一、研究背景
隧道氧化物钝化接触(TOPCon)太阳能电池是高效率硅太阳能电池的一项领先技术。传统的银/铝(Ag/Al)浆料金属化工艺存在可靠性风险和接触质量不足等问题。激光诱导金属化技术，特别是LECO，提供了一种有前景的解决方案。然而，LECO工艺中Ag-Si接触在TOPCon电池P+发射极上形成的机制仍不完全清楚。 之前的研究主要集中在p-PERC电池上，TOPCon电池由于结构差异，其电流方向与p-PERC电池不同，因此需要专门的研究。
二、研究方案
研究人员设计并制备了两种类型的玻璃料(GF-A和GF-B)，用于TOPCon电池，并研究了相应器件的电学性能。采用先进技术检查Ag-Si界面。GF-A具有更高的玻璃化转变温度(Tg)，流动性和铺展能力较低；GF-B是传统的玻璃料，添加了二氧化碲(TeO2)以降低Tg，提高流动性和铺展能力。 通过对比基于GF-A (Cell-A)和GF-B (Cell-B)的TOPCon电池在LECO处理后的电学性能差异，深入研究Ag-Si界面的微观结构和成分。采用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、开尔文探针力显微镜(KPFM)和高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)等技术表征Ag-Si界面。 并建立复合导电模型，解释LECO处理增强Ag-Si界面的机制。
三、结果与讨论
1. 电学性能对比：
研究首先比较了Cell-A (GF-A)和Cell-B (GF-B)在LECO处理前后的电流-电压(J-V)曲线。 结果显示：
LECO处理前: Cell-A和Cell-B都表现出极低的短路电流密度(Jsc)和填充因子(FF)，这远低于使用传统Ag/Al浆料制备的参照电池(Cell-Ref)。这表明在未经LECO处理的情况下，两种电池的Ag-Si界面接触电阻较高，限制了电流传输。虽然Cell-B的Jsc和FF略高于Cell-A，但这微小的差异并不足以解释后续LECO处理后两者性能的巨大差异。
LECO处理后: Cell-A和Cell-B的Jsc、FF和开路电压(Voc)都显著提高，这证实了LECO处理有效地改善了Ag-Si界面的接触质量，降低了接触电阻。 然而，Cell-A的性能提升远大于Cell-B，表明两种玻璃料对LECO处理的响应差异巨大，这正是后续微观结构表征需要解释的关键。
2. 界面特性表征：
为了探究LECO处理后Cell-A和Cell-B性能差异的根本原因，研究人员使用了多种先进的表征技术来分析Ag-Si界面的微观结构和成分：
AFM和KPFM: AFM图像显示两种电池的Ag-Si界面形态差异，KPFM则通过测量接触电位差(CPD)来反映界面电荷转移特性。Cell-A的CPD变化在Si金字塔边缘处显著，表明其界面电荷转移能力更强，而Cell-B的CPD变化则较为模糊。这说明Cell-A拥有更优良的接触质量。
TLM: 传输长度法(TLM)测量结果定量地证实了Cell-A的接触电阻(Rc)和比接触电阻(𝜌c)显著低于Cell-B，进一步佐证了Cell-A拥有更优异的Ag-Si接触质量。
3. 微观结构分析：
TEM和EDS分析揭示了两种电池Ag-Si界面微观结构的关键差异：
Cell-A: 在Ag-Si界面观察到明显的电流聚集接触(CFC)结构，大量的Ag纳米颗粒(NP)分布在玻璃层和CFC区域，并形成了Ag-Si共晶合金。HRTEM和FFT分析进一步证实了Ag-Si共晶结构的存在。
Cell-B: 没有观察到明显的CFC结构，Ag主要集中在玻璃层中，只有少量Ag扩散到Si中，没有形成明显的Ag-Si共晶合金。
4. 玻璃料成分和热力学性质：
研究发现，两种玻璃料的成分和热力学性质差异是导致Ag-Si界面微观结构和电学性能差异的关键：
GF-A (Cell-A): 更高的Tg和较低的流动性导致玻璃层在Si金字塔顶端积累较厚，形成电流受限结构并提供良好的热绝缘，有利于LECO处理过程中局部区域的焦耳热积累，从而达到Ag-Si共晶反应所需的温度。
GF-B (Cell-B): 添加TeO2降低了Tg和提高了流动性，导致玻璃层更薄且均匀分布，削弱了热绝缘，阻碍了局部高温的产生，因此无法有效地诱导Ag-Si共晶反应。
5. LECO处理过程中的电流变化：
对LECO处理过程中电流变化的监测也支持了上述结论。 Cell-A在激光扫描过程中电流变化表明，更多的激光诱导载流子被消耗于焦耳效应，而非直接参与Ag-Si接触的形成，这与其良好的热绝缘性和电流受限结构相符。
6. 形成机制模型：
最后，论文提出了一种Ag-Si接触形成机制的模型，来解释LECO活性界面(Cell-A)和LECO非活性界面(Cell-B)的差异。 核心在于：
LECO活性界面(Cell-A): 厚的玻璃层和电流受限结构导致局部纳米级焦耳加热，从而实现Ag-Si共晶反应，形成低电阻的Ag-Si接触。
LECO非活性界面(Cell-B): 薄的玻璃层和均匀的电流路径阻抗使得热量难以积累，无法达到Ag-Si共晶反应所需的温度，因此形成高电阻的接触。
四、研究结论
