可用于大规模量产的新型双面铜镀膜技术, 王璐博士团队最新WILEY发文

在光伏行业中，降低产品的 “碳足迹”至关重要。铜在碳排放和成本方面优于银，因此用镀铜触点替代银浆触点是太阳能电池金属化技术的发展趋势。与金属银相比，铜具有低排放和低成本的特点，能有效降低碳足迹。

不同金属产出的温室气体排放分配情况

基于不同定义方法的温室气体排放在不同产出金属中的分配

图中比较了铜和银在不同分配条件下的碳足迹。结果显示，在所有四种分配条件下，铜的碳足迹都小于银。这表明在光伏产业中，使用铜作为金属化材料相比于银可以更有效地减少碳排放。

太阳能电池结构

具有双面镍/铜金属化的 TOPCon 太阳能电池的示意图

正面结构纹理化：使用 NaOH 碱性溶液与硅衬底反应，形成高度约为 3μm 的均匀金字塔结构。这种纹理化结构可以有效减少光的反射，增加光在电池内部的吸收路径，从而提高光的利用率。钝化：先沉积 3nm的AlOx 层，再沉积80nm折射率为1.93的SiNx层作为减反射涂层。AlOx 层和 SiNx 层的钝化作用可以降低硅表面的悬挂键，减少表面复合，提高少数载流子寿命，进而提升电池的开路电压和转换效率。

金属化：Cu金属化层厚度超过5μm，为电池提供良好的导电性，确保光生载流子能够有效地收集和传输到外部电路，减少电阻损耗，提高电池的填充因子。

背面结构

隧穿氧化层：沉积 2nm 的超薄隧穿氧化层，该层允许多数载流子通过的同时阻碍少数载流子，有助于提高电池的钝化效果，减少背面的载流子复合，从而提升电池的性能。

多晶硅层：制备约85nm的磷掺杂多晶硅，先通过PECVD沉积磷掺杂非晶硅，再退火形成多晶硅，其背面方块电阻约为50Ω/sq。多晶硅层在电池中起到钝化和载流子传输的作用，能够进一步提高电池的转换效率。

钝化与金属化：PECVD 沉积82nm折射率为2.18的SiNx层进行钝化，背面介质层开口约为16μm，通过光诱导电镀方式进Ni/Cu电镀。SiNx层的钝化作用与正面类似，而光诱导电镀的 Ni/Cu 金属化则为电池背面提供良好的导电性能，保证载流子的有效收集和传输。

激光图案化工艺

太阳能电池在经过激光刻蚀过程后的表面图像

激光消融宽度：从图中可以清晰地看到，激光消融区域呈现出一定的宽度，约为 10μm。这个宽度对于太阳能电池的制造来说是一个关键参数，因为它直接关系到后续金属化过程中电极栅线的宽度。

SiNx 层去除效果：太阳能电池表面的SiNx层被超快激光完美去除，而原始的金字塔结构仍然保留。这表明激光刻蚀过程对硅基底的损伤很小，有利于后续的金属化过程。

通过显微镜图像和SEM图像展示了激光刻蚀过程对太阳能电池表面的影响，强调了激光刻蚀在太阳能电池金属化过程中的重要性和有效性。

水平双面电镀金属化设备

低破碎率：与其他电镀方法相比，HDPLATE 不需要夹持硅片，这一特点使其具有低破碎率的优势。传统的夹持方式可能会对硅片造成机械应力，导致硅片破碎，而 HDPLATE 避免了这种情况的发生，提高了生产过程中的成品率，降低了生产成本。良好的导电效果：HDPLATE 具有独特的导电装置，从而具备了优秀的导电效果。良好的导电效果可以确保在电镀过程中电流均匀分布在硅片表面，使金属镀层均匀生长，从而提高电池的一致性和可靠性，同时也有助于保护太阳能电池不受损坏。

可回收水系统：设备配备了可回收水系统，用于回收电镀溶液，使其能够连续循环使用而无需更换。这一设计减少了电镀溶液的消耗，降低了生产成本，符合绿色生产的理念。

太阳能电池的制备

制造TOPCon太阳能电池的七个主要步骤，从表面纹理化到双面包覆Ni/Cu金属化和烧结，每个步骤都对电池的性能有重要影响。1、前表面纹理处理2、通过扩散形成 P+层3、在背面制备隧道层和多晶硅层4、在前表面镀覆氧化铝(AIOx)和氮化硅(SiNx)5、在背面涂覆氮化硅(SiNx)6、激光开槽和高温修复(T=750℃，t=30 秒)7、双面Ni/Cu金属化和烧结这个制备过程中的每个步骤相互配合、协同作用，从硅片的初始处理到正面和背面结构的构建，再到最后的金属化和烧结，全方位地优化了太阳能电池的性能。通过精确控制各层的厚度、浓度、结构等参数，以及合理安排各工艺步骤，最终实现了双面 Ni/Cu 金属化 TOPCon 太阳能电池的高效光电转换，为大规模生产高性能太阳能电池提供了可靠的技术方案。

