《Materials & Design》：Advanced laser technologies toward high-efficiency crystalline silicon solar cells: A review
太阳能光伏（PV）发电在低碳电力迫切需求与持续降本的共同驱动下，已成为新增可再生能源装机的主导来源。在各类光伏技术中，晶体硅（c-Si）太阳能电池凭借成熟制造工艺、长期可靠性与成本竞争力，始终保持超过95%的市场份额。随着产业路线由铝背场（Al-BSF）和钝化发射极背面电池（PERC）持续演进至n型隧穿氧化层钝化接触（TOPCon）、硅异质结（SHJ）及背接触（BC）结构，制造过程在掺杂精度、界面钝化、接触选择性以及微纳尺度图形化等方面提出了更为严苛的要求。
作为一种具有非接触操作、高能量密度、优异空间分辨率和广泛工艺兼容性的制造方法，基于激光的加工技术已成为高效率晶体硅太阳能电池制备中的关键使能手段。相较于湿法化学刻蚀、热扩散与丝网印刷等传统工艺，激光加工在图形精度和局域材料调控方面具有显著优势，因而能够降低热损伤、减少污染并改善界面质量。这些优势共同促进器件功率转换效率（PCE）与可靠性的提升，同时有助于简化工艺流程、降低制造成本并推动绿色可持续生产。激光技术最初被引入光伏制造领域，主要用于PERC电池中的局域背面接触开孔（Al-pads）。随着激光性能的持续进步，相关应用已由实验室研究逐步扩展至大规模工业部署。
当前，激光技术已深度融入晶体硅太阳能电池制造流程，涵盖选择性材料去除、局域掺杂、界面改性、电极图形化与转移以及电池互连等多个环节。
尽管激光加工在精度、柔性及局域能量输运方面具有突出优势，其在高效率太阳能电池制造中的应用仍面临显著挑战。激光辐照与硅（Si）之间的复杂相互作用可能诱发热损伤、微裂纹与残余应力，从而削弱器件结构完整性、可靠性及长期性能。此外，工艺控制要求极高，激光波长、脉宽和能量密度等参数必须依据具体器件结构与应用场景进行精确匹配和自适应优化。
不同于以往主要按激光光源、波长或单一步骤对激光工艺进行分类的综述，本文从电池结构类型与工业成熟度导向出发，对激光技术在器件兼容性、产业成熟度、损伤控制及工艺稳定性等方面进行评估，并有意识地区分已成熟或新兴的工业工艺，与那些仍属于历史性、特定结构适用或实验室尺度的技术。该分类框架不仅阐明各类激光工艺“如何起作用”，也解释其为何在现代晶体硅光伏制造中被采用、修正、替代或保留。针对每一种代表性工艺，讨论均着重于其功能定位、器件层面收益、关键局限、替代逻辑与未来相关性，旨在为更可靠、可扩展且与电池结构相兼容的光伏激光加工提供批判性参考。
1. Introduction
文章首先指出，太阳能光伏（PV）在全球低碳能源体系中的地位持续提升，而晶体硅（c-Si）太阳能电池凭借制造成熟度、可靠性和成本优势，仍是绝对主流技术路线。随着产业由铝背场（Al-BSF）和钝化发射极背面电池（PERC）向n型隧穿氧化层钝化接触（TOPCon）、硅异质结（SHJ）与背接触（BC）结构演进，制造过程对掺杂选择性、界面钝化稳定性、接触质量以及微纳图形化能力提出更高要求。文章据此引出激光加工的核心价值，即利用非接触、高能量密度和高空间分辨特征，实现复杂多层结构中的局域选择性加工。作者同时强调，激光已从早期PERC背面局域开孔扩展至材料去除、局域掺杂、界面调控、金属化和互连等多个环节，但其工业应用仍受到热损伤、微裂纹、残余应力以及工艺窗口狭窄等因素制约。为区别于既有按波长或工艺步骤分类的综述，本文采用“器件结构—工业成熟度”双重视角，分析各类激光技术在现代c-Si光伏制造中的真实地位与未来前景。
2. Fundamentals and characteristics of lasers for PV processing
2.1. Fundamentals of lasers and laser–silicon interaction mechanisms
