉积速度超过了它传递给晶格的速度（在电子-声子耦合时间内），主要通过非线性吸收和等离子体介导的消融实现材料去除，产生的HAZ最小。这一根本区别不仅决定了给定应用所需的激光类型，还直接关系到热诱导材料损伤的程度，这是第2.3节讨论的关键挑战。特定脉冲宽度的产生是通过激光腔设计和主动或被动调制技术实现的：ns脉冲通常由Q开关激光源产生，而ps和fs脉冲通常需要模式锁定振荡器与放大阶段结合使用[48,49,50,51,52,53]。除了脉冲持续时间外，材料的热扩散性（由其热容量（Cp）、密度（ρ）和热导率（k）决定）也会显著影响热扩散行为[54, 55]。不同材料的热扩散性差异显著，这反过来又显著影响激光照射过程中的温度的空间和时间演变。值得注意的是，这种热扩散性与脉冲持续时间具有协同作用：高热扩散性促进快速散热，即使在较长的脉冲下也能减少局部加热，而低热扩散性则增强热限制，可能导致小体积内的极端温度梯度[56,57,58]。因此，为了在受控的相互作用体积内实现精确的光热加工，必须同时考虑激光的时间轮廓和基底的热物理性质。

激光光斑形状和重叠率通过控制能量的空间分布来进一步优化激光加工结果，确保加工的均匀性。高斯光束是最常用的光束轮廓，如图2b所示，其中中心强度最大，这是由于激光的横向模式振荡造成的[59]。然而，这种固有的强度梯度往往导致材料去除或修改不均匀。相比之下，如太阳能电池掺杂和消融等应用通常需要平顶（均匀强度）光束，这可以通过使用光束整形光学元件或空间光调制器来重新分配能量，使能量在光斑上均匀分布[60, 61]。图2c示意性地展示了典型的光束轮廓。空间重叠率定义为连续激光光斑在扫描过程中重叠的面积百分比，也显著影响加工的均匀性。在高重复率下，当连续脉冲之间的空间重叠程度高时，会导致累积加热效应。这对于受益于持续或大量热能输入的过程（如激光结晶或退火）是有利的，因为它提高了工艺效率和均匀性。相反，对于精密图案化应用（如介电层或敏感薄膜的消融），必须避免过多的热量积累。在这种情况下，采用较低的重复率或减少空间重叠是必要的，以便在脉冲之间充分冷却，从而减轻对基底的非故意热损伤并保持材料完整性。因此，有意控制空间重叠率和重复率对于调整热过程并在加工速度（效率）和材料效果之间取得平衡至关重要[62, 63]。此外，环境条件（如周围气体的组成和压力）也可以通过介导表面化学反应或修改等离子体动态来影响激光-材料相互作用[64,65,66]。总体而言，要实现理想的激光加工效果，必须根据材料特性和所需的加工结果全面优化这些参数。2.2 激光加工技术在硅光伏领域的演变激光技术集成到晶体硅太阳能电池制造中始于基础应用，这些应用使得新的电池架构和局部加工能力成为可能。图3展示了激光在晶体硅太阳能电池中的应用历史，并标出了关键里程碑。早期激光技术的进步，如激光退火、激光结隔离和脉冲激光沉积，证明了基于激光的工艺在实验室规模研究中对晶体硅太阳能电池制造的潜力[102,103,104]。经过密集的研究和开发，尚德电力公司成功将其Pluto技术商业化，该技术采用了激光掺杂选择性发射极（LDSE）方法（在图3中标记为关键里程碑），这标志着激光技术首次大规模应用于晶体硅太阳能电池的生产[68]。同时，人们也认识到了金属/硅界面处严重的载流子复合问题。具有局部背面开孔的PERC和钝化发射极及背面局部扩散（PERL）太阳能电池在减少背面载流子复合方面取得了显著进展。在PERC之后，激光技术进一步支持了金属穿透（MWT）和发射极穿透（EWT）电池的发展，其中激光用于加工晶圆内的导电路径，消除了正面栅极并提高了光吸收[87,88,89, 105]。随着对更高效率的持续追求，激光烧蚀（LA）在背面钝化层中创建了精确定义的开孔，而激光掺杂SE的集成进一步提升了性能，形成了所谓的PERC+SE架构（图3中也标记为里程碑）[106, 107]。这种组合带来了持续的效率提升，使PERC在一段时间内主导了全球光伏市场[9]。制造效率从最初的20%稳步提高到了2022年的23.5%[68, 108]。最近的行业报告和研究指出，大规模生产的PERC电池的平均效率可能接近24%，而这种技术的实际效率上限普遍认为在24.5%-25%左右，主要受限于体复合和寄生吸收损失[15, 109]。图3 这张图片的替代文本可能是使用AI生成的。全尺寸图片经参考文献[14]许可复制。版权2024，Elsevier。经参考文献[122]许可复制。版权2025，Springer Nature。晶体硅太阳能电池能量转换效率的历史演变。这条路线图按时间顺序概述了关键的技术里程碑[14, 84, 88, 114, 117,118,119,120,121,122]。随着PERC太阳能电池的转换效率接近其实际上限，行业对更高性能的追求推动了向n型硅基板的转变，这反过来为激光应用创造了新的机会[110, 111]。2013年，弗劳恩霍夫ISE研究机构展示了TOPCon技术的卓越潜力，其冠军电池的效率超过了23.0%[112]。随着TOPCon电池效率的持续提高和PERC技术性能接近其理论极限，TOPCon近年来已进入大规模生产，并在很大程度上取代了PERC的市场份额[3]。激光技术在这种结构中实现了选择性发射极的形成和激光增强接触优化（LECO），从而提高了太阳能电池的效率（图3中的里程碑）[69, 113,114,115]。TOPCon太阳能电池的最高效率现已超过26.4%[12]。随着未来用于多指状电池的激光选择性制造技术的引入，预计太阳能电池的效率将进一步提高[3]。除了TOPCon电池外，HJT电池也因非晶硅出色的钝化性能而具有巨大的应用潜力。然而，它们的低温工艺对金属化提出了严格要求，而激光图案转移印刷（LPTP）在解决这一挑战和提高HJT太阳能电池的功率转换效率（PCE）方面显示出前景[1, 94]。此外，BC电池完全消除了正面遮荫，依靠精确的LA在背面形成交替的p型和n型区域。这种结构被广泛认为是最接近晶体硅太阳能电池效率极限的，因为它完全解决了由正面栅线引起的遮荫问题[14, 34, 116]。尽管BC电池的概念很早就被提出，但其高昂的生产成本限制了其大规模生产[101]。随着激光技术的进步，结合非晶硅的优异钝化效果，隆基团队通过精确优化的激光技术实现了超高的效率，超过了27.3%[14]。此外，它能够在保持更高效率优势的同时实现大规模生产。最近，基于混合钝化接触结构的BC电池通过局部激光重结晶和图案化实现了超过27.8%的超高世界纪录效率，并已成功扩大到大规模生产[84]。激光掺杂技术的发展清楚地展示了由不断进步的太阳能电池架构所驱动的需求逻辑。它始于用于p型PERC电池的LDSE，主要解决正面复合损失问题。随着电池设计发展到TOPCon结构，对低电阻正面接触的需求持续存在。因此，激光掺杂技术被调整用于通过磷硅酸盐玻璃层在前面创建选择性发射极，而在背面，通常使用激光烧蚀来局部打开钝化接触堆栈以进行金属化。最新的重大进展LECO代表了从纯粹的几何掺杂到改善金属-半导体界面电质量的范式转变。通过使用激光诱导电流注入形成低电阻的Ag-Si合金点，LECO直接解决了TOPCon电池中的接触电阻瓶颈，超越了传统的掺杂作用，转向了活性接触工程。从创建选择性掺杂剖面到修复接触界面的这一进步强调了激光热过程在追求更高效率方面的适应性和扩展作用。表1总结了上述激光技术在晶体硅太阳能电池制造中的实施情况。这些创新应用表明，激光加工不仅能够在材料修改方面实现独特的精确度，还在提高晶体硅太阳能电池效率方面发挥着不可替代的作用。表1 高效c-Si太阳能电池关键加工技术的典型激光参数总结全尺寸表格2.3 激光加工的挑战和限制在光伏领域战略性地实施激光技术需要仔细评估各种权衡，不仅与传统的非激光方法相比，还要在不同的激光策略之间进行评估。这一决策由一个基本框架指导，该框架在加工质量和经济可行性之间取得平衡，这种二元性根植于激光的工作原理。如第2.1节所述，脉冲持续时间是一个定义这一机制的关键参数：ns级激光促进了“热”加工，具有固有的热扩散，有利于提高产量和成本效益，适用于掺杂等稳健步骤，但代价是较大的热影响区（HAZ）和热缺陷风险。相反，ps/fs级激光实现了“冷”烧蚀，最小化了HAZ，保留了敏感堆栈（例如a-Si:H）的精确度和材料完整性，但其高昂的资本和运营成本限制了产量和经济可行性。以下部分综合了激光加工引起的热损伤、工艺引起的复合、成本-产量权衡、参数敏感性和线条集成挑战，在这一机制驱动的质量-经济权衡框架内进行讨论。表1提供了激光技术与传统技术的比较总结，为技术选择提供了结构化的参考。2.3.1 热诱导损伤和缺陷激光能量与材料的相互作用不可避免地引入了热应力和机械应力。虽然超短（ps/fs）脉冲最小化了HAZ，但极高的峰值功率密度仍可能通过相爆炸等机制引起非线性吸收和亚表面晶格损伤[31]。