激光增强接触优化(LECO)工艺：光伏电池效率提升的关键

技术前沿：“激光增强接触优化”（LECO）和光伏银浆开发

在与光伏类相似的光、热、电平板转换器件中，金属半导体触点通常是通过在硅片上印刷金属浆料制成的，而形成低欧姆触点一直是多年来研究的一个主要课题。一种用于接触改善的过程是激光增强接触优化(LECO)与电池片制造过程中使用的其他基于激光的处理相反，如激光切割，激光边缘隔离，激光发射接触，和激光掺杂选择性发射体，在LECO处理中，激光用于非破坏性载波注入，而处理的驱动力是由LECO过程诱导的电流。这个过程发生在丝网印刷太阳能电池的快速燃烧过程之后。经过LECO处理后，太阳能电池的接触电阻明显降低。经过LECO处理后，太阳能电池的接触电阻显著降低，即使在低掺杂的发射体上，也能形成接触。用于LECO工艺的新浆料也显示出提高了开路电压以及短路电流的小幅度增加。

LECO工艺的本质，其实就是增强了银浆与电池或电路的接触能力，降低了接触电阻，从而可以在同样的线宽下获得更高的电流，或在同样的电流下获得更细的线路。这对于光伏电池来讲，不管是提高电流，还是降低线路对光线的阻挡提升电池开口率，都能极大提高光伏电池发光效率。

目前行业只是研究了LECO工艺对银和硅之间在高温（或高能态激活）下的互相渗透合金转变、合金晶格改质以及瞬态合金与金属还原之间的关系，为LECO可以降低银浆线路电阻以及银浆与电池之间接触电阻提供相应的理论指导。

激光器的发展历程可以追溯到1917年爱因斯坦在量子理论的基础上提出受激辐射的概念。20世纪50年代，当时科学家们开始尝试利用激光放大器来放大微弱的光信号。接下来的几十年中，激光技术得到了快速发展，并被应用于各种领域。1960年，第一台激光器被发明出来，这标志着激光技术的诞生。随着时间的推移，激光器的功率逐渐增强，应用领域也越来越广泛，包括医学、军事、通讯、制造业等。1990年代以来，激光器技术进一步发展，出现了各种新型激光器，例如纳秒激光器、飞秒激光器、半导体激光器等。现在，激光技术已成为现代科技和工业的重要组成部分，不断推动着人类社会的进步。    

激光器是一种光放大器，通过受激辐射产生相干光。激光器的基本原理是基于爱因斯坦的受激辐射理论。激光器的组成主要包括以下几个部分：

1. 激活介质：激活介质是激光器的核心，可以是固体、液体、气体或半导体材料。激活介质中的原子或分子能级在受到外部能量的激发后，形成高能量状态，这些激发态的原子或分子可在受激辐射作用下向低能量状态跃迁，同时放出光子。

2. 激发源：激发源是向激活介质提供能量的装置，使其从低能量状态跃迁到高能量状态。激发源可以是光源（如闪光灯）、电源（如直流电源）或化学能源等。

3. 光学谐振腔：光学谐振腔由两个反射镜组成，一个是全反射镜，另一个是部分透射镜。光学谐振腔的作用是使光在激活介质中多次往返，增强光与激活介质的相互作用，从而实现光的放大。其中的输出耦合器位于光学谐振腔的部分透射镜一侧，用于从谐振腔中提取激光输出。部分透射镜允许一部分光通过，从而形成有用的激光输出。    

激光辅助烧结技术又名激光增强接触优化（Laser-enhanced contact optimization(LECO)），2016年由Cell Engineering GmbH申请专利用于修复欠烧结的PERC电池。

激光：在工业领域具有高自动化的受激辐射放大光。         
辅助：辅助的含义为该技术非生产工序的关键因子，加入该技术起到锦上添花的作用。烧结：

①宏观定义：在高温下（不高于熔点），陶瓷生坯固体颗粒的相互键联，晶粒长大，空隙(气孔)和晶界渐趋减少，通过物质的传递，其总体积收缩，密度增加，最后成为具有某种显微结构的致密多晶烧结体，这种现象称为烧结。    

