光伏行研报告：《水平双面铜金属化太阳电池大规模生产设计技术》

摘要：

‍‍‍‍在国际光伏市场上，“碳足迹”的标签受到了广泛的关注，低碳足迹产品也广受欢迎。与金属银相比，铜具有低碳排放、 低成本的特点，可以有效地减少碳足迹。在此基础上，本文报道了一种水平双面铜金属化技术。该技术不仅可以将各种类型的硅太阳电池的正面和背面同时金属化，而且速度快，均匀性好，工艺简单，适合太阳电池的工业批量生产。本文介绍了TOPCon太阳电池的结构和制造工艺，该电池采用超短脉冲激光进行图形化，并结合这种新型的水平双面铜金属化技术进行金属化。该批次平均效率达到26%以上。

文章介绍：

本文采用了一种基于双面Ni/Cu金属化的TOPCon太阳电池，其三维结构如图2所示。该结构采用N型CZ硅晶片，边长为210mm ，厚度为135μm , 电阻率为1Ω·cm 。前表面扩散形成了一个浓度为1.2e19cm-3 ，厚度为1.1μm的P+发射极。前表面制备包括制绒、制备钝化层和Ni/Cu金属化。NaOH碱性溶液 与硅衬底反应，形成高度约为3μm的均匀金字塔。前表面采用ALD沉积3nm的AlOx层[3]。用PECVD沉积厚度80 nm、折射率1.93的SiNx钝化膜，可作为增透膜。激光开槽宽度约为10 μm。Cu金属化厚度大于5 μm。

背表面制备包括沉积隧穿氧化层、多晶硅层、钝化层和Ni/Cu金属化。用PEALD沉积了2nm的超薄隧穿氧化层。这一层的优点是，它可以允许多子通过，同时阻碍少子通过。首先通过PECVD制备85 nm的磷掺杂的非晶硅，然后通过退火使非晶硅转换为多晶硅，背面方块电阻约为50Ω/sq 。等离子增强气相化学沉积制备82nm、折射率为2.18的SiNx，背面开槽宽度约为16μm ，Ni/ Cu采用光诱导电镀。

由于不能直接在晶体硅太阳电池表面的SiNx结构上进行电镀工艺，电镀前需要将电镀区域的SiNx层打开[5]。本研究采用高能量密度的355nm超短脉冲激光去除太阳电池前后表面的SiNx。该工艺是Ni/Cu金属化前的图形化工艺。图3a、b分别为激光烧蚀处理后的显微镜图像和扫描电镜（SEM）图像。可以看出，激光烧蚀的宽度约为10μm，满足细栅的要求。此外，从图3b可以看出，超快激光完全去除了太阳电池表面的SiNx层，而原来的金字塔结构仍然可以保留，说明激光烧蚀过程对硅衬底的损伤很小，这将有利于后续的金属化过程。

水平双面电镀金属化设备设计如图4所示。与其他电镀方法相比，HDPLATE不需要夹紧硅片，具有破碎率低的优点，这使得它可以适应硅片越来越薄的趋势。从破碎率的角度来看，HDPLATE比传统电镀工艺更有优势。

此外，HDPLATE具有独特的导电装置，使其具有优异的导电效果。优异的导电效果使镀层稳定均匀，不损坏太阳电池。而且，HDPLATE可以分别调节电池两个表面的电镀条件。

例如，它允许在一个表面上同时电镀，而在另一个表面上进行光诱导电镀。并且两个表面的电镀速率可以单独控制。水平双面电镀对太阳能电池类型和电镀金属材料没有限制。换句话说，该装置可以使用各种金属材料，如Ni、Cu和其他材料金属化各种太阳电池。中水回用系统使镀液可连续循环使用，无需更换。此外，中水回用系统的设计也符合绿色生产的理念。该系统的废水处理达到国家级标准，实现了含铜化学品的循环利用。总的来说，水平双面电镀效果好，工艺简单，适合大规模的工业生产。

图 4 水平双面电镀金属化设备

双面 Ni/Cu 金属化 TOPCon 太阳能电池的制造工艺包括以下步骤：1.前表面纹理织构；2.硼扩散形成 P+层；3.背面隧穿氧化层和多晶硅层的制备；4.在前表面制备 AlOx 和 SiNx 钝化层；5.在背面制备 SiNx 钝化层；6.激光开槽和高温修复工艺（T=750°C，t=30s）；7.双面 Ni/Cu 金属化（包括正面电镀和背面光诱导电镀）和烧结（T=260°C、t=30s)；为保证太阳电池测试标准的栅线质量，采用了拉力超过0.8N的验证试验。

未能达到标准的产品可能具有栅线断裂等问题。这个测试确保了栅线具有足够的机械强度，在使用期间保持结构完整性，确保太阳电池的稳定性和可靠性。分别采用电镀和丝网印刷工艺制作了20片电池，每片电池都进行了拉力测试。本文采用数字测力计模型：HF-100，测量范围为100N，指标值为0.05N。相关测试结果见表1。