对于ns级激光加工，HAZ更为明显，对温度敏感的层构成了重大风险。一个显著的例子是在第3.2节中提到的，在HJT和BC太阳能电池的激光图案化过程中对a-Si:H钝化层的热损伤，如果控制不当，会严重降低表面钝化性能[127, 128]。一般来说，激光加工引起的特定缺陷损失高度依赖于硅晶圆的初始质量和特定的薄膜沉积工艺。然而，定量趋势分析明确显示了这一问题的严重性：当皮秒（ps）和纳秒（ns）激光的应用能量超过最佳阈值时，钝化质量会严重下降，导致少数载流子寿命（从6毫秒降至0.6毫秒）和归一化PL强度（从1降至0.02）呈指数级下降[14, 129]。2.3.2 工艺引起的复合激光工艺如掺杂、烧蚀和结晶会改变硅晶格，产生作为载流子复合中心的缺陷。这导致加工区域的饱和电流密度增加，直接影响太阳能电池的开路电压（Voc）。因此，通常需要后续的后处理步骤，包括热退火修复缺陷或氢化钝化，增加了制造流程的复杂性和成本[33]。2.3.3 成本-产量权衡一个重要的实际限制在于加工质量和经济可行性之间的权衡。超快激光系统（ps/fs）提供了卓越的精度和最小的热损伤，但伴随着高资本支出、运营成本，通常产量较低，与ns级激光相比。这种经济现实往往需要在大规模生产中采用混合激光策略，其中ps级激光用于最关键、对损伤敏感的步骤（例如HBC图案化），而成本效益高的ns级激光则用于更稳健的工艺，如激光掺杂和介质烧蚀[33, 43, 44, 67, 68]。这种战略妥协在表1提供的指南中有所概述。2.3.4 参数敏感性和工艺窗口激光加工的结果对多种参数（波长、脉冲能量、能量密度、重叠、重复率）以及目标材料堆栈的特定属性（厚度、光学系数、热导率）非常敏感。这导致了狭窄的加工窗口，特别是对于具有复杂多层膜的高级电池架构（例如TOPCon的多Si/SiOx堆栈或HJT的a-Si:H/TCO堆栈）。需要广泛的优化和实时监控来确保大面积晶圆的工艺稳定性和高产量。表2 激光应用在晶体硅太阳能电池关键制造步骤中的作用全尺寸表格2.3.5 与传统制造线的集成将激光工具改装到现有生产线中，或将其与后续的湿化学、电镀或真空工艺无缝集成，带来了非平凡的工程挑战。必须仔细解决颗粒污染控制、工艺顺序优化、洁净室标准维护以及与高吞吐量自动化的兼容性等问题，以实现成功的工业可扩展性。解决这些限制是一个活跃的研究领域，重点在于先进的光束成形、原位工艺监控、AI驱动的参数优化，以及开发具有改进的成本-性能比的新型激光源，以充分利用激光技术在下一代光伏制造中的潜力。3 激光诱导的材料改性：掺杂、氧化和结晶3.1 激光掺杂传统的半导体掺杂技术，如离子注入和热（气相）扩散，多年来已被广泛研究[130,131,132]。然而，离子注入在形成浅而尖锐的结方面存在挑战，并且会引起显著的轰击损伤，这限制了其在主流太阳能电池制造中的采用[133, 134]。相比之下，热扩散，特别是使用三氯化磷（POCl3）进行n型扩散和三溴化硼（BBr3）进行p型扩散，由于其成本效益、稳定性和高产量，在工业应用中占主导地位[132]（图4a）。尽管如此，热扩散不可避免地引入了掺杂团簇和晶格缺陷，导致大量的载流子复合损失和光生载流子的收集效率降低[135, 136]。在追求更高效率的工业硅太阳能电池方面，LDSE技术受到了相当大的关注。这种技术在硅表面创建了局部高掺杂区域，并被用于大多数PERC太阳能电池的发射极形成[33]。其广泛采用归因于与传统高温炉扩散相比的独特优势，包括高速度、局部加热和更高的精度。图4 这张图片的替代文本可能是使用AI生成的。全尺寸图片经参考文献[138]许可复制。版权2017，美国激光研究所。d 工业PERC太阳能电池结构的示意图。e 激光掺杂PERC太阳能电池的掺杂工艺流程示意图激光掺杂。a 高温热扩散的示意图[132]。b 激光掺杂的示意图[137]。c 激光掺杂过程中熔池的数值模拟结果（箭头表示熔体对流）。激光掺杂的原理受超快相变动力学和非平衡质量传输的控制，超出了简单的热熔化描述。如图4b所示，激光脉冲会产生一个短暂的熔池，使得来自掺杂源（例如PSG或BSG）的掺杂原子能够在液态硅中快速扩散，然后在固化过程中被纳入晶格中[137]。这种液相扩散过程在纳秒（ns）脉冲下占主导地位，其特点是冷却速率超过10^6 K s^-1，这不仅激活了掺杂原子，还会导致非平衡分离和点缺陷的形成——这是激活与激光诱导损伤之间的核心竞争。掺杂源的选择（从预先沉积的层到旋涂材料）对最终形成的掺杂分布有重要影响。因此，需要精心调整激光参数来控制这一动态过程：脉冲持续时间和能量密度决定了熔池深度和冷却速率，从而决定了结深和掺杂梯度；波长和空间重叠程度则管理热预算以最小化附带损伤；扫描速度决定了热历史，以确保均匀性。总体目标是实现一个掺杂浓度高、接触电阻低的掺杂分布，同时保持体硅中的少数载流子寿命。激光掺杂在高效太阳能电池制造中的采用，是因为它相比传统掺杂技术具有显著优势。与基于炉子的热扩散方法不同，后者会使整个晶圆暴露在高温下，可能导致体硅复合增加和热预算增大，而激光掺杂则提供了局部化、低热输入的处理方式。这种选择性减少了未照射区域的不必要扩散，保持了体硅的寿命，并能够在接触区域形成高掺杂浓度区，在其他区域形成低掺杂浓度区，从而实现最佳的光电性能。与离子注入相比，后者常常会引入晶体晶格损伤，需要高温退火，而激光掺杂可以实现原位掺杂并控制熔池再生，简化了工艺流程。此外，激光掺杂与多种掺杂源（如旋涂掺杂剂、掺杂介电层）和后钝化方案的兼容性，为TOPCon和BC电池等先进电池结构提供了无与伦比的灵活性。精确控制激光参数（如脉冲持续时间和功率）对于实现所需的掺杂分布至关重要。激光掺杂发射极的形成受到热传递和质量传递现象的控制，包括传导、对流和流体流动[33, 67]。因此，较长的脉冲持续时间或连续波（CW）激光会产生更深的熔池，从而实现更深的掺杂和更好的接触分布。然而，更深熔化的关键挑战是熔池内的马兰戈尼对流（Marangoni convection），这可能在固化过程中导致表面变形并引入缺陷。张等人优化了一个激光掺杂模型用于选择性发射极的制备，并通过基于仿真的分析研究了激光功率和扫描速度对掺杂分布和发射极形态的影响[138]。如图4c所示，更高的激光功率结合更快的扫描速度产生了更陡的掺杂梯度，从而得到了更有利的掺杂分布。从定性上看，更高的激光功率增加了熔池深度和能量输入，促进了更深的结形成和更高的表面掺杂浓度。相反，更快的扫描速度减少了热相互作用时间，导致熔池变浅，结轮廓更尖锐。最佳组合是高功率与快速扫描的结合，从而实现了陡峭的掺杂梯度。这种陡峭的掺杂分布对于选择性发射极非常理想：它确保了金属接触下方的高掺杂区域，以最小化接触电阻，同时在其他区域保持低掺杂浓度，以减少奥格复合（Auger recombination）损失。此外，掺杂剂的固有物理性质也会影响激光掺杂过程。例如，硼原子在液态硅中的扩散系数（1.2×10^-8 m^2 s^-1）低于磷原子（5.7×10^-8 m^2 s^-1）[139]。另外，硼从SiO2到晶体硅的 segregation 系数较小，导致其在硼硅玻璃层中积累[140]。这些特性使得硼作为激光掺杂剂比磷更具挑战性。在当前的工业太阳能电池制造中，激光掺杂通常用于在沉积介电层之前形成发射极。在这个过程中，激光掺杂在热扩散之后进行，热扩散在硅基底上形成磷硅玻璃（PSG）或硼硅玻璃（BSG）层作为掺杂源，随后进行对齐的丝网印刷金属化[106]。这种顺序的一个关键优势是，随后沉积的钝化介电层可以有效钝化激光诱导的缺陷，同时避免了由于硅和介电层之间的热膨胀不匹配引起的激光诱导缺陷[141]。另一种方法是在介电层沉积之后进行激光掺杂，这种方法已经从实验室研究发展到工业应用。新南威尔士大学（UNSW）开发了一个例子，他们使用激光通过介电堆栈对底层硅进行掺杂，这种方法后来被尚德电力（Suntech Power）商业化为PLUTO技术[68]。除了PSG和BSG层外，还使用了含有掺杂剂的硅纳米颗粒墨水以及通过化学气相沉积（CVD）沉积的掺杂介电层作为掺杂源[142,143,144,145]。后沉积激光掺杂的一个显著优势是它与镀膜过程的兼容性，因为金属只沉积在激光掺杂区域。这减少了掺杂面积，从而降低了发射极的复合电流密度和金属遮蔽损失，相比丝网印刷方法。王等人创新性地展示了在介电层沉积之前形成狭窄（3-5 μm）、深（10-15 μm）和高掺杂浓度的沟槽。这些沟槽有助于自对准的镀膜接触，因为它们不会被随后沉积的PECVD介电膜完全覆盖。通过仔细优化激光参数，这种方法实现了全面积铝背表面场（full-area aluminum back-surface-field）太阳能电池的效率超过19%[146]。然而，工艺优化、接触粘附、扩散屏障和废物管理方面的挑战阻碍了这种自对准接触方案的广泛应用。

