引言

受更高效率太陽能組件日益增長的需求所驅(qū)動(dòng)，光伏產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷一場重大的技術(shù)變革。因此，制造商正逐步摒棄 PERC（鈍化發(fā)射極和背面接觸）技術(shù)，轉(zhuǎn)而采用性能更優(yōu)的電池結(jié)構(gòu)。其中，TOPCon（隧穿氧化層鈍化接觸）技術(shù)已成為未來十年及更長時(shí)期內(nèi)主導(dǎo)晶體硅 (c-Si) 光伏制造的主要技術(shù)之一。根據(jù)最新預(yù)測，TOPCon 有望最終占據(jù)高達(dá) 60% 的市場份額 （ITRPV – 國際光伏技術(shù)路線圖）。

盡管 TOPCon 技術(shù)相比 PERC 技術(shù)在性能上有顯著提升，包括更優(yōu)的載流子收集效率、更低的能量損耗及更高的整體效率，但它也帶來了新的挑戰(zhàn)，尤其是在金屬化工藝方面。作為長期以來用于形成太陽能電池正背面電極接觸的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，絲網(wǎng)印刷銀漿工藝的可持續(xù)性日益受到質(zhì)疑。這是因?yàn)殂y已是太陽能電池中成本第二高的材料（僅次于硅），而 TOPCon 技術(shù)對銀的消耗量比 PERC 技術(shù)高出 50% 之多。

如此大量的銀材料消耗，引發(fā)了關(guān)于長期材料供應(yīng)及 TOPCon 技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性的雙重?fù)?dān)憂。這既推高了成本，又對全球銀供應(yīng)鏈?zhǔn)┘恿祟~外壓力，進(jìn)而可能引發(fā)價(jià)格波動(dòng)。顯然，業(yè)界亟需一種替代方案。

激光接觸開槽與電鍍工藝的結(jié)合（簡稱 LCO + 電鍍工藝）正是在此背景下應(yīng)運(yùn)而生，成為一項(xiàng)極具吸引力的解決方案。該工藝摒棄了對昂貴銀漿的依賴，轉(zhuǎn)而采用短波長、超短脈沖 (USP) 激光器，在電池正背面的薄介電層上實(shí)現(xiàn)超精密開槽。隨后，對這些暴露的硅區(qū)域進(jìn)行鍍銅處理，以制備高質(zhì)量、低電阻的歐姆接觸。銅本身還具備材料成本更低、電導(dǎo)率更高且可擴(kuò)展性更強(qiáng)的優(yōu)勢。

本文將探討 MKS 的激光器和電鍍技術(shù)如何助力 LCO + 電鍍工藝的轉(zhuǎn)型。

圖1. TOPCon 太陽能電池制造中的 LCO + 電鍍金屬化工藝流程

LCO + 電鍍工藝的優(yōu)勢

盡管絲網(wǎng)印刷長期以來一直是硅太陽能電池金屬化的標(biāo)準(zhǔn)工藝，但其局限性正日益凸顯，在 TOPCon 技術(shù)背景下尤為顯著。銀漿不僅成本高昂，其印刷精細(xì)度也存在固有局限。更寬、更高的接觸線意味著更嚴(yán)重的光遮擋、更小的電池有效面積及更高的電阻損耗，這些均會(huì)降低電池效率。此外，絲網(wǎng)印刷涉及較為嚴(yán)苛的物理處理過程。機(jī)械接觸/壓力以及高溫爐燒結(jié)可能會(huì)對薄晶片和易損的 TOPCon 薄膜造成損傷。這些因素在不同程度上引發(fā)了生產(chǎn)中良率與產(chǎn)量之間的權(quán)衡取舍。

LCO + 電鍍工藝可以精準(zhǔn)應(yīng)對這些技術(shù)痛點(diǎn)。通過使用激光在鈍化介電層中開設(shè)精確定位的區(qū)域，制造商能夠選擇性地形成低電阻接觸點(diǎn)，從而精確限定鍍層沉積位置。隨后，采用用量相對更少、成本效益更高的金屬（鎳、銅、錫）進(jìn)行金屬化處理，在不犧牲性能的前提下顯著降低材料成本。