该部分从物理机制出发，说明光伏制造中的激光加工并非针对单一裸硅材料，而是作用于包含介质层、透明导电氧化物（TCO）、掺杂发射极、poly-Si/SiOx钝化接触、金属层及织构表面的多层堆栈体系。光子被吸收后，首先产生自由载流子与非平衡电子激发，随后通过电子-声子耦合将能量传递至晶格。依据激光参数及目标堆栈特征不同，局域响应可表现为缺陷重构、氢再分布、掺杂激活、结晶化，也可进一步发展为熔融、烧蚀、合金化和快速再凝固。文章据此解释了激光接触开窗（LCO）、选择性发射极激光掺杂（LDSE）、激光诱导退火（LIA）、激光增强接触优化（LECO）、激光划线与激光焊接等工艺的物理基础，同时指出一旦沉积能量超过特定结构的损伤容限，就可能形成热影响区（HAZ）、再铸层、碎屑再沉积、残余应力、微裂纹和复合活性缺陷。因此，高效太阳能电池中的激光-硅相互作用本质上应理解为“堆栈层级工艺窗口问题”，而非单一材料响应问题。
2.2. Influence of laser parameters
本节系统讨论激光关键参数对能量局域化、热积累、缺陷形成和工艺选择性的控制作用，并强调这些参数必须结合器件堆栈和电池结构综合评估。
2.2.1. Laser wavelength
波长决定光子与材料电子结构的耦合方式，从而影响吸收深度、初始能量沉积分布和主导能量传递路径。对于c-Si而言，紫外（UV）激光通常实现纳米尺度浅层能量沉积，适用于SiNx、Al
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3、TCO或poly-Si/SiOx相关结构的高分辨选择性去除，因此广泛用于PERC、TOPCon、SHJ和BC电池中的LCO。但若能量密度或重叠率控制不当，也容易引发局域应力、碎屑沉积和钝化退化。可见光（Vis）与近红外（NIR）激光沉积更深，更适合掺杂激活、局域退火、再结晶或金属耦合，但其层选择性较弱，因此在含超薄隧穿氧化层或温度敏感钝化层的结构中，对工艺控制提出更严格要求。超快激光高强度辐照下还会出现多光子吸收等非线性效应，从而实现低热预算“冷烧蚀”。
2.2.2. Laser intensity
激光强度或辐照量（fluence）决定单位面积沉积能量密度，并控制材料响应由缺陷退火、相变向熔融与烧蚀的转变。低于熔化阈值时，主要发生局域加热、缺陷修复、掺杂激活和相变；超过烧蚀阈值后，则可能出现汽化、等离子体形成、反冲压驱动喷射以及再凝固残留。文章强调，在光伏制造中，辐照量定义了“处理不足”与“过度损伤”之间的操作窗口：能量过低会导致介质层开口不完全、掺杂激活不足或接触形成不稳定；能量过高则会产生再铸层、微裂纹、钝化损失及接触诱导复合。
2.2.3. Laser interaction time
激光作用时间决定沉积能量在电子激发与晶格加热之间的分配，因而界定主导加工机制。连续波（CW）或微秒级辐照通常属于准平衡加热，适合宏观退火、焊接和热键合，但更易形成较大的HAZ，不利于缺陷敏感钝化结构。纳秒激光仍以光热过程为主，适用于常规烧蚀、接触开窗和边缘隔离，但若辐照量或重叠率控制不当，易产生再凝固残留和热诱导缺陷。皮秒和飞秒脉冲则因能量沉积快于晶格热化，能够显著抑制热扩散，减少HAZ并提高精度，但相应设备成本更高，吞吐量有时也受限制。
2.2.4. Repetition rate and scanning strategy
单脉冲参数决定局域能量耦合，而重复频率与扫描策略则主导宏观热积累、空间均匀性和产能。高重复频率有利于提高产率，但也可能导致热量积累并使加工向准连续波行为转变；低重复频率虽然有助于抑制热累积，却会限制吞吐量。在扫描加工中，脉冲频率和扫描速度共同决定光斑重叠率（SOR），线间距决定扫描线重叠率（LOR）。过高重叠率虽能提高连续性，却可能带来过烧蚀、局部过热与钝化损伤；重叠率不足则会导致开孔不连续或改性不均。因此，大面积LCO、激光划线及激光辅助金属化均需联合优化重复频率、扫描速度、SOR与LOR。