除了使用外部掺杂源的激光掺杂外，还有利用器件结构中固有掺杂剂的替代方法。一个典型的例子是工业PERC电池背面常用的AlOx/SiNx介电堆栈（图4d）。在这里，氧化铝（AlOx）层具有双重作用：它提供了优异的化学和场效应钝化作用，同时也作为激光形成的p型掺杂剂（Al）的天然来源[147, 148]。图4e展示了激光掺杂PERC电池的工艺流程，首先是选择性发射极掺杂，然后是激光烧蚀接触开口和形成p++区域。使用100-μs脉冲红外激光处理的区域的二次离子质谱（SIMS）分析显示，结深为1-2 μm，铝浓度峰值达到5×10^19 cm^-3[70]。已经实现了转换效率超过21%、填充因子（fill factor）>82%的电池，证实了激光掺杂区域作为局部背表面场（LBSF）区域的有效性[71]。虽然Al2O3/SiNx堆栈是主要选择，但也成功展示了其他几种替代介电组合，如Al2O3/a-SiC、Al2O3/a-SiCx:B、a-SiNx:P和Al2O3/SixNy:B[71, 145, 149, 150, 151, 152, 153]。尽管其多功能性很强，但由于硅和介电层之间的膨胀系数不匹配导致的硅再结晶和热应力引起的激光诱导缺陷仍然不可忽视[154, 155]。通过精确控制激光参数以及通过多物理场模拟优化介电膜属性（如厚度、折射率），可以降低基底温度和热应力，从而提高工艺可靠性。此外，后热处理已被证明可以通过缺陷消除或氢钝化有效减轻这些缺陷[156,157,158,159]。激光掺杂作为选择性发射极形成的关键技术，已被应用于多种太阳能电池结构中。例如，半导体指状电池使用狭窄、高掺杂的选择性发射极结构来替代细线金属化，从而减少了光学遮蔽、界面复合和银的消耗[160]。在半导体指状结构上镀覆一层薄金属层可以进一步提高横向导电性和指状结构交叉处的接触电阻。随着光伏生产从PERC技术向TOPCon技术的大规模转变，提高转换效率已成为核心研究重点。在高效TOPCon电池设计中，TOPCon结构通常位于背面，以最小化前侧多晶硅（poly-Si）引起的寄生吸收。在前表面，通常应用均匀掺杂的硼发射极，该发射极由Al2O3/SiNx堆栈钝化，同时起到抗反射涂层的作用。为了进一步优化性能，可以引入选择性发射极结构。这种设计不仅改善了接触电阻，还减少了与高硼掺杂相关的奥格复合损失。激光掺杂选择性硼发射极的可行性已在实验室和工业环境中得到验证[3]。此外，激光掺杂的应用还扩展到了多晶硅基底上，相关研究证实了其有效性[161]。除了传统结构外，激光掺杂还被用于在BC太阳能电池中形成n型和p型接触。这种方法简化了制造过程，并减少了不同掺杂区域之间的载流子复合[162, 163]。另一种创新的BC电池策略是通过使用相反极性的掺杂剂进行激光掺杂来补偿预扩散的发射极，从而消除了选择性蚀刻或掩膜扩散步骤的需要[139]。