LCO + 電鍍工藝可實(shí)現(xiàn)更細(xì)的金屬線寬、更高的電導(dǎo)率、更低的接觸電阻，以及更具可持續(xù)性的金屬化策略。盡管該工藝在設(shè)備和工藝控制層面增加了復(fù)雜性，但經(jīng)弗勞恩霍夫太陽能研究所（德國弗萊貝格）等機(jī)構(gòu)驗(yàn)證的試驗(yàn)生產(chǎn)線初步結(jié)果表明，其性能可達(dá)到甚至超過傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷電池。因此，隨著 TOPCon 技術(shù)的加速普及， LCO + 電鍍工藝有望成為高效率、低成本太陽能制造的新標(biāo)準(zhǔn)。

LCO 工藝考量

LCO 工藝的核心目標(biāo)在于，在去除減反射層和鈍化介電層的同時(shí)，將對基底硅和 SiO2 層的影響降至最低。然而，要在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要嚴(yán)格受控的高精度工藝。

短波長 USP 激光器，尤其是紫外 (UV) 皮秒 (ps) 和飛秒 (fs) 激光器，是滿足這一需求的理想方案，其關(guān)鍵在于將短脈寬與紫外光的強(qiáng)吸收特性相結(jié)合。由于氮化硅 (SiNx) 減反射涂層可透射大部分紫外激光，基底硅中的熱和光學(xué)相互作用必須被限制在數(shù)十納米內(nèi)。在這種吸收能量的淺表層限制下，薄 SiNx 層會(huì)因基底硅中產(chǎn)生的等離子體及快速加熱效應(yīng)而被剝離。這種精準(zhǔn)可控的能量擴(kuò)散對于維持下方隧穿氧化層與多晶硅堆疊層的完整性至關(guān)重要，而這一完整性又進(jìn)而對 TOPCon 電池性能起著決定性作用。圖 2 展示了光學(xué)顯微鏡下觀測到的、使用皮秒和飛秒紫外激光器形成的 LCO 特征。

圖 2. 采用皮秒和飛秒脈沖以及高斯和準(zhǔn)平頂強(qiáng)度分布加工的 LCO 特征示例。

激光參數(shù)（如脈沖寬度、波長、光斑尺寸和能量密度）需經(jīng)過精心優(yōu)化，并與工藝產(chǎn)量進(jìn)行平衡。對于大多數(shù)工藝而言，皮秒激光器在速度與質(zhì)量之間實(shí)現(xiàn)了良好的平衡。不過，在 TOPCon 激光接觸開槽等薄膜應(yīng)用中，由于飛秒激光器具有更低的燒蝕閾值以及對層狀材料更溫和的相互作用，有時(shí)可實(shí)現(xiàn)更高的產(chǎn)量和更好的質(zhì)量。光束整形（如采用準(zhǔn)平頂強(qiáng)度分布）可進(jìn)一步增強(qiáng)對燒蝕深度和均勻性的控制。

MKS 的應(yīng)用工程師已開展深入研究，專門表征 TOPCon 太陽能電池材料燒蝕過程中不同激光工藝參數(shù)的相互作用機(jī)制。這項(xiàng)研究的目標(biāo)是確定可穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)以下效果的參數(shù)組合：

完全去除厚度 70 至 120 nm 的 SiNx 減反射層。

目標(biāo)層間均勻燒蝕。

控制并盡量減少對周圍材料的熱影響。

對基底多晶硅層 (<200 nm) 的影響極小。

不損傷多晶硅下方的薄 SiO2 隧穿/鈍化層（厚度 1-2 nm）。

圖 3 展示了 MKS 一項(xiàng)測試的結(jié)果。通過掃描透射電子顯微鏡 (STEM)，該測試詳細(xì)揭示了 TOPCon 太陽能電池對激光的響應(yīng)機(jī)制。在此處圖像中，測試區(qū)域被三個(gè)略有重疊的皮秒激光脈沖燒蝕。圖中同時(shí)提供了同一加工區(qū)域的俯視圖和橫截面圖像。

