1. 研究背景
随着全球气候变化问题的加剧和化石燃料资源的日益枯竭，太阳能作为清洁能源的利用变得越来越重要。在近年来，太阳能光伏技术的不断创新和成本的降低，使得光伏发电成为可再生能源领域的主要发展方向。TOPCon（隧道氧化钝化接触）太阳能电池作为一种新兴的高效电池技术，逐渐成为光伏行业中的主流技术之一。
TOPCon太阳能电池的主要优势在于其在背部接触层上的卓越钝化性能，这使得其功率转换效率显著高于传统的PERC电池。在TOPCon电池中，前表面的P+发射层和背部的钝化接触层是至关重要的，其中前表面P+发射层负责光生载流子的产生和传输。然而，在电池的金属化过程中，通常会使用激光切割技术去除前表面的钝化层。这一过程虽然精确高效，但激光切割时会不可避免地产生激光损伤，特别是激光损伤会影响到P+发射层的结构，从而降低电池的性能。
因此，研究如何有效修复激光损伤成为提高TOPCon电池性能的关键。本文提出了一种创新的激光损伤修复方法，旨在通过后续的退火和清洗过程恢复被激光损伤的硅晶体结构，并优化电池的金属化过程，从而提升电池的功率转换效率。
2. 研究思路
激光切割： 使用超短脉冲激光（355 nm波长、脉冲持续时间400-600 fs）对N型TOPCon太阳能电池的前表面进行切割，去除钝化层（如SiNx和AlOx）。激光切割时，硅表面会遭受热冲击，导致晶体结构的破坏和非晶硅层的形成。这是激光损伤的主要原因。
高温退火： 在激光损伤后，采用高温退火来修复损伤区域的晶体结构。通过调整退火温度，研究者探索了不同退火温度对硅晶体结构的恢复效果。研究显示，当退火温度达到600°C以上时，激光损伤区域的硅晶体结构得到显著改善。
HF清洗： 在退火修复后，使用HF溶液清洗激光损伤区域，去除氧化层。激光切割和退火过程中，硅表面会生成氧化物（SiO2），这些氧化物会影响金属电极的电镀和电池的性能。HF清洗有助于去除这些氧化物，改善电极与硅基板的接触。
电镀金属化： 在修复损伤后的电池表面，进行Ni/Cu电镀，形成电极。通过电镀，电极可以与硅基底更好地接触，从而提高电池的电气性能。
3. 结果与讨论
3.1 激光损伤对电池性能的影响
在激光切割后，研究首先测量了iVoc（隐含开路电压）值，发现激光切割导致iVoc下降了大约15 mV，说明激光损伤对前表面P+发射层的影响较大。进一步的测试显示，电镀后iVoc值再次下降了约20 mV，表明激光损伤不仅影响了硅的晶体结构，还可能影响了电镀过程。
3.2 激光损伤的修复
通过拉曼光谱，研究测定了激光切割区域的硅晶体结构。结果表明，激光切割后，硅的晶体结构发生了显著变化，拉曼峰强度下降，表明激光切割导致硅表面发生了非晶化。此外，拉曼谱的FWHM（半高宽）值增加，表明硅的晶体质量下降。为了修复这些损伤，研究采用了高温退火处理。
通过高温退火（600°C, 2分钟），激光切割区域的硅晶体结构有所恢复，iVoc提高了8 mV，表明退火能够有效修复晶体结构。进一步的测试发现，退火温度超过600°C时，硅的晶体质量得到明显改善，但如果退火温度过高（如800°C），则可能导致SiAlON（硅铝氮化物）的生成，影响载流子复合，反而降低电池性能。
3.3 HF清洗对电池性能的影响
HF清洗对去除氧化物有显著作用。研究发现，随着HF清洗时间的增加，电池的性能逐步改善。当HF清洗时间为50-55秒时，电池的功率转换效率达到最优。过长的HF清洗时间（如60秒）会导致过度腐蚀表面钝化层，从而降低电池性能。
3.4 最优修复条件
通过一系列的实验，研究最终确定了最优的激光损伤修复条件：
在这些优化条件下，电池的功率转换效率提高了1.44%，达到24.85%。
4. 研究结论
图 1: TOPCon太阳能电池的电镀电极结构图
图 1 展示了具有电镀电极的N型TOPCon太阳能电池的结构。图中清晰标出了各个层次，如P+发射器、钝化接触层（TOPCon）、以及电镀层（Ni/Cu电极）。该图为电池的制造过程和电镀工艺提供了重要的视觉说明，尤其强调了电镀技术如何应用于TOPCon太阳能电池的金属化。
图 2: N型TOPCon太阳能电池的生产工艺图
图 2 展示了整个制造过程，包括激光剥离、热退火处理和氢氟酸（HF）清洗等步骤。此图非常重要，因为它展示了在TOPCon电池的电镀过程中如何处理激光损伤。图中的工艺路线图清晰标明了各个工序之间的关系，尤其是如何利用热退火修复激光损伤区域。
图 3: 激光切割和电镀后的隐含开路电压（iVoc）