3.2 激光氧化
在硅太阳能电池制造中，激光诱导的氧化具有双重特性：它既是一个必须抑制的普遍问题，也是一个可以加以利用的主动工具。本节将讨论这两个方面，首先是不希望出现的氧化，它会影响器件性能；然后是用于先进处理的受控氧化。在激光处理过程中，特别是在空气中，硅基底和介电层的意外氧化会引入一个关键挑战。这种不必要的氧化通过形成绝缘氧化物屏障（如SiO2）来降低电性能，破坏载流子传输并增加接触电阻[119]。具体来说，使用纳秒（ns）或更长脉冲的激光进行激光烧蚀（LA）不可避免地会引起这种氧化。例如，杜等人证明，在空气中对介电层（SiN?/AlO?）进行ns LA会在Si-介电界面形成一层薄SiO?层（1-2 nm厚），显著增加接触电阻[164]。其根本机制源于激光加热的硅与大气中的氧气之间的热化学反应和光化学反应。为了解决这个问题，已经开发了几种缓解策略。激光后的湿化学蚀刻已被证明可以有效去除激光损伤层和不必要的氧化物，恢复表面钝化完整性，并实现高质量的金属化接触[164, 165]。从激光参数的角度来看，脉冲持续时间的选择至关重要。超快激光（皮秒或飞秒脉冲）通过最小化热扩散来减轻热氧化。Kluska等人验证了这一点，他们显示ps激光处理SiN?层后，界面氧含量减少了50%[166]。此外，通过优化参数（如使用吸收深度较浅的紫外激光、能量密度和光束重叠）可以进一步限制不必要的氧化。

图5
该图像的替代文本可能是使用AI生成的。
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经参考文献[167]许可复制。版权2023，IEEE。
d 激光生长氧化物掩模图案化及随后多晶硅蚀刻的工艺流程[167]。
e 随激光强度变化的a-Si薄膜的拉曼光谱。经参考文献[78]许可复制。版权2024，Elsevier。
f 激光退火前后n型μc-Si薄膜的透射电子显微镜（TEM）图像。经参考文献[80]许可复制。版权2009，Elsevier。

激光氧化和结晶。
a 激光诱导的硅氧化示意图[164]。
b 未经处理和激光处理的多晶硅太阳能电池的漫反射光谱[73]。
c 多指状区域的平面视图照片和扫描电子显微镜（SEM）图像。

另一方面，受控的激光诱导氧化也可以作为一种提高太阳能电池效率的主动策略，以实现先进的图案化技术。一个关键应用是针对性地修改抗反射涂层（ARC），以改善光捕获并减少反射损失。Indri?iūnas等人展示了低能量激光脉冲可以有选择地氧化SiNx层，形成渐变的SiOxNy/SiNx光栅结构[73, 74]。为了验证这些光栅的光学性能，他们使用了严格的耦合波分析（RCWA）模拟，确认了亚波长氧化物光栅减少了ARC和空气之间的有效折射率不匹配。这种不匹配的减少增强了光向硅基底的耦合，直接提升了光子吸收效率（图5b）。另一种受控激光氧化的应用是在高精度图案化中制造抗蚀刻掩模。Singh等人开发了一种工艺，使用紫外激光氧化将本征多晶硅（i-poly-Si）区域转化为图案化的SiO2。这层SiO2在随后的KOH湿法蚀刻过程中起到保护性掩模的作用，从而在n型钝化发射极的前表面形成局部的p+-poly-Si接触[72]。在关键方面，这种图案化的接触方式减少了入射光的寄生吸收，同时保持了硅表面的钝化质量。Dasgupta等人的一项突破性进展是利用这种掩膜蚀刻策略制造了35微米宽的多晶硅指状结构[165, 167]（图5d）。激光生长的SiO2掩膜对KOH蚀刻表现出极强的抗性，使得金属网格下的多晶硅层保持完好无损。如图5c所示的横截面SEM图像揭示了激光处理区域形成了圆形金字塔结构。同时，由于紫外纳秒激光的热影响有限，钝化质量仍然非常高。此外，类似的研究表明，激光氧化可以作为太阳能电池图案化的掩膜层，从而消除了复杂掩膜步骤的需要，降低了生产成本[75]。通过优化激光参数和整合优化的后处理步骤，可以精确控制激光处理硅太阳能电池中的氧化过程。非故意的氧化被有效抑制，以保持电性能，而可控的氧化则被战略性地用于改善光学性能，并实现钝化接触的高分辨率图案化。这些发展支持光伏行业向更高效率的TOPCon和BC太阳能电池以及低成本镀层金属化的转型。未来的工作应集中在将这些激光辅助氧化控制策略规模化到工业生产水平，同时确保氧化物质量的一致性、低界面缺陷密度和长期的设备稳定性。

3.3 激光结晶
追求高效率、低成本的c-Si太阳能电池推动了材料加工的创新，激光结晶作为一种关键技术，解决了传统制造方法的固有局限性。传统的硅结晶方法，如高温炉退火，存在能耗高、处理速度慢以及与柔性或薄基底兼容性差的问题，这些对于下一代光伏技术来说是关键的缺点。相比之下，激光结晶通过向目标薄膜层传递高能激光脉冲，实现了局部快速的热循环，将热量扩散降到最低，从而减少了整体热预算[168, 169]。这种精确性允许对微观结构（如晶粒大小、晶体取向和缺陷密度等）进行定制控制，这些因素直接决定了目标层的光电性能。随着光伏行业向HJT、TOPCon和BC太阳能电池等先进架构的转变，激光结晶对于优化需要高结晶质量和低温处理的功能层变得不可或缺。
激光结晶非晶硅（a-Si）薄膜是其最具影响力的应用之一，它将低性能的a-Si转化为高质量的多晶硅（poly-Si）或微晶硅（μc-Si），用于c-Si太阳能电池。该过程包括三个核心步骤[170, 171]：首先，a-Si薄膜选择性地吸收激光能量，迅速使局部温度升高到硅的熔点以上，而不会加热下面的基底（例如玻璃、聚合物或c-Si晶圆）。其次，当激光脉冲结束时，熔化的硅迅速固化，结晶域在固液界面处开始形成。激光熔化后过冷液体中的晶粒大小由成核和生长之间的竞争决定，这可以通过激光参数（能量密度、脉冲持续时间、重叠程度）进行调整，较低的能量密度有利于形成较小的晶粒，而较高的能量密度则促进形成较大、更有序的晶粒。第三，成核后的晶粒生长和缺陷消除稳定了微观结构，产生了电性能显著提升的poly-Si/μc-Si。激光结晶非晶硅薄膜以提高其导电性，特别是在玻璃基底上，已经得到了广泛研究[76, 172, 173]。使用这种方法制造的薄膜太阳能电池也表现出良好的性能特性[174, 175]。
除了a-Si薄膜之外，激光结晶在优化先进的c-Si太阳能电池架构（特别是TOPCon、HJT和BC电池）中也起着关键作用，通过提升功能层的性能。作为TOPCon太阳能电池中的关键层，多晶硅的性能与电池性能密切相关。激光处理产生了高质量的多晶硅层，其特点是结晶度提高、掺杂激活带来的导电性增强以及有效的钝化，这归因于激光波长的浅吸收深度和纳秒级脉冲，这些特性使能量沉积局部化，并最小化了界面氧化的热影响[176, 177]。此外，Zhou等人引入了一种新的超快激光退火结晶方法，通过将激光光斑扫描到TOPCon太阳能电池中的氢化非晶硅薄膜表面[78]。图5e显示了不同激光强度下a-Si薄膜的拉曼光谱。随着激光能量密度的增加，520 cm?1处的Si峰强度也随之增加，表明结晶度随着激光能量密度的提高而提高。通过优化相关的激光参数和氢化方法，使用激光结晶技术的概念验证设备实现了19.91%的效率，显示出实现高效率TOPCon太阳能电池的另一种技术途径。同样，由于HJT太阳能电池中的掺杂a-Si:H层导电性低（σ < 10–4 S cm?1）且活化能相对较高，导致接触电阻较大。Lin等人通过在工业级硅晶圆上引入p型掺杂的纳米晶硅，报告了高达26.81%的认证光电转换效率（PCE）和86.59%的填充因子[79]。从这个角度来看，用激光结晶掺杂的非晶硅薄膜是一种减少HJT太阳能电池串联电阻的令人兴奋的方法。Wu等人研究了激光结晶对HJT太阳能电池性能的影响[80]。在382 mW cm?2的激光辐照密度下，异质结太阳能电池实现了14.2%的效率。相应的TEM图像（图5f）证实了随着激光能量密度的增加，n型纳米晶发射层的晶粒逐渐增长。此外，激光结晶非晶硅形成的局部发射区域在混合背接触太阳能电池中减少了边界复合和接触电阻，实现了27.81%的世界纪录PCE[84]。这些应用突显了激光结晶在解决特定架构挑战方面的多功能性，符合行业对更高效率、更薄晶圆和更低制造成本的目标。