2.2.5. Material thermal and structural properties
材料热学与结构性质决定吸收能量如何演变为温度梯度、应力和微结构变化。低热导率有利于热量局域化，但也更容易造成陡峭温度梯度和应力积累。多晶、粗糙或多孔材料中的晶界、缺陷和表面形貌会增强散射与局域吸收，从而既可能促进烧结或再结晶，也可能放大非均匀损伤。在TOPCon、SHJ与BC等多层堆栈中，介质层、TCO、poly-Si、金属与c-Si之间的界面热阻及热膨胀失配，会进一步加剧快速加热和冷却过程中的应力问题。作者总结指出，波长、强度、时间特征、扫描策略和材料属性共同定义了各类激光工艺的实际操作窗口。
3. Applications of laser technologies in c-Si solar cell manufacturing
该章节围绕现代c-Si太阳能电池制造中的典型应用展开，并按照工艺功能与产业成熟度进行讨论。
3.1. Laser technologies for emitter and passivation layer modification
3.1.1. Laser texturing
激光织构通过在硅表面形成微/纳结构增强陷光，尤其适用于传统湿法制绒难以均匀处理的多晶硅（mc-Si）。但该工艺通常伴随HAZ、熔融残留、微裂纹及激光损伤层，易增强载流子复合并降低开路电压（V
oc）与填充因子（FF）。因此，后续刻蚀常被用于去除损伤层，但过度刻蚀又会削弱光学收益。文章认为，激光织构虽具特定光学优势，但由于损伤控制困难、设备成本高、吞吐量有限及额外清洗刻蚀步骤等原因，尚未成为主流工业工艺，其未来更可能用于特种光学结构、非平面衬底及叠层兼容表面工程。
3.1.2. Laser-doped selective emitter
选择性发射极通过在金属接触下方形成重掺杂区、在其余区域保持轻掺杂和良好钝化，从而缓解接触电阻与复合损失之间的矛盾。LDSE利用高能脉冲激光与掺杂源协同作用，在纳秒时间尺度内引发表面瞬态熔融、快速掺杂引入和快速淬火再结晶，实现局域高质量掺杂。与传统高温扩散和离子注入相比，LDSE具有近环境温度下精确控制掺杂深度与浓度分布的潜力。工业上更具相关性的是介质沉积前路线，即利用磷硅玻璃（PSG）或硼硅玻璃（BSG）作为掺杂源进行局域浓度提升。虽然介质沉积后LDSE结合电镀可实现自对准金属化，但因流程复杂、激光控制严格、附着力和可靠性问题，其产业采用较为有限。文章特别指出，随着LECO的发展，部分制造流程中对LDSE的需求下降，但这更多体现为路线级工艺简化，而非功能上的完全替代；当局域掺杂轮廓工程可带来明确器件收益时，LDSE仍具价值。
3.1.3. Laser contact opening
LCO是高效c-Si电池中最具工业相关性的激光工艺之一，其作用是在保持非接触区钝化的同时，选择性移除钝化层、减反层或掩膜层，以形成微米级局域金属-半导体接触。在PERC中，LCO主要用于开启背面Al
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3/SiNx钝化堆栈，以在后续烧结中形成局域Al-BSF接触。在TOPCon中，LCO常用于选择性去除SiNx帽层，以适配Ni/Cu等精细金属化方案。文章强调，TOPCon前后表面的LCO优化逻辑不同：前表面受织构影响，存在吸收不均、场增强和碎屑沉积等问题；后表面则需在移除介质层的同时严格保护下方poly-Si/SiOx钝化接触。除简单开孔外，激光还被扩展至钝化接触选择性工程，例如通过UV皮秒激光结合碱刻蚀形成横向调制SiOx/n
+-poly-Si结构，以降低寄生吸收并保持局域接触质量。对于SHJ与BC电池，LCO同样在低温电镀接触和背面高精度极性定义中发挥核心作用。
3.1.4. Laser-induced annealing