该研究揭示了TOPCon太阳能电池LECO处理中CFC形成的机制是通过纳米级焦耳加热实现Ag-Si共晶反应。Cell-A中Ag-Si共晶合金结构和富含Ag的玻璃层是优化接触的直接原因。通过控制玻璃料的成分和工艺参数，可以实现电流受限界面，从而提高TOPCon太阳能电池的性能。 这项工作不仅促进了对太阳能电池中金属-硅接触优化的理解，而且为激光诱导合成和微纳米界面工程提供了新的方法。
五、图文解析
图1: TOPCon太阳能电池的制备工艺及LECO处理前后J-V曲线对比
(a) TOPCon太阳能电池的制备工艺流程图和典型结构示意图： 展示了LECO处理在TOPCon电池制备中的位置，以及TOPCon电池的层状结构，包括N型硅衬底、P+发射极、Ag电极、超薄SiOx层和N+背面钝化接触层等。清晰地说明了研究对象和实验流程。
(b) Cell-A和Cell-B在LECO处理前后的J-V曲线图： 这是文章的核心结果之一。图中显示LECO处理前，Cell-A和Cell-B的Jsc和FF都非常低；LECO处理后，两者都得到了显著提升，但Cell-A的提升幅度更大，性能优于Cell-B，直观地展现了LECO处理的效果以及不同玻璃料带来的差异。
图2: Cell-A和Cell-B的Ag-Si界面形貌、接触电位差及接触电阻分析
该图展示了LECO处理后Cell-A和Cell-B的Ag-Si界面特性表征结果：
(a1, b1) AFM形貌图： 显示了Cell-A和Cell-B的Ag-Si界面形貌。虽然图像本身可能难以直接看出巨大差异，但结合后续KPFM结果，可以理解为这些形貌差异影响了后续的电学性质。
(a2, b2) KPFM接触电位差(CPD)图： 这是理解界面电荷转移特性差异的关键。Cell-A的CPD变化在Si金字塔边缘处非常明显，表明其界面电荷转移效率更高，接触更良好。Cell-B的CPD变化则较为模糊，说明界面接触质量较差。
(a3, b3) CPD线分布图： 定量地展现了图(a2, b2)中CPD的变化趋势。Cell-A的CPD变化幅度远大于Cell-B，再次强调了Cell-A优异的界面电荷转移特性。
(c) 工作函数频率分布图： 比较了Cell-A和Cell-B在金字塔边缘处的工作函数分布。Cell-A的工作函数中心值高于Cell-B，说明Cell-A的掺杂浓度更高，有利于提高接触质量。
(d) 接触电阻(Rc)和比接触电阻(𝜌c)比较图： 通过TLM测量获得的定量结果，直观地展现了Cell-A的Rc和𝜌c远小于Cell-B，进一步证明了Cell-A优异的接触质量。
图3: Cell-A和Cell-B的Ag-Si界面微观结构和元素分布TEM分析
该图通过TEM和EDS分析，揭示了Cell-A和Cell-B Ag-Si界面微观结构的差异：
(a1, d1) TEM截面图： 显示Cell-A和Cell-B Ag-Si界面的整体结构。Cell-A形成了明显的CFC结构，而Cell-B则没有。
(a2, d2) HADDF-STEM高角环形暗场扫描透射电子显微镜图： 放大显示CFC区域的细节。Cell-A的CFC区域内有大量Ag纳米颗粒，Cell-B则没有。
(a3, a4, d3, d4) 元素分布图： EDS元素分布图显示Cell-A的Ag在CFC区域富集，而Cell-B的Ag主要分布在玻璃层。
(b, e) 元素线扫描图： 定量分析了Ag、Si等元素在CFC区域的分布情况，进一步证实了Cell-A中Ag-Si共晶合金的形成。
(c1, c2, f1, f2) HRTEM高分辨透射电子显微镜图和FFT图： HRTEM图像和对应的FFT分析显示Cell-A的CFC区域存在Ag-Si共晶结构，而Cell-B没有。
图4: 玻璃料成分、热力学性质及界面分布对LECO处理的影响
该图主要研究了玻璃料在Ag-Si界面分布的影响：
(a1, b1) 蚀刻后玻璃料分布顶视图： 比较了Cell-A和Cell-B在去除Ag电极后，玻璃料在Si表面的分布情况。Cell-A的玻璃料分布较为离散，而Cell-B则较为连续。
(a2, a3, b2, b3) SEM截面图： 显示Cell-A和Cell-B的玻璃层厚度差异。Cell-A的玻璃层更厚。
(a4, b4) Si金字塔顶视图局部放大图： 进一步显示了两种玻璃料在Si金字塔上的分布细节，差异与顶视图一致。
(c) TMA曲线图： 比较了GF-A和GF-B的玻璃化转变温度(Tg)。GF-A的Tg更高。
(d1-d3, e1-e3) XPS谱图： 分析了不同深度下SiNx层的成分，显示Cell-A的SiNx层保留程度高于Cell-B。
图5: LECO处理过程中电流变化及Ag-Si接触形成机制示意图
该图阐述了LECO处理的机制和Ag-Si接触形成过程：
(a) LECO处理过程中电流变化曲线： 显示Cell-A和Cell-B在LECO处理过程中的电流变化，进一步支持了纳米级焦耳加热的机制。
(b) 蒸镀电极太阳能电池照片和截面图： 通过对比蒸镀电极的实验结果，说明了电流聚集和热绝缘对于LECO活性至关重要。
(c, d) Ag-Si接触形成机制示意图： 总结了LECO活性界面(Cell-A)和LECO非活性界面(Cell-B)的Ag-Si接触形成机制，直观地展现了纳米级焦耳加热的作用。