4 激光图案化
图案化是太阳能电池制造中的关键步骤，从早期的Al-BSF电池到PERC、TOPCon等先进架构，尤其是被视为下一代光伏技术的BC电池，都依赖于精确的图案化过程。这些微到纳米级的图案化结构优化了光伏性能，同时降低了制造成本。传统的图案化技术包括光刻、喷墨打印、原位阴影掩膜和激光图案化[178,179,180,181]。其中，激光图案化被证明是大规模生产中最经济的方法，LONGi在全激光处理的BC太阳能电池中分别实现了27.3%和27.81%的世界纪录PCE[14, 84]。激光处理在工业太阳能电池图案化中占据主导地位，凸显了其在实现晶体硅光伏高产量制造中的关键作用。

4.1 激光烧蚀原理
激光烧蚀利用高能量密度的激光束与基底材料之间的相互作用，触发材料的熔化、蒸发或化学反应，从而实现材料的去除或修改，形成所需的图案结构。当激光照射到材料表面时，激光波部分反射部分吸收，这被称为菲涅尔吸收[182]。光子吸收过程可以分为线性和非线性吸收[31]。在线性吸收中，吸收系数与光强度无关；而在非线性吸收中，吸收系数是光强度的线性或更高阶函数。在半导体材料中，只有当激光能量等于或大于带隙能量（hν ≥ Eg）时，价带电子才会通过带间跃迁从价带吸收到导带，这发生在激光强度较低（< GW cm?2）的情况下。除此之外，当激光强度足够高（通常> 1013 W cm?2）时，会发生多种非线性吸收过程，如多光子电离和隧穿电离。一个价带电子可以同时吸收多个光子（hν < Eg），并通过库仑势垒逸出原子成为自由电子。通过激光电离过程，产生电子等离子体，随后的激光-等离子体相互作用导致材料相变。
根据不同的激光脉冲宽度，通常使用两种简化的烧蚀模型来描述不同的LA过程。对于超短激光脉冲，使用双温度模型来描述超快激光-材料相互作用[183]。（图6a）在0.1–10 fs的时间尺度上，材料中的自由电子和束缚电子通过逆制动辐射机制吸收激光辐射；高能电子在1–100 fs的时间尺度内通过电子-电子碰撞（电子-电子散射）迅速与其他电子共享能量；然后，在10 fs-10 ps的时间尺度内，大量高温电子的能量通过电子-晶格碰撞（电子-声子散射）传递给晶格。在这个超短过程中，LA主要是通过目标材料表面的直接固-气或固-等离子体转变，伴随着一些电子热传导和目标材料内部的熔化区的形成。对于长激光脉冲（毫秒到纳秒），典型时间尺度远大于电子-晶格的能量耦合时间，目标材料中的电子温度和晶格温度大致相等，从而达到热平衡。因此，可以应用经典的热传递定律，主要的烧蚀机制是克服熔化和蒸发的潜热。