从表1中可以看出电镀电极的拉力大于规定的0.8N，合格率达到100%，说明通过电镀生产的金属电极是合格的。此外，与传统丝网印刷制作的电极相比，电镀电极能承受的的平均拉力更高，突出了电镀的可靠性。

电镀Ni/Cu电极的扫描电子显微镜图像如图5（a）所示。经Ni/Cu金属化后，电极的宽度仅为17.6μm。与传统的丝网印刷相比，栅线的宽度大大减小。这种优异的栅线结构不仅减少了遮光面积，而且降低了栅线的串联电阻，从而显著提高了光电转换效率。栅线电极的高宽比是指栅线的高度与宽度的比率[6]，通常用h/w表示。在图5（b）中，显示栅线的高宽比为0.4。

图 5 SEM图像：(a)电镀金属化栅线宽度 (b)栅线的高宽比

本研究采用水平双面电镀Ni/Cu金属化工艺，并借助高温修复，改善了太阳电池的电性能。最后，成功实现了高达25.819%的光电转换效率，如图6所示。A组样品进行高温修复后进行双面电镀，而B组样品不进行高温修复直接双面电镀。观察图6可以发现太阳电池高温修复后的效率分布更集中，整体效率比未高温修复样品高0.422%。因此，因此，可以认为高温修复是一个必要的工艺步骤。具体电学性能数据如表2所示，开路电压、短路电流、填充因子均有明显改善。

图6两种情况下的效率分布图（A：辅以高温修复的双面电镀样品电池；B：未进行高温修复的双面电镀样品电池）。

表 2 两种情况下的电性能数据(A：辅以高温修复的双面电镀样品电池；B：未进行高温修复的双面电镀样品电池）。

在本文中，基于双面SiNx钝化的硅片进行激光烧蚀后进行Ni/Cu金属化处理，获得了优异的太阳电池电性能，如图7所示。试验采用Halm公司生产的I-V试验设备（试验条件：AM1.5G, 1000W/m2, 25℃）。图7所示的电性能分布紧凑，表明水平双面电镀Ni/Cu金属化的效果优异。

本研究采用高能量密度的超短脉冲激光进行激光烧蚀，可以完美去除表面SiNx层而不损伤底层硅，有利于后续Ni/Cu金属化过程中金属与硅衬底形成良好可靠的接触，降低接触电阻，有效提高电流传输效率。此外，铜的导电性能优于银浆。因此，Ni/Cu金属化的接触电阻和线电阻均低于丝网印刷的Ag/Al金属化，如表3所示。低接触电阻和线电阻可以降低太阳电池的串联电阻，从而提升电池的FF，如图7（c）所示。

图 7 Ni/Cu金属化太阳电池的电性能分布。

表 3 Ni/Cu金属化和Ag/Al丝网印刷的接触电阻和线电阻的比较。

太阳电池双面氮化硅钝化后，iVoc约为750mV，再经过激光烧蚀和Ni/Cu金属化处理，iVoc降至719mV左右，如图8所示。同一批次的太阳电池，电镀的转换效率略高于丝网印刷的转换效率，如表4所示。然而，电镀的iVoc低于丝网印刷，因此Voc限制了电镀金属化过程中转化效率的进一步提高。

图 8 激光烧蚀和Ni/Cu金属化工艺对TOPCon太阳能电池iVoc的影响。

表 4 Ni/Cu金属化和Ag/Al丝网印刷太阳电池的电性能数据。

图9为激光烧蚀前后太阳电池正背面的PL图像的灰度值。电池正面进行激光烧蚀后，PL灰度值下降更为明显。说明正面损伤是导致Voc下降的主要因素。背面的多晶硅层能起到保护作用，所以Voc下降更少。

因此，未来可以对双面多晶硅的TOPCon太阳电池进行研究，以提高其钝化效果和转换效率。

图 9 (a)背表面激光烧蚀前后PL图像灰度值对比；(b)前表面激光烧蚀前后PL图像灰度值对比

结论：

在光伏行业，在太阳能电池制造过程中，降低金属化成本的同时获得可靠的电极接触是非常重要的。未来，用镀铜触点代替银浆触点是太阳电池金属化技术的发展趋势。水平双面铜金属化技术的引入为Ni/Cu金属化提供了有效途径，提高了太阳能电池的性能。总的来说，这项研究通过利用超短脉冲激光烧蚀和HDPLATE金属化技术，在太阳电池性能方面取得了实质性的进步。这为提高太阳电池的光电转换效率提供了有力的实践支持。

同时，与传统的单面电镀相比，HDPLATE高通量的特性更适合大规模生产。此外，电镀的总体成本低于丝网印刷，电镀电池的效率高于丝网印刷电池。并且，增加的中水回用系统，使HDPLATE金属化设备的排放符合环保要求。

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