在全球能源需求不断增长和环境保护意识日益增强的背景下，太阳能作为一种清洁、可再生的能源，受到了广泛关注。然而，太阳能组件的效率和可靠性一直是制约其大规模应用的关键因素。为了提升太阳能组件的功率输出，科学家们不断探索新的技术手段。其中，切割电池（cut-cell）技术，如半电池和叠瓦式（shingle）电池，因其能够显著提升组件效率而被广泛应用。然而，这项技术在带来高效益的同时，也引发了一系列新的技术挑战，特别是在电池边缘未钝化区域的处理上。
边缘效应：效率的隐形杀手
切割电池技术通过将大尺寸电池切割成更小的单元，减少了电池内部的载流子复合，从而提升了整体效率。具体来说，切割电池技术能够降低电池的串联电阻，提高光电转换效率。然而，电池切割后不可避免地在边缘形成未钝化区域。这些未钝化的边缘由于缺乏适当的保护，成为载流子复合的热点，导致电池效率下降。对于叠瓦式组件而言，这一问题尤为严重，因为其电池尺寸更小，边缘效应对整体性能的影响更加显著。
传统上，电池边缘的钝化主要依赖于氧化铝（AlOx）或聚合物材料。这些材料能够有效地减少边缘载流子的复合，从而提升电池的电学特性，如开路电压（Voc）、短路电流（Isc）和填充因子（FF）。然而，尽管这些方法在电池层面表现出色，其在整个组件层面的长期可靠性，尤其是在叠瓦式组件中的表现，尚未得到充分研究和验证。
AlOx边缘钝化：提升效率的新方法
为了应对电池边缘未钝化带来的效率损失，研究人员提出了一种利用氧化铝（AlOx）进行边缘钝化的方法。具体而言，通过低温热原子层沉积（ALD）技术在电池边缘沉积一层约10-15纳米厚的AlOx钝化层，并通过光照退火激活钝化层，可以显著减少载流子复合，提高电池的电学性能。
ALD技术作为一种精确控制薄膜厚度和成分的先进工艺，能够在复杂的电池边缘结构上实现均匀且高质量的AlOx沉积。光照退火则进一步增强了AlOx层的钝化效果，确保其在高温环境下的稳定性和耐久性。通过这种方法，研究人员期望在不显著增加生产成本的前提下，提升太阳能组件的整体效率和可靠性。
可靠性挑战：长期性能的考验
尽管AlOx钝化技术在提升电池效率方面表现出色，但其在组件层面的长期可靠性，特别是在叠瓦式组件中，仍存在诸多不确定性。组件在实际应用中需要承受各种环境应力，如高温、湿度、机械应力等，这些因素可能对AlOx钝化层的稳定性产生影响。
研究表明，传统的AlOx钝化方法，即AlOx直接覆盖在金属化区域，在经过多次热循环测试后，组件性能会显著下降。这主要是由于AlOx层在热循环过程中可能导致金属层与边缘接触胶（ECA）之间的接触不良，从而影响了组件的电学特性和整体性能。因此，如何在提升效率的同时，确保组件的长期可靠性，成为亟待解决的关键问题。
创新定位方法：保障可靠性的关键
为了解决传统AlOx钝化方法带来的可靠性问题，研究人员提出了三种创新的AlOx层定位方法，旨在精准控制AlOx的沉积位置，避免其覆盖金属化区域，从而提升组件的可靠性。
晶片堆叠法
该方法通过在ALD沉积过程中堆叠多个晶片，利用晶片本身作为掩膜，精准控制AlOx的沉积区域。这种方法能够有效地将AlOx层限制在电池的边缘区域，避免覆盖金属化区域，从而减少载流子复合的同时，保障金属层与ECA的良好接触。图3展示了晶片堆叠法的工艺流程及其对电池IV曲线的影响，显示出堆叠法处理后的组件在效率方面的显著提升。优化铜电镀法
采用铜电镀技术，使金属在AlOx层中生长，确保边缘接触胶（ECA）与金属网格的良好接触。通过优化铜电镀工艺，可以降低接触电阻，提高组件的整体电学性能。图4中的示意图展示了优化铜电镀法的原理及其对接触电阻的影响，实验结果表明，该方法能够有效提升组件的电学特性。串联钝化法
该方法是在组件串联完成后，再进行AlOx钝化处理。尽管在电致发光（EL）图像中显示出一些边缘缺陷，主要由于手工操作的局限性，但其潜力依然被看好。未来，通过引入自动化操作，可以进一步优化该方法，减少人为误差，提升组件的整体性能。图5展示了串联钝化法的工艺流程及其处理后的EL图像，尽管存在一些边缘缺陷，但整体效果仍然令人期待。
结果与讨论
1. AlOx钝化对组件性能的影响