图6
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经参考文献[183]许可复制。版权所有2011，Elsevier。图示了钝化接触半导体层（通常是b层）、c层发射层或基底层以及d层TCO膜的激光图案化。e层是直接LALaser图案化的示意图。a层是基于双温度模型的超短LA模型，其中Te表示电子温度，Tl表示晶格温度。然而，由于所发生过程的复杂性、涉及的物种多样性以及覆盖的长度和时间尺度范围，理解由于LA导致的材料去除机制仍然是一个巨大的挑战。原子级别的实验信息难以获得，必须通过分子动力学（MD）模拟和热力学路径分析等数值方法进行补充[184]。烧蚀过程由多种机制共同控制，其主导性随着吸收能量的增加而变化。在激光辐照后的飞秒到纳秒范围内，材料响应经历以下阶段：剥落（由拉伸应力驱动）、相爆炸（通过形成过热亚稳态液体）、碎裂（由于大的应变率），最后是蒸发（在最高能量密度下）[184,185,186]。理解这些基本的烧蚀机制可以为优化太阳能电池制造中的激光图案化过程提供关键蓝图。在纳秒和超快（ps/fs）激光模式之间的选择取决于管理热扩散与实现“冷”烧蚀的需求，正如双温度和经典热传递模型所解释的。例如，在图案化HJT电池中对温度敏感的a-Si:H层时，最小化热损伤至关重要。因此，选择超快激光来利用非线性吸收并限制能量沉积，从而保持钝化质量。相反，对于像激光掺杂这样的过程，其中受控熔化对于掺杂剂扩散和结的形成至关重要，纳秒激光的热效应不仅是可容忍的，而且是必需的，这使得它们比超快系统更具成本效益，更适合大规模生产。同样，了解烧蚀阈值和等离子体动力学有助于优化激光能量密度和光斑重叠，以实现无基底损伤的清洁去除，无论是打开接触通道还是定义复杂的背接触网格。因此，对机制的理解直接转化为针对特定材料堆栈和设备架构的合理参数选择。在硅太阳能电池领域，需要根据特定的加工要求和材料特性选择和调整激光条件，以保持太阳能电池的高效率。激光在晶体硅太阳能电池中的典型应用是图案化介电层，如氧化铝、氮化硅和氧化硅，这些层作为钝化层[187,188,189,190]。通常，在光伏中使用的常见可见激光波长下，硅基板或非晶/多晶硅薄膜会吸收激光能量，产生热量和热应力，从而间接去除这些介电层。4.2 硅太阳能电池的图案化处理一般来说，根据目标层或功能目的，硅太阳能电池的图案化过程可以分为四种主要类型，如图6b–e所示。第一种和第二种类型涉及钝化接触半导体层的图案化，通常是BC太阳能电池的发射极或基底层。在BC太阳能电池中，电子传输层和空穴传输层都集成在背面，以消除前栅的遮挡。这些相互交错的载流子选择性接触之间的精确电隔离对器件性能至关重要。接触半导体层可以是扩散结（PERC）、掺杂非晶硅层（HJT）和掺杂多晶硅层（TOPCon）。由于其在低温下的加工特性，掺杂非晶硅的稳定性相对较低，尤其是在激光照射下。光刻是制造高效HJT基BC电池的主要实验室方法，Kaneka通过结合光刻图案化和a-Si:H钝化接触实现了26.6%的效率[116]。然而，光刻的多步骤性质和高成本阻碍了其工业规模化。如前所述，激光图案化在太阳能电池制造中具有更好的可制造性。激光图案化的关键挑战是对底层钝化接触层和基板的热损伤，特别是对于温度敏感的a-Si:H层，在激光刻蚀过程中这种损伤严重限制了太阳能电池的光电转换效率（PCE）。优化激光参数和引入分布式布拉格反射器（DBR）热保护层已被证明是减少激光损伤和制造高效太阳能电池的有效方法[127, 191]。除了钝化层的完整性外，载流子在交错间隙内的复合也从根本上限制了性能[192, 193]。由于电遮挡效应，少数载流子在间隙区域会发生严重的复合，导致短路电流密度显著降低。隆基团队通过全激光图案化的BC技术实现了27.3%的效率。而根据之前提到的混合钝化背接触结构，这一记录已进一步提升至27.81%。除了基于异质结的技术外，由于其出色的稳定性，高温工艺长期以来一直是工业生产的主流技术[194]。由重掺杂多晶硅层覆盖在超薄二氧化硅中间层（隧道氧化物）上的Poly-Si/SiOx载流子选择性钝化接触，具有实现高效单晶硅太阳能电池的巨大潜力。如今，TOPCon太阳能电池的最高PCE已超过26.4%[12]。为了将标准TOPCon结构的太阳能电池效率进一步提高到下一代水平，有两种方法被认为是有效的。一种是采用多指结构，并在前部使用Poly-Si/SiOx局部钝化接触，以避免额外的多晶硅的寄生吸收（如第2节所述）。通过激光刻蚀局部去除SiNx覆盖层，并在随后的碱性蚀刻中去除非激光掺杂的多晶硅，可以实现Poly-Si接触的定位。另一种方法是将TOPCon结构与BC设计结合，形成所谓的隧道氧化物钝化背接触（TBC）太阳能电池。这种架构战略性地结合了TOPCon技术的优异表面钝化特性和背接触设计固有的较低遮挡损失。它源于市场主导的TOPCon平台，并与现有的PERC和TOPCon电池生产线具有很强的兼容性，为实现超高效率提供了潜在的成本效益路径。虽然标准TOPCon电池使用与其坚固的多晶硅层兼容的高温工艺，但激光刻蚀在定义背接触设计所需的复杂图案方面特别有利。早在2018年，使用激光图案化的多晶硅在氧化物（POLO）-交错背接触（IBC）电池上就实现了超过26%的效率，这突显了激光加工在隧道氧化物钝化结构中形成先进接触的固有优势[195]。TBC电池代表了重大的进步，旨在充分利用这种先进结构约29.2%的理论效率极限。最近的进展非常迅速。通过优化前后表面的光学管理，TBC电池的认证效率最近已超过27%[122]。进一步的改进集中在提高背面多晶硅的质量、减少局部金属-多晶硅界面处的载流子复合以及优化激光图案化过程以减少热损伤和提高填充因子上。鉴于其高效率潜力以及与现有吉瓦级PERC/TOPCon生产基础设施的优异兼容性，TBC技术被广泛认为是最具有前景和可行的下一代晶体硅光伏技术之一。图6d展示了透明导电氧化物（TCO）膜的图案化，这些膜作为非晶硅薄膜的电流收集层，以防止短路。由于TCO膜（如氧化铟锡（ITO）或氟掺杂氧化锡（FTO）具有低光吸收系数，因此使用激光刻蚀选择性地去除TCO以实现绝缘同时确保基板材料不受损伤是一个重大挑战。在TCO和载流子传输层之间插入绝缘层，并结合一种最小化钝化层损伤的膜结构设计，已被证明可以有效解决这个问题[14]。此外，激光刻蚀在工业应用中具有解决特定功能需求的巨大潜力（图6e），包括边缘隔离、去除硅氮化物包裹层和微结构蚀刻，为更广泛的应用铺平了道路。目前，与这种太阳能电池配置相关的主要挑战围绕产量和生产成本。然而，这些问题可以通过进一步的技术优化来解决。为了阐明激光图案化在太阳能电池制造中的作用，与传统技术的比较是必要的（如表1所示）。相对于光刻，激光加工是一种无掩模的直接写入技术，它消除了多个步骤（例如掩模、显影），减少了化学废物，为设计变更提供了更大的灵活性，但代价是不同的分辨率-吞吐量权衡。与用于金属化的丝网印刷相比，基于激光的方法能够实现更细、更高纵横比的栅线，减少了银的消耗，这对于高效架构来说是一个关键优势，尽管目前丝网印刷在标准电池的吞吐量方面仍处于领先地位。与湿化学蚀刻相比，激光烧蚀提供了一种干燥、各向异性的选择方法，防止了底部切割，并实现了精确的局部开口，且不会产生化学废物。最后，与基于炉子的热处理相比，激光处理提供了超快、局部的加热，热预算最小，防止了晶圆的整体退化，并能够处理温度敏感的层，尽管实现批量炉子的极端均匀性仍然是一个挑战。因此，激光技术通常被战略性地集成在混合制造流程中，以解决传统方法达到极限时的特定精度和热瓶颈问题。4.3 激光钻孔MWT是一种创新的高效硅太阳能电池架构，其特点是前侧的发射极通过金属化的通孔延伸到后侧[88]，如图7a所示。这些通孔金属连接通常使用纳秒或皮秒激光器进行钻孔。这种结构的优势在于它可以减少由于更小的汇流条和指状电极尺寸而导致的阴影损失，同时后侧的额外发射极区域有助于捕获更多的光电流。同时，共面的电池互连和均匀的模块外观也增强了其商业价值。大量的实验和数值模拟结果验证了这种方法的可行性，工业生产效率超过了23%[89]。然而，MWT技术的发展受到通孔导电性差和金属接触穿透发射极导致的并联损失的阻碍。在EWT设计中，其结构与MWT类似，前接触栅被激光钻孔的导电通道所取代，如图7b[87, 90]所示。通过完全消除前部金属栅，EWT电池几乎完全消除了阴影损失，使得短路电流密度高于传统和MWT架构。制造EWT的主要要求是通过激光钻孔（LD）形成接触孔。然而，EWT的商业化受到低填充因子和开路电压的阻碍，这些是由通孔边缘复合和高串联电阻以及复杂的激光处理步骤导致的较高制造成本[196]。预计这些限制将通过开发高吞吐量激光工具和先进的边缘钝化技术得到解决。图7这张图片的替代文本可能是使用AI生成的。全尺寸图像经许可复制自参考文献[88]，版权2017，Elsevier。b 深槽基接触EWT太阳能电池的示意图。经许可复制自参考文献[90]，版权2017，Wiley–VCH。c 太阳能电池切割分离过程的示意图。经许可复制自参考文献[199]，版权2022，Wiley–VCH。d 商业TOPCon和HJT晶体硅电池的激光划线过程导致的不同效率损失程度的统计图。经许可复制自参考文献[199]，版权2022，Wiley–VCH。e TSC制造过程的照片和示意图。经许可复制自参考文献[86]，版权2024，Wiley–VCH。用于制备硅太阳能电池的激光钻孔。a MWT硅太阳能电池结构的示意图。屋面板太阳能电池可以制造出高密度和高PCE的模块，并减少电池到模块（CTM）损失，因为每个电池的电流较低，从而导致串电流和电阻损失减少。为了将条带集成到屋面板模块中，需要通过激光划线过程将宿主/完整的硅电池切割成1/2、1/3、1/4或更多的子电池。通常，激光划线过程包括两种方法：一种使用激光刻划沟槽，然后使用机械力来切割太阳能电池；另一种方法是从电池边缘开始用激光诱导裂纹，然后使用加热激光和水-空气气溶胶喷射来传播和完成分离[197, 198]。在这两种方法中，水和热激光分离的结合提供了较低的切割损失，并且与现有生产线的兼容性更好，使其成为大规模制造更具成本效益的方法。尽管如此，切割损伤和由热激光分离引起的新的未钝化边缘表面的形成（图7c）仍然是一个持续的问题，导致TOPCon和HJT硅太阳能电池的PCE大幅下降[199]（图7d）。通过重掺杂进行场效应钝化、生长热氧化物或多晶硅层、有机钝化溶液以及沉积如AlOx层之类的钝化层已被证实是钝化边缘表面的有效方法[200,201,202,203,204]。然而，即使应用了各种边缘钝化技术，由于硅基板内部的缺陷形成，激光诱导的缺陷仍然没有得到充分解决[205]。因此，必须严格控制激光参数以最小化激光引起的边缘损伤。由于透明太阳能电池（TSCs）是能够克服商业化太阳能电池光学不透明限制的新光伏器件，它们有潜力用于未来建筑物和车辆的窗户[91, 206]。通过在光活性区域形成物理微孔，允许入射光通过太阳能电池的穿孔区域，是一种有效的制造TSCs的方法，这些TSCs既具有颜色中性又具有高性能。对于微孔图案化，激光辅助加工已成为一种领先技术，因为它具有明显的优势：它能够在环境条件下直接、无掩模地在目标表面上制造定制的微孔阵列，支持大面积处理并具有高可扩展性，并允许对微孔几何形状进行精确控制[207, 208]。这些属性使其优于传统的微制造方法，后者受到复杂工作流程、高成本和有限的基板尺寸兼容性的限制。Ngoc等人展示了这种方法在制造有机-硅混合TSCs中的实用性[86]。透明的n型c-Si基板是通过1064纳米纳秒激光刻蚀制成的，然后涂覆一层聚(3,4-乙烯二氧噻吩)/聚(苯乙烯磺酸盐)（PEDOT:PSS）作为空穴传输材料，形成了混合光活性结构。图7e显示了透明TSCs的照片和TSC制造过程的示意图。随着未来的进步，基于激光刻蚀的TSCs可能在光伏建筑中得到广泛应用。4.4 激光在基于硅的串联太阳能电池中的作用基于硅的串联太阳能电池将高带隙顶层电池（例如钙钛矿）与c-Si底层电池结合，代表了超越硅光伏单结效率极限的最有前景的途径[209]。这些单体多结器件的制造在图案化、互连和与基板兼容的加工方面引入了独特的挑战，而激光技术为这些挑战提供了不可或缺的解决方案。一个主要且关键的应用是通过精确的激光刻蚀来实现模块集成中的子电池串联互连。这通常涉及一个三步过程（P1、P2、P3）来图案化串联堆栈的各个层。P1步骤刻蚀出底部透明导电氧化物（TCO）或硅电池的前接触层；P2步骤创建通孔以暴露底部接触层；P3步骤刻蚀出顶部电池和TCO，从而定义相邻电池条带之间的单体串联连接[210,211,212]。这一过程要求极高的精度，以在电气上隔离各层的同时避免损坏下面的敏感硅HJT或TOPCon底部电池以及钙钛矿吸收层。此外，激光还用于边缘隔离和分割大面积串联电池，以最小化最终模块中的电阻损失。