LIA是一种低热预算、局域化的激光退火手段，可用于掺杂激活、结晶、缺陷调控和钝化改善。在TOPCon中，LIA可缓解传统高温退火导致的过度扩散、Auger复合以及超薄SiOx隧穿层损伤问题。文章指出，绿光激光退火可促进poly-Si结晶、改善钝化与接触质量。作为LIA的延伸，激光诱导晶化（LIC）进一步实现a-Si:H向纳米晶硅（nc-Si）的局域相变，用以构建低电阻接触区并保留周围非晶硅的钝化优势。在混合BC电池中，LIC已表现出提升PCE的潜力。对于SHJ，尽管严格意义上的LIA受a-Si:H/c-Si界面热敏感性限制，但高强度光照辅助退火等相关光子辅助处理同样展现出改善V
oc与FF的效果。总体而言，LIA更适合作为TOPCon和SHJ制造中的兼容性优化步骤，其关键挑战在于局域温度控制、钝化保持及大面积均匀性。
3.2. Laser technologies for electrode contact formation and metallization
3.2.1. Laser-fired contact
激光烧结接触（LFC）通过脉冲激光局域打开背面介质钝化层，使金属与硅发生局域合金化，从而形成Al-BSF或相关接触结构。该工艺曾为高效硅电池提供一种无需光刻或湿法开孔的局域接触方案。然而，由于工艺窗口窄、局域合金化稳定性不足、接触可靠性问题及高通量集成困难，LFC最终被“LCO+铝浆烧结”的PERC路线所取代。文章因此将其定位为一种具有历史与机理参考意义、但已不再是主流量产方向的技术。
3.2.2. Laser drilling
激光钻孔主要服务于金属穿通（MWT）和发射极穿通（EWT）等背接触架构，通过形成穿片导通通道实现部分前栅后移。尽管其具备微米级高精度加工能力，但高密度通孔可能导致热损伤、再铸层、微裂纹和沿孔壁的应力集中，从而增加复合并削弱接触可靠性。即使超快激光可降低HAZ，其成本与产能仍不利于大规模光伏生产。再加上后续金属化、绝缘、对准和组件集成复杂，该类工艺的工业相关性已明显下降。
3.2.3. Laser-assisted metallization technologies
文章重点讨论了激光诱导前向转移（LIFT）与图形转移印刷（PTP）两类激光辅助金属化技术。LIFT通过透明供体基底将激光作用于Ag/Cu浆料或导电薄膜供体层，实现对受体衬底的精确图形化转移，适合低温、精细化金属化，尤其对SHJ具有吸引力。PTP则通过激光诱导溶剂汽化，将聚合物膜中的Ag浆料转移至电池表面，可实现窄线宽、高纵横比电极并显著降低银耗。文章指出，这两类技术直接针对当前细栅线、低银耗、低温兼容等关键瓶颈，但其从实验室到量产仍受浆料流变、转移动力学、重复性、附着可靠性及大面积均匀性的限制。
3.2.4. Laser-enhanced contact optimization
LECO是近年来工业PERC和尤其TOPCon电池中备受关注的后金属化接触优化工艺。其典型流程是在外加反向偏压下，对已丝网印刷并烧结的电池进行局域激光照射，通过光-热-电耦合作用改善金属-半导体接触。文章指出，LECO可拓宽烧结窗口、修复接触不充分区域，并改善接触电阻与复合之间的权衡。对于TOPCon前表面硼发射极，LECO实质上是一种接触选择性电热激活过程：电流优先流经局域高阻或接触不完全区域，焦耳热与激光热共同驱动Ag/玻璃/Si界面的重构，形成更多低阻导电路径。研究还显示，rear-side LECO可在Ag/poly-Si界面诱导局域接触形成或重构。文章同时强调，LECO的有效性依赖狭窄工艺窗口；过度激活会造成过热、金属深穿、钝化接触退化、漏电和V
oc损失。因此，其优化必须综合考虑激光功率、偏压、电流、浆料组成及初始烧结状态。作者认为，随着TOPCon向高方阻发射极、窄栅线、低银耗及Cu兼容接触栈发展，LECO的重要性将进一步提升。
3.3. Laser technologies for cell isolation and segmentation
3.3.1. Laser edge isolation
