采用激光增强接触优化的丝网印刷铜接触n型隧穿氧化层钝化接触太阳能电池的表征（效率24.3%）

《Solar Energy》：Characterization of 24.3% screen-printed Cu-contacted n-type tunnel oxide passivated contact solar cell with laser enhanced contact optimization

　　

随着光伏制造迈向太瓦级年度产能，银（Ag）价上涨使降低金属化成本压力增大；Ag金属化是硅片之后第二大耗材。p型PERC与n型TOPCon占光伏产量90%以上，n-TOPCon以前表面硼扩散发射极、后表面磷掺杂多晶硅（poly-Si）/SiOx接触为特征，虽效率高但仍前后端均依赖Ag。Ag成本高、供应有限且价格波动，推动以铜（Cu）替代；Cu电导接近Ag，成本低约百倍、丰度高约千倍。但Cu在硅中高扩散会导致复合与结漏电流恶化。镍、Ag等扩散势垒会削弱工业Cu金属化所需的简捷与成本优势，因此研究人员采用无扩散势垒的传统丝网印刷。研究人员使用Bert Thin Films的丝网印刷Cu浆料，可在空气中使用标准设备烧结；烧结时浆料快速氧化，在Cu颗粒外形成导电Cu氧化物壳，抑制Cu向硅衬底扩散，硅表面预期形成富Cu玻璃层，通过多步隧穿实现载流子输运，避免Cu–Si直接接触。该Cu浆料低温（约500 °C）烧结，并与激光增强接触优化（LECO）兼容：激光扫前表面、电池加反向偏压，使预欠烧形成的低阻区产生局域高载流子注入。已有研究多关注硼发射极侧Ag-Si的LECO接触，后侧n-poly-Si的LECO诱导Cu-Si接触此前未系统研究。研究人员前期已实现21.4% p-PERC、23% n-TOPCon的Cu+LECO电池；本文报道效率24.3%的Cu接触n-TOPCon电池，Voc 732 mV、填充因子（FF）80.8%、串联电阻（Rs）0.66 Ω·cm2。研究人员对Ag与Cu接触在LECO前后的接触电阻率（ρc）和金属诱导复合电流密度（J0, metal）作详细研究，用Quokka 3器件建模匹配实测与模型参数，并用扫描透射电子显微镜（STEM）与能谱X射线光谱（EDXS）揭示LECO前后Cu接触界面结构与化学变化。

研究背景方面，光伏产业正向太瓦级年产规模扩张，银（Ag）作为硅片之后第二大电池制造成本项，价格上行与供应波动使n型隧穿氧化层钝化接触（TOPCon）电池的金属化降本成为产业焦点。n-TOPCon具有前表面硼发射极与后表面磷掺杂多晶硅（poly-Si）/隧穿氧化层（SiO_x）结构，效率高但前后金属化仍高度依赖Ag。铜（Cu）电导接近Ag、成本与丰度优势显著，但Cu在硅中扩散快，会引起复合增强和结漏电，传统解决方案如镍或Ag扩散势垒又会牺牲工业丝网印刷的简捷与低成本，因此无势垒、可空气烧结的丝网印刷Cu浆料结合激光增强接触优化（LECO）成为值得研究的方向。研究人员面向后侧n-poly-Si上的LECO诱导Cu-Si接触这一未被充分研究的问题，制备Ag/Cu接触n-TOPCon电池，最终得到24.3%效率、732 mV开路电压（V_oc）、80.8%填充因子（FF）与0.66 Ω·cm²串联电阻（R_s）的器件，证明Cu替代Ag在后接触侧具备高效率潜力，对降低光伏金属化成本有重要意义；该文发表于《Solar Energy》。