除了互连之外，激光还能够在复杂的多层堆栈中进行选择性加工。超快（ps/fs）激光烧蚀可以用于选择性去除钙钛矿、载流子传输层或TCO，以形成接触或创建先进的光管理结构[213,214,215]。至关重要的是，激光加工为界面工程提供了一条低热预算的途径。例如，局部激光照射可以用来修改表面属性、在关键界面处钝化缺陷或诱导传输层中的可控结晶，同时将温度敏感的钙钛矿材料（在约150°C以上会降解）保持在安全的热窗口内[216, 217]。这种低热输入能力是相对于许多传统热处理方法的一个关键优势。

总之，向串联架构的转变并没有减弱激光技术的重要性。激光处理的非接触性质、高空间分辨率和可控的热输入使其成为解决高效硅基串联太阳能电池固有的复杂图案化、互连和集成挑战的关键工具，确保了其在下一代光伏制造中的核心地位。

5 激光金属化

金属化对硅太阳能电池的光伏性能和长期可靠性至关重要。追求更高的效率和更低的制造成本推动了晶体硅太阳能电池金属化的范式转变，激光加工已成为下一代器件架构的关键推动者。随着传统的丝网印刷方法在指状电极分辨率和接触电阻率方面达到其根本限制，基于激光的技术在图案化介电层、形成载流子选择性接触和沉积微尺度金属电极方面实现了前所未有的精度。本节系统地探讨了两种主要的基于激光的金属化技术：激光诱导的前向转移和激光辅助烧结。

5.1 激光图案转移印刷

作为一种成熟的金属化技术，丝网印刷仍然是太阳能电池制造中最常用的金属化方法[218, 219]。对于HJT太阳能电池，需要在TCO层上形成接触电极，因此需要低温固化的银浆，其热固化温度通常低于250°C，以确保非晶硅的结构完整性。然而，低温固化电极的较高线电阻率导致了银使用量的增加。结合低温银浆相对较高的成本，这显著提高了整体金属化成本。减小指状电极的宽度是一种有效的策略，可以减轻栅栏阴影效应并降低银的消耗[219]。目前，工业生产线中的平均指状电极宽度已持续减小到大约25微米。尽管如此，将丝网印刷的线宽进一步缩小到约20微米或更小仍面临相当大的挑战，主要是由于线宽、网孔规格和乳剂特性的限制[220]。

相比之下，LPTP（激光图案转移印刷）作为一种无接触印刷技术，由于其能够制造高纵横比的精细金属化指状电极而最近受到了广泛关注[94, 95]。其工作原理如图8a所示：首先，使用刀片将预图案化的沟槽填充银浆；然后将带子放置在晶圆上方约200微米处，使用红外激光蒸发浆料中的溶剂，从而帮助浆料从沟槽中脱离并转移到晶圆表面[94]。值得注意的是，LPTP工艺已被验证可以提高太阳能电池的效率并减少银的使用量。尽管有这些优势，LPTP通常只应用于HJT电池，因为PERC和TOPCon电池需要高温工艺来穿透表面的SiNx介电层。此外，指状电极中断和聚合物带中残留的浆料这两个关键问题阻碍了LPTP技术的大规模工业应用。除了直接制备金属电极外，LPTP还可以用于电镀过程的种子层制备[221]。如图8b所示，首先通过LPTP将镍-钒（NiV）种子层转移到介电层上，然后通过第二次激光处理使转移的NiV烧结穿过介电层，与TCO形成稳定接触[222]。随后可以直接进行铜电镀，而无需额外的预处理。随着激光加工技术的不断进步，这些基于激光的图案转移技术预计将在未来得到更广泛的应用。