图1展示了未经处理、经传统AlOx钝化处理（AlOx直接覆盖金属化区域）和经优化AlOx钝化处理（AlOx精准定位）的叠瓦式SHJ组件在开路电压（Voc）、短路电流（Isc）、填充因子（FF）和整体效率方面的对比。
- 优化AlOx钝化处理
的组件在Voc、Isc、FF和整体效率方面均有显著提升，验证了AlOx钝化在减少载流子复合、提升电学性能方面的有效性。 - 传统AlOx钝化处理
虽然在Voc和Isc上有所改善，但在FF方面出现了严重下降，导致整体效率提升有限甚至出现下降。这主要是由于AlOx层直接覆盖在金属化区域，导致金属层与ECA的接触不良，增加了接触电阻，影响了组件的填充因子。
这些结果表明，AlOx沉积位置的精准控制对于提升组件性能至关重要，优化后的钝化方法能够有效避免传统方法带来的负面影响。
2. 未优化AlOx钝化对组件可靠性的负面影响
图2展示了不同处理方式组件在热循环测试中的性能衰减情况。热循环测试模拟了组件在实际使用中可能经历的高低温交替变化，以评估其长期可靠性。
- 未经处理
的组件在经历多次热循环后，FF和整体效率显著下降，表明边缘未钝化导致的载流子复合问题严重影响了组件的稳定性。 - 经传统AlOx钝化处理
的组件在热循环测试中表现出更为明显的性能衰减，特别是在高次数热循环下，性能下降更为迅速。这主要是由于AlOx层在热循环过程中可能发生结构变化，导致金属层与ECA接触不良，进一步加剧了性能的衰减。
这些结果强调了在进行边缘钝化时，必须综合考虑组件的长期可靠性，避免单纯追求电学性能而忽视了钝化层的稳定性。
3. 三种AlOx层定位策略的比较
通过实验对比了三种不同的AlOx层定位方法，具体表现如下：
晶片堆叠法（图3）：该方法通过堆叠晶片在ALD过程中控制AlOx的沉积区域，有效地将AlOx层限制在电池边缘，避免覆盖金属化区域。实验结果显示，采用晶片堆叠法处理的组件在Voc、Isc、FF和整体效率方面均有显著提升，验证了其在钝化效果上的优越性。
优化铜电镀法（图4）：通过优化铜电镀工艺，使金属在AlOx层中生长，确保ECA与金属网格的良好接触。实验数据显示，该方法能够有效降低接触电阻，提高组件的填充因子和整体效率。此外，优化铜电镀法还展现出较好的热循环稳定性，表明其在提升可靠性方面具有潜力。
串联钝化法（图5）：该方法在组件串联完成后进行AlOx钝化处理。尽管在电致发光（EL）图像中显示出一些边缘缺陷，主要由于手工操作的局限性，但其在初步测试中仍表现出较好的钝化效果。研究人员认为，通过引入自动化操作，可以进一步优化该方法，减少边缘缺陷，提高组件的整体性能和可靠性。
4. 优化AlOx钝化后组件的可靠性
图7对比了优化AlOx钝化处理后组件在热循环测试中的可靠性表现。
经过优化AlOx钝化处理的组件在热循环测试中表现出优异的可靠性，性能衰减极小，与未经处理的组件相比有显著改善。具体表现为，在多次热循环后，组件的Voc、Isc、FF和整体效率依然保持在较高水平，表明优化后的AlOx钝化层在高温环境下具有良好的稳定性和耐久性。这证明，精准定位的AlOx钝化技术不仅能够提升组件的电学性能，还能够有效保障其长期可靠性，满足实际应用中的高标准要求。
结语
本文系统地探讨了AlOx边缘钝化技术在叠瓦式SHJ太阳能组件中的应用，重点分析了不同AlOx层定位方法对组件效率和可靠性的影响：
AlOx边缘钝化技术能够显著提升叠瓦式SHJ组件的效率，但前提是必须避免AlOx层直接沉积在金属化图案上。精准的AlOx定位对于提升组件性能和保障其长期可靠性至关重要。
三种AlOx层定位方法——晶片堆叠法、优化铜电镀法和串联钝化法——均展现出不同程度的可行性和优越性。其中，晶片堆叠法表现最佳，既有效提升了组件效率，又保障了其长期稳定性。优化铜电镀法和串联钝化法也展现出良好的潜力，但仍需进一步的工艺优化以克服现有的局限性。
未来研究方向应集中在以下几个方面：
- 提高串联钝化法的自动化程度，以减少人为操作带来的边缘缺陷，提高组件的一致性和可靠性。
- 优化铜电镀工艺，进一步降低接触电阻，减少阴影效应，提升组件的整体电学性能。
- 探索更多高效且稳定的钝化材料和工艺，以进一步提升组件的效率和耐久性。