图 3 显示了TOPCon电池在激光切割后和电镀后iVoc的变化。研究表明，激光切割过程会显著降低iVoc值，而电镀电极进一步使iVoc下降。该图的目的是通过iVoc的变化来说明激光损伤对电池性能的影响，并为后续修复方法提供理论依据。
图 4: 拉曼光谱分析
图 4展示了通过拉曼光谱测量激光剥离区域的晶体结构。拉曼光谱显示，激光切割后，硅表面的拉曼峰强度显著下降，证明了激光处理导致了表面晶体结构的损伤，形成了非晶硅区域。图中的数据进一步显示了晶体的退化情况，包括FWHM（全宽半高）增大，表明晶体质量下降。
图 5: 激光损伤后退火修复的电学性能
图 5展示了经过不同退火处理后的TOPCon电池性能比较。研究表明，在600°C退火2分钟后，电池的开路电压（Voc）和短路电流（Jsc）都有所改善，表明高温退火有助于恢复激光切割区域的晶体结构，减少表面复合损失。该图验证了热退火在修复激光损伤方面的有效性。
图 6: 不同退火温度下的拉曼光谱分析
图 6展示了不同退火温度下，激光损伤区域的拉曼光谱变化。图中的数据表明，随着退火温度的提高，硅的晶体结构逐渐恢复，尤其是退火温度超过600°C后，晶体的结晶度显著提高。然而，退火温度过高（如800°C）时，生成的SiAlON化合物会影响表面复合，导致iVoc下降。
图 7: 不同退火条件下的隐含开路电压（iVoc）
图 7展示了在不同退火条件下，TOPCon电池的iVoc变化。数据显示，当退火温度为750°C时，iVoc得到了明显的提高，而在800°C时，iVoc反而下降。这与图 6中的拉曼光谱结果一致，表明SiAlON的生成对电池性能有负面影响。
图 8: X射线衍射（XRD）分析
图 8通过X射线衍射图谱分析了不同退火条件下的晶体相变化。在800°C退火温度下，出现了SiAlON的特征峰，证明了高温下与SiNx和AlOx发生反应，生成了SiAlON，进而影响了表面电流的收集和电池的整体性能。
图 9: 光学显微镜图像
图 9展示了在800°C退火后的TOPCon电池表面形貌。图中显示了后表面钝化层的裂纹，表明在高温退火过程中，过高的温度导致了氢气的积聚，从而引起了钝化层的爆裂，这会严重影响电池性能。
图 10: 不同退火温度下的电学性能比较
图 10展示了在不同退火温度下，TOPCon电池的电学性能（Voc, Jsc, FF, Efficiency）的变化。数据显示，当退火温度为750°C时，电池的功率转换效率最大，而在更高温度下，电池的性能反而下降。这个结果突出了退火温度的优化对于电池性能的重要性。
图 11: 不同HF清洗时间下的电气性能
图 11展示了在不同HF清洗时间下，TOPCon电池的串联电阻（Rsh）和伪填充因子（pFF）的变化。随着HF清洗时间的增加，表面氧化物减少，电池的电气性能逐渐提升。然而，当清洗时间过长时，表面钝化层被过度腐蚀，导致电池性能下降。
图 12: 不同退火温度下的后钝化层破裂现象
图 12展示了不同退火温度下，TOPCon电池后钝化层的破裂情况。随着退火温度的升高，后表面钝化层破裂的现象越来越严重，导致电池性能下降。
图 13: 四种不同处理组的iVoc对比
图 13展示了四组不同处理条件下TOPCon电池的iVoc变化。通过对比不同退火温度和处理方法，研究找到了最适合修复激光损伤的退火条件，验证了750°C退火的最佳效果。
图 14: XRD谱图分析
图 14展示了在700°C退火后的XRD谱图，分析了退火过程中表面氧化物的形成。研究发现，SiO2的生成影响了随后的电镀过程，导致电极与硅基底的接触不良，影响了电池性能。
图 15: 不同HF清洗时间下的电学性能
图 15展示了在不同HF清洗时间下，电池的Voc、Jsc、FF和功率转换效率的变化。清洗时间适中时，电池性能最优。
图 16: 不同HF清洗时间下的Rsh和pFF
图 16展示了不同HF清洗时间下，电池的串联电阻（Rsh）和伪填充因子（pFF）的变化。数据表明，HF清洗能够有效减少表面氧化物，改善电池性能，但清洗时间过长会对钝化层产生负面影响。
图 17: 不同HF清洗时间下的PL图像
图 17展示了在不同HF清洗时间下，电池表面的PL图像。随着清洗时间的增加，表面缺陷逐渐减少，电池性能得到改善。
图 18: PL图像的灰度定量分析
图 18展示了通过ImageJ软件对PL图像进行灰度定量分析的结果。随着HF清洗时间的增加，图像中的灰度值逐渐向更亮的部分偏移，表明表面缺陷减少，电池性能得到改善。