激光边缘隔离（LEI）通过在电池边缘形成隔离沟槽，阻断前发射极与背接触之间的寄生导通。在Al-BSF时代，该工艺因高通量、低成本和无化学品使用而得到广泛应用。其常采用NIR激光熔融并蒸发硅，在边缘形成环形隔离槽。但热烧蚀也可能引发再结晶、微裂纹、碎屑再沉积、局域钝化损失及隔离不完全。随着硅片持续减薄和高效结构发展，LEI正逐渐被化学边缘隔离（CEI）或更低损伤的激光划线策略替代或补充。
3.3.2. Laser scribing
随着硅片尺寸增大，组件电流和电阻损耗上升，半片、叠瓦等分片技术愈发重要，激光划线因此成为高效组件制造中的关键非接触分离工艺。主流方案包括全激光烧蚀、激光划线结合机械劈裂，以及热激光分离（TLS）。文章指出，在SHJ、双面电池及已金属化电池中，必须根据结构热敏感性、划线侧别、遍数和光束轨迹精细优化参数，以降低边缘复合和机械损伤。未来发展方向在于结合热-力学建模、参数优化和边缘钝化技术，以兼顾薄片化、机械可靠性与电学性能。
3.4. Laser technologies for module interconnection
3.4.1. Laser welding
激光焊接通过局域熔融在金属箔与电极之间形成冶金键合，是一种具有潜力的组件互连技术。与焊带焊接或导电胶相比，其具备非接触、高精度、材料消耗低以及减少有机互连长期失效风险等优势，尤其适用于无主栅（busbarless）、背接触及低银组件。已有研究表明，采用激光焊接的Al箔或印刷Al接触可实现较低的电池到组件（CTM）功率损失和良好的湿热稳定性。但其量产仍面临焊接均匀性、接触电阻、不同材料与厚度下的适配性，以及过量能量导致硅基底、钝化层和金属化区域损伤等问题。
4. Challenges and limitations of laser processing in high-efficiency c-Si solar cells
该部分将激光加工面临的问题归纳为物理损伤、电学退化和制造集成三个层面。物理层面主要包括HAZ、微裂纹、再铸层、碎屑再沉积和残余应力，尤其在薄硅片、织构表面和多层堆栈中更为突出。电学层面的核心矛盾是，在提升接触形成、载流子收集或光学性能的同时，避免复合损失上升。对于LCO、LDSE、LIA和LECO等工艺，过高能量输入可能导致氢逸出、隧穿氧化层退化、掺杂过扩散、界面应力、漏电及金属化诱导复合，最终降低V
oc、FF和长期可靠性。制造层面则涉及大面积均匀性、吞吐量、对准精度，以及与金属化和组件封装环节的兼容性。作者提出，未来改进应从单纯参数调节转向“工艺-材料-器件”协同优化，并区分“损伤去除”和“损伤容限”两种治理思路：前者适用于材料去除型工艺，后者适用于LIA、LFC和LECO这类以局域改性为目标的功能型工艺。先进光束整形、原位诊断、多物理场建模和数据驱动反馈控制，将是实现可靠量产化的关键支撑。
5. Summary and outlook
总结部分指出，激光技术已成为高效率c-Si太阳能电池制造的重要使能工具，其角色已由早期边缘隔离、划线和局域接触形成，扩展至选择性掺杂、接触开窗、局域退火、接触优化、先进金属化和组件互连等多维度应用。文章的核心观点是，评估激光工艺不能仅停留于物理原理或历史应用，而应同时考察其工业成熟度、结构兼容性与损伤容限。LFC、激光织构和穿孔类工艺虽具有历史参考意义，但受限于工艺窗口狭窄、损伤控制难和集成复杂，长期工业价值有限；相比之下，LCO、LDSE、LECO、LIA、激光辅助金属化、激光划线和激光焊接更贴近当前高效电池和组件制造需求。未来，TOPCon、SHJ和BC路线中的激光加工将更加依赖对超薄钝化界面保护、选择性接触构建、极性隔离、局域相工程和接触电阻降低的协同控制；而在金属化与组件制造方面，则需与低银耗、Cu兼容、无主栅和薄片化策略联动发展。整体而言，激光技术的进一步突破将取决于对激光-材料相互作用机理的深入理解，以及光束工程、原位表征、多物理场模拟和数据驱动工艺控制的持续进展。