关键技术方法上，研究人员采用商业n-TOPCon前驱体，前接触用丝网印刷Ag高温共烧，后接触分别用Ag与Bert Thin Films丝网印刷Cu浆料低温烧结，再进行LECO处理；用传输线法（TLM）测接触电阻率（ρ_c），通过不同后侧栅线覆盖度样品由光IV提取总复合电流并拆分金属诱导复合电流密度（J_{0, metal}），用Quokka 3做器件建模校验，用扫描透射电子显微镜（STEM）与能谱X射线光谱（EDXS）观察界面显微结构与元素分布。

1. 2.
   Experimental
   2.1. Solar cell fabrication
   研究人员使用商业n-TOPCon前驱体，前表面为约300 Ω/□硼掺杂织构发射极，后表面为隧穿氧化层加约90 nm平面n型poly-Si；前侧AlO_x/SiN_x钝化，后侧薄AlO_x加约70 nm SiN_x。前Ag于685 °C烧结，后Cu于约540 °C烧结以抑制Cu迁移，随后在优化条件进行LECO：Ag电池18 V、Cu电池19 V反向偏压，27.5 W激光。通过工艺序列与金属化尺寸对照，建立Ag与Cu接触电池实验载体。

2.2. Contact resistivity and metal-induced recombination current density measurement

研究人员用传输线法（TLM）从成品电池激光切条测栅线间电阻获ρ_c；通过后侧不同栅线数样品，将总J₀按前、后、体复合分解，并利用后侧金属覆盖率f_m关系提取J_{0, metal}。因n型poly-Si场区J_{0, field}仅约1 fA/cm²，后侧J_{0, rear}近似等于J_{0, metal}×f_m，从而量化金属接触复合贡献。

结果与讨论主体中，研究人员发现Cu栅线线电阻约18 μΩ·cm，高于Ag的6 μΩ·cm；LECO使Cu后接触ρ_c显著改善。Ag接触LECO机理为局域焦耳热使Ag-Si在金字塔尖达到Ag-Si共晶点，形成合金化局域点接触；Cu体系下LECO同样在poly-Si中形成局域高导通道，且STEM/EDXS显示LECO后poly-Si内嵌有富Cu晶态颗粒，说明Cu经玻璃层/局域热过程进入poly-Si区域，而非大范围扩散入晶体硅。Cu接触的金属诱导复合电流密度较低，说明局域接触结构使金属覆盖带来的复合损失受控。Quokka 3建模将提取的ρ_c、J_{0, metal}、R_s、V_oc等输入后，模拟与实测电池参数吻合，验证实验提取参数可信。

讨论部分指出，无扩散势垒丝网印刷Cu配合LECO，可在后侧n-poly-Si上形成低ρ_c、低J_{0, metal}的接触，克服Cu硅中扩散害处的关键不是完全阻止Cu进入半导体层，而是通过低温烧结氧化壳、玻璃层多步隧穿与LECO局域高注入形成选择性局域导电通路，使Cu主要参与poly-Si/玻璃界面附近导电，而不引发整片晶体硅的严重复合衰减。相比Ag，Cu浆料线电阻仍偏高、无主栅设计使后侧栅线数与线宽不同，因此后续需继续优化浆料导电相、frit化学与LECO窗口以兼顾R_s、FF与长期可靠性。

结论部分译为：研究人员实现了24.3%效率的丝网印刷Cu接触n-TOPCon太阳能电池，其V_oc为732 mV、FF为80.8%、R_s为0.66 Ω·cm²。激光增强接触优化（LECO）降低了后侧Cu-n-poly-Si接触的ρ_c，并形成局域高导接触与低J_{0, metal}。STEM与EDXS证实LECO后poly-Si中存在富Cu晶态颗粒，表明Cu接触形成机制不同于传统高温Ag共晶接触，而是通过玻璃层输运与局域激光偏压诱导改造实现。该工作表明，无扩散势垒、空气可烧的丝网印刷Cu金属化在TOPCon后接触上具有产业化降本的技术可行性，为Ag替代提供了经器件建模与界面表征支撑的实验依据。