圖 3. 此處所示的激光加工區(qū)域可劃分為四個(gè)不同區(qū)域：內(nèi)燒蝕區(qū) (AZ)、外燒蝕區(qū)、熱影響區(qū)  (HAZ) 和未受影響區(qū)  (UAZ)。圖中已對這些區(qū)域進(jìn)行標(biāo)注。

值得注意的是，盡管激光光斑中心附近的強(qiáng)度更高，但外燒蝕區(qū)域（圖中標(biāo)記為區(qū)域 2 的溝槽）的材料去除量多于內(nèi)燒蝕區(qū)域（圖中標(biāo)記為區(qū)域 1 的區(qū)域）。一種可能的解釋是，激光束邊緣的強(qiáng)度不足以引發(fā)表層 (SiNx) 的非線性吸收。因此，穿過光束邊緣該層的激光能量比預(yù)期更多，從而導(dǎo)致額外的硅材料被去除。USP 輻照引起的快速加熱與冷卻效應(yīng)形成了區(qū)域 3，其中部分 p+ 多晶硅已轉(zhuǎn)化為非晶硅。這需要額外的加熱循環(huán)使其重新轉(zhuǎn)化為多晶形態(tài)。

鍍層金屬化

當(dāng) TOPCon 太陽能電池通過 LCO 工藝形成通孔后，下一個(gè)關(guān)鍵步驟是金屬沉積。為實(shí)現(xiàn)高效且具成本效益的金屬化，鍍層工藝是首選方法。與依賴昂貴銀漿的絲網(wǎng)印刷不同，鍍層工藝使用銅作為主要導(dǎo)體。銅不僅具備優(yōu)異的導(dǎo)電性，還能顯著降低材料成本。

TOPCon 電池的標(biāo)準(zhǔn)銅基金屬化流程通常包括三個(gè)步驟：

1. 鍍鎳 (Ni)：形成歐姆接觸，并作為銅與硅之間的擴(kuò)散阻擋層。

2. 鍍銅 (Cu)：建立主要導(dǎo)電通路。

3. 錫 (Sn) 或銀 (Ag) 鍍層：提高耐腐蝕性和可焊性。

這些步驟可通過電化學(xué)沉積 (ECD) 或化學(xué)鍍實(shí)現(xiàn)。對于敏感的 TOPCon 結(jié)構(gòu)，化學(xué)鍍鎳具有獨(dú)特優(yōu)勢，因其無需電接觸即可引發(fā)沉積反應(yīng)且支持雙面鍍。這可以減少搬運(yùn)次數(shù)和施加在脆弱晶片上的機(jī)械力。

然而，盡管化學(xué)鍍在流程簡化與成本優(yōu)化方面潛力顯著，但其尚未在大規(guī)模生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。相比之下，ECD 是一種更成熟的方法，盡管初始投入較高，但可提供更優(yōu)異的工藝控制、更均勻的厚度和更高的材料純度。聚焦離子束 (FIB) 可用于切片去除和鍍層界面的細(xì)致觀察，如圖 4 所示的 ECD 鍍層情況。

圖 4. 對 ECD 鍍層橫截面的細(xì)致觀察顯示，各層之間形成了緊密而連續(xù)的接觸。

無論選擇哪種金屬化方法，工藝整合都是關(guān)鍵。激光加工的開槽必須經(jīng)過精心優(yōu)化，以匹配電鍍工藝的要求，從而確保低接觸電阻和強(qiáng)附著力。需要關(guān)注的因素包括 LCO 開槽尺寸、光斑重疊率和殘留表面質(zhì)量，所有這些都會(huì)影響鍍層的均勻性、附著力和性能。

電池性能

通過優(yōu)化的 LCO + 電鍍生產(chǎn)工藝，實(shí)際可達(dá)到怎樣的電池性能？為探究這一點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)采用 Spectra-Physics 激光系統(tǒng)與 Atotech 電鍍化學(xué)品制備了 TOPCon 電池。

這項(xiàng)研究由弗勞恩霍夫太陽能研究所合作完成。需要指出的是，本研究中使用的晶片前驅(qū)體并未針對 LCO 進(jìn)行優(yōu)化，且電鍍采用的是實(shí)驗(yàn)室級工具。