太阳能电池性能测试与分析

拉伸测试

进行了拉伸测试以确保太阳能电池的导电栅线满足机械强度标准，防止在使用过程中发生断裂。测试结果显示，采用电镀工艺的太阳能电池栅线能够承受超过规定的0.8 N的力，合格率达到100%，表明电镀工艺生产的栅线在机械强度上是合格的，并且与传统丝网印刷工艺相比，平均拉伸力更高，显示了电镀工艺的可靠性。

Ni/Cu接触

SEM图像

通过SEM图像观察，Ni/Cu金属化后的栅线宽度仅为17.6微米，相较于传统丝网印刷技术大幅减少。这种细化的手指结构不仅可以减少遮光区域，还能降低串联电阻，从而显著提高光电转换效率。

高温修复

研究中使用了水平双面包覆Ni/Cu金属化工艺，并辅以高温修复，以提高太阳能电池的电气性能。高温修复后的太阳能电池效率分布更集中，整体效率比未进行高温修复的提高了0.422%，表明高温修复是一个必要的工艺步骤。

电气性能

镍/铜金属化的电性能分布

使用I-V测试设备进行测试，测试条件为AM1.5G，1000 W/m?，25°C。测试结果显示，采用激光刻蚀和Ni/Cu金属化的太阳能电池具有出色的电气性能分布，表明水平双面包覆Ni/Cu镀膜技术的效果优秀。

接触电阻和网格电阻

接触电阻：Ni/Cu金属化的接触电阻为0.71 mΩ·cm?，而Ag/Al丝网印刷的接触电阻为1.53 mΩ·cm?。这表明Ni/Cu金属化技术具有更低的接触电阻，这意味着在金属和硅基底之间的电阻较小，有利于提高电流传输效率。网格电阻：在网格电阻方面，Ni/Cu金属化的值为1.75×10?? mΩ/cm，而Ag/Al丝网印刷的值为5×10?? mΩ/cm。Ni/Cu金属化技术的网格电阻更低，这有助于减少太阳能电池的串联电阻，从而提高电池的整体效率。

iVoc的影响

太阳能电池iVoc的影响

太阳能电池经过双面硅氮化物钝化后，iVoc约为750mV，激光刻蚀和Ni/Cu金属化后，iVoc降低到约719mV。光电转换效率：Ni/Cu金属化电池的平均效率为26.259%，而Ag/Al丝网印刷电池的平均效率为26.117%。这表明Ni/Cu金属化技术在提高电池效率方面与传统的Ag/Al丝网印刷技术相当，甚至略有优势。

开路电压：Ni/Cu金属化电池的开路电压为0.7182 V，而Ag/Al丝网印刷电池的开路电压为0.7239 V。尽管Ni/Cu金属化电池的开路电压略低于Ag/Al丝网印刷电池，但差异不大。

短路电流：Ni/Cu金属化电池为18.82 A，Ag/Al丝网印刷电池为18.80 A。这表明两种技术在收集光生载流子方面表现相似。

填充因子：Ni/Cu金属化电池的填充因子为85.66%，而Ag/Al丝网印刷电池的填充因子为84.63%。Ni/Cu金属化电池的填充因子略高，这可能是由于其更低的接触和网格电阻导致的。

光致发光（PL）图像分析

前后表面激光刻蚀前后的光致发光（PL）图像

光致发光（PL）成像原理：PL成像是一种用于评估半导体材料和太阳能电池内部缺陷的技术。通过测量从电池表面发出的光量，可以识别材料中的重组中心和缺陷。

激光刻蚀对PL的影响：展示了激光刻蚀前后前后表面的PL图像灰度值变化。激光刻蚀用于去除表面的SiNx层，以便进行金属化。

前表面PL变化：显示了激光刻蚀后前表面的PL灰度值明显下降。这表明激光刻蚀后，前表面的重组活动增加，可能是由于激光刻蚀引入的表面损伤或缺陷。

后表面PL变化：显示了激光刻蚀后后表面的PL灰度值变化较小。这可能表明后表面的多晶硅层对激光刻蚀有保护作用，减少了表面损伤。

水平双面铜金属化技术在太阳能电池制造领域展现出巨大潜力。通过对 TOPCon 太阳能电池的研究，我们看到该技术在提升电池性能方面的显著优势，包括提高光电转换效率、降低串联电阻、增强电极可靠性等，为太阳能电池的大规模生产提供了一种新的、有效的金属化方法。

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随着太阳能电池技术的不断进步，对金属化工艺的精确控制和性能评估变得尤为重要。美能TLM接触电阻测试仪作为一种先进的测试工具，为太阳能电池制造商提供了一种高效、准确的测量方法，用以评估金属化层与硅基底之间的接触电阻。

原文出处：A Horizontal Double-Sided Copper Metallization Technology Designed for Solar Cell Mass-Production；https://doi.org/10.1002/pip.3863

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