图8

激光辅助金属化对于硅太阳能电池而言非常重要。a LPTP的工作原理示意图。

5.2 激光辅助烧结

在硅太阳能电池的金属化过程中，丝网印刷的银浆会经历一个关键的高温烧结步骤，将印刷层转化为功能电极[218]。然而，传统的烧结炉在平衡Ag-Si共晶形成与保持钝化完整性方面存在根本限制。作为替代方案，通过将激光处理与传统热处理相结合，开发了激光辅助烧结技术，以提高电极形成的效率和质量[98]。在这种方法中，激光选择性地加热印刷浆料的局部区域，使得烧结过程更快、更均匀，并避免了由于硅和金属电极之间的热膨胀系数不匹配导致的晶圆弯曲[223]。这种技术在需要精确控制热预算和空间选择性的应用中特别有利，例如对温度敏感的电池架构进行金属化。

除了激光辅助烧结之外，LECO（激光电化学氧化）也成为另一种高效的金属化技术，能够同时降低接触电阻并减少金属引起的复合。通过在电池上扫描激光时施加反向偏置电压，LECO促进了非破坏性的载流子注入，从而在金属-半导体界面的局部导电点产生高电流浓度[114]（图8c）。这有助于形成Ag-Si接触并建立低电阻的载流子分流路径。LECO最初于2019年提出，主要是为了恢复烧结不足的PERC太阳能电池的性能[224]。随后，这项技术在学术和工业领域得到了广泛的研究和应用，以提高硅太阳能电池的效率。图8d中的TEM研究表明，LECO处理诱导了磷掺杂发射体中的Ag线程晶体和微接触的形成，证实了Ag-Si界面处的微观结构演变[114, 225]。H?ffler等人使用二极管网络模型进一步证明，在LECO过程中形成Ag-Si合金时，适当的接触半径和局部绝缘环境是必要的[226]。

随着n型TOPCon技术逐渐取代PERC成为光伏市场的主流，LECO也显示出提高TOPCon太阳能电池效率的巨大潜力[99, 100]。TOPCon结构中的一个主要挑战是在传统的丝网印刷银电极和p+发射体之间形成低电阻的欧姆接触。为了解决这个问题，广泛采用了Ag/Al浆料进行正面金属化，因为它通过形成大量的Ag/Al接触点来降低接触电阻[114, 227,228,229]。然而，快速烧结过程容易在金属-硅界面产生金属尖峰，这是由于铝的高反应性。这些尖峰不仅增强了载流子的复合，导致光电转换效率下降，还影响了模块的可靠性[230, 231]。通过应用LECO处理，可以使用无铝浆料对TOPCon电池的p+发射体进行金属化，从而显著提高电池的可靠性。值得注意的是，与PERC电池不同，TOPCon架构中的电流传输方向和Ag-Si合金形成的位置有所不同，这影响了LECO的处理窗口和接触优化策略[114, 224]。展望未来，随着行业向减少银的使用和采用成本效益更高的基础金属（如铜）发展，LECO有望成为下一代高效太阳能电池的先进金属化解决方案。

6 结论与未来展望

总之，本综述系统地阐述了激光技术在推进晶体硅太阳能电池制造中的关键作用。讨论从控制激光-材料相互作用并定义加工质量的基本激光参数开始。随后，回顾了激光应用的发展历程，从它们在选择性发射体和烧蚀中的初步作用，到成为主流PERC和尖端TOPCon及BC太阳能电池中不可或缺的工具。核心分析进一步详细介绍了利用激光热效应、激光图案化和革命性的激光辅助金属化技术的多样化应用，所有这些都有助于工业生产中的显著效率提升。

展望未来，激光技术的发展将主要集中在克服本综述中确定的关键限制和瓶颈，特别是第2.3节中总结的那些问题。因此，未来的发展路径不仅仅是推测性的，而是基于解决热损伤、工艺集成、成本效益和架构复杂性等紧迫挑战。首先，为了减轻热诱导的损伤并实现接近原子级别的精度，超快激光（ps和fs范围）的采用将从一个小众技术转变为主流需求。这些激光通过利用非线性吸收和极端的空间-时间能量限制，将实现“冷”烧蚀和掺杂，同时将热损伤（HAZ）降至最低。这对于处理越来越温度敏感的先进HJT和TOPCon电池堆栈至关重要，同时也为一系列下一代特定于激光的制造技术提供了可能。在先进激光加工中最有前景的新兴途径包括飞秒激光诱导的纳米结构化和激光辅助的缺陷修复及界面工程。前者技术利用非线性烧蚀和自组织效应来创建亚波长表面纹理，如“黑硅”或激光诱导的周期性表面结构，提供了一种无需掩膜的干法途径，以实现超低反射率和超越传统湿化学纹理限制的光捕获效果。同时，激光辅助的缺陷修复利用超快激光的精确光热或光化学能量，实现对硅和钙钛矿材料中体相和界面缺陷的原位钝化，提供了一种有针对性的方法来提高材料质量和界面性能。通过促进原子尺度上的有益化学反应或晶格退火，这种方法旨在直接提高开路电压（Voc）。虽然目前仍处于实验室阶段，但其作为模块化干法工艺的长期集成可能会解决关键的复合损失问题。这些新兴应用的成熟，以及纳米尺度选择性接触的制造，展示了超快激光技术对于将电池效率推向理论极限的重要性。

其次，激光处理对于释放串联电池架构的效率潜力至关重要，特别是硅-钙钛矿串联电池。这里的挑战不仅限于单一材料的处理，还包括具有截然不同热和化学敏感性的不同材料的集成。激光将提供独特的工具集，用于子电池的单体串联互连（P1-P3刻蚀）、宽带隙钙钛矿和透明电极的精确图案化，以及局部缺陷钝化，同时保持整个多层堆栈所需的低热预算，以保持其完整性。最后，向智能、多功能激光加工站的转变为减少工艺复杂性和成本提供了明确的路线图。这些工作站将作为集成制造单元，而不仅仅是单一用途的工具。它们将在一个密封的环境中执行一系列激光步骤，如表面准备、局部掺杂和接触退火。这种顺序集成方式消除了重复的晶圆处理和对准步骤，从而最大限度地减少了损伤和污染。该系统的核心在于原位传感器与人工智能驱动的闭环控制的结合。这些传感器能够实时提供工艺状态的数据流，随后机器学习算法会分析这些反馈信息，通过即时调整激光功率、扫描速度和光束轮廓来纠正偏差。从开环控制向自优化制造的转变确保了产品的高度可重复性和产量。最终，集成处理与自适应控制的协同作用将推动可扩展、超高效率的光伏制造技术的发展。此外，随着光伏产业日益与全球碳中和目标保持一致，激光加工所具备的环保特性必须得到充分强调。通过用局部化的快速热循环替代能耗较高的整体炉加热方式，并用无掩膜的干法刻蚀技术替代化学腐蚀性强的湿法刻蚀技术，激光技术本身就能显著降低能耗并消除多种有毒化学废物的产生。因此，激光技术的持续进步不仅提升了能量转换效率和制造产量，还为下一代太阳能电池的“绿色制造”提供了关键的技术支持。