在這些條件下，我們實(shí)現(xiàn)了最高 23.3% 的電池效率，開路電壓 (VOC) 約為 693 mV，填充因子超過 82%。這一效率與絲網(wǎng)印刷金屬化工藝的結(jié)果 (24%) 基本持平，而晶片是專為絲網(wǎng)印刷工藝設(shè)計(jì)的。

其他團(tuán)隊(duì)的測試同時(shí)優(yōu)化了晶片前驅(qū)體、激光工藝和化學(xué)品，將效率提升至 26.7%。這一數(shù)值已接近可量產(chǎn) TOPCon 電池的實(shí)際效率上限。

結(jié)論

TOPCon 有望在未來十年引領(lǐng)硅光伏制造的發(fā)展，但其長期成功取決于能否超越基于銀漿的絲網(wǎng)印刷工藝。LCO + 電鍍工藝提供了一種可擴(kuò)展且可持續(xù)的替代方案。尤其是 Spectra-Physics 激光器與 Atotech 電鍍工藝的結(jié)合，已展現(xiàn)出能夠制造出兼具高效性能和量產(chǎn)可行性的金屬化 TOPCon 電池。該工藝可通過多組高速加工頭并行作業(yè)以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化，產(chǎn)量可達(dá)每小時(shí) 35,000 片晶片。這使 LCO + 電鍍工藝成為 TOPCon 太陽能電池商業(yè)化生產(chǎn)的可行路徑。

IceFyre® 工業(yè)皮秒激光器

IceFyre UV50 是市面上表現(xiàn)優(yōu)異的紫外皮秒激光器，在 1.25 MHz(>40 μJ) 時(shí)提供 >50 W 的紫外輸出功率，脈沖串模式下的脈沖能量為 100 μJ，脈沖寬度為 10 ps。IceFyre UV50 設(shè)定了從單次激發(fā)到 10 MHz 的功率和重復(fù)率的新標(biāo)準(zhǔn)。IceFyre UV30 提供 >30 W 的典型紫外輸出功率，脈沖能量 >60 μJ（脈沖串模式下脈沖能量更大），具有從單次激發(fā)到 3 MHz 的優(yōu)異性能。

IceFyre IR50 在 400 kHz 單脈沖時(shí)提供 >50 W 的紅外輸出功率，具有從單脈沖到 10 MHz 的優(yōu)異性能。IceFyre 激光器的獨(dú)特設(shè)計(jì)利用光纖激光器的靈活性和獨(dú)有的功率放大器能力，實(shí)現(xiàn) TimeShift ps 可編程脈沖串模式技術(shù)，可提供業(yè)內(nèi)較高的多功能性。每臺(tái)激光器均配備一組標(biāo)準(zhǔn)波形；可選的 TimeShift ps GUI 可用于創(chuàng)建自定義波形。該激光器的設(shè)計(jì)可為高掃描速度的優(yōu)質(zhì)加工（例如使用多面掃描鏡）實(shí)現(xiàn)同類激光器中時(shí)間抖動(dòng)極其低的按需脈沖 (POD) 和位置同步輸出 (PSO) 觸發(fā)功能。

MKS Atotech

在太陽能電池上電鍍接觸指可在顯著降低材料成本的同時(shí)提高電池效率。電鍍的鎳/銅/錫接觸優(yōu)于傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷接觸。

鍍鎳：薄鎳種子層作為界面層，與硅建立歐姆接觸。Nimate PV（電解鍍鎳）或 EXPT PV EN 4（化學(xué)鍍鎳）可作為種子層和/或擴(kuò)散阻擋層。

鍍銅：提供具有高導(dǎo)電性且電氣性能優(yōu)異的銅指。其低應(yīng)力、延展性成分還能承受機(jī)械沖擊。Cupracid PV 系列專為在 2 至 25 ASD 的電流密度范圍內(nèi)運(yùn)行而設(shè)計(jì)。

鍍錫：確�？煽康碾姵剡B接可焊性，并保護(hù)銅免受環(huán)境影響。Stannacid PV 是標(biāo)準(zhǔn)鍍錫工藝，而 Niveostan PV 20 提供高速鍍錫工藝。