②微观定义：固态中分子（或原子）间存在互相吸引，通过加热使质点获得足够的能量进行迁移，使粉末体产生颗粒黏结，产生强度并导致致密化和再结晶的过程称为烧结。

工艺方法：

对电池片照射高强度激光，同时施加10V或以上的偏转电压，由此产生的数安培的局部电流会显著降低金属与半导体之间的接触电阻。实验条件下每片硅片处理时间1.6秒，可以很容易地降低至1秒以下。

LECO工艺优势

适用集成级别丰富：

1.窄化效率分布+提高产量

2.适应电池生产工艺+受益于更大的工艺窗口

3.调整电池生产工艺+使用LECO浆料+通过Voc增益（+6mV）提高效率增益

适用电池类型广泛：

P型——全背场-PERC-PERC+SE

LECO改进了现有的电池概念（Al BSF、PERC、选择性发射极）：

允许更大的烧结温度窗口；允许在超低掺杂发射极上实现正确接触；允许更高的太阳能电池VocN型；PERT-TOPConLECO是新电池概念（钝化接触，n型）的关键；允许接触较薄的半导体层；允许使用烧穿性较小的银浆；可实现低电阻接触，同时不会损坏钝化层。

激光辅助烧结三要素：激光加热产生载流子、反向电压、特殊的浆料。

贺利氏光伏推出了贺利氏SOL8200系列产品。该系列通过控制浆料的侵蚀性，并将其与激光后处理工艺相结合，成功将银电极烧结过程中的钝化层侵蚀和接触形成这两个关键步骤分开，在尽可能高地保持开路电压的同时，降低接触电阻。

贺利氏SOL8200系列在常规烧结过程中成功减少了钝化层的侵蚀；虽然几乎不能接触，EL测试显示大面积黑片，但经由激光优化处理产生的有效导电通路，能成功增强接触，并通过设备参数优化达到极佳效率。

从机理角度来看，贺利氏SOL8200系列的配方设计调整减少了烧穿区域，通过增强作用，打通了一些之前烧结过程中未通的电子传输通道，从而显著提升了接触效果。

LECO的实证

LECO 技术在P-PERC电池上的效果：

在P-PERC电池上，分别使用标准浆料/LECO专用浆料，细栅宽度40μm，主栅数量4道。LECO批次的平均开路电压高出6.9mV，而填充因子处于同一水平，略提升0.42%，短路电流增加0.08mA/cm2，总体来看，电池片转换效率提升0.38%。

LECO 技术在N-TOPCon电池上的效果

80和170um的iTOPCon电池，对于这两种多晶体厚度，LECO处理后的最佳组平均效率增加了0.6%，这主要是由于FF和Voc值较高所致。此外，LECO使最大效率提高，在LECO之前达到ηmax=22.3%，在LECO之后达到ηmax=22.8%。    

进行LECO处理后，FF的稳定几乎不受厚度的影响。因此，每个多晶硅厚度的最佳烧结温度降低20-40℃，这使得Voc电位更高，而FF没有下降，这缓解了Voc和FF之间的平衡。

此外，LECO允许使用更薄的多晶硅层，这特别受益于在燃烧期间减少的热预算。当Tp-set = 800℃时，Voc已经开始下降，这在80纳米多晶硅厚度的电池中比在170纳米厚度的电池中更加明显。此外，由于沉积时间缩短，多晶硅厚度的降低有望降低成本。

LECO的强化机理

宏观角度研究发现：

1、是否采用LECO技术对于栅线的宽度来说影响并不大，相差范围在1um内。

2、对于栅线表面质量来说，加入LECO技术后的样品更加平整，轮廓高度差更小，并且表面的致密度更密集，浆料的团聚现象更明显。

微观机理研究发现：

在银栅线与硅片接触处制备了的高分辨率的SEM图像显示，接触界面结构表现为银金属、含有ag析出物的玻璃层和硅片。pt保护层由FIB制备而成，保护表面不受损伤。在多个观测截面上没有发现接触结构的明显特征。

LECO处理后的接触界面在大部分区域显示了与初始状态相当的接触结构，在接触界面有一个独特的接触结构修改，这是在LECO处理后唯一发现的。这一特性发生在局部和分布在接触界面上，并经常发现在不同的LECO处理接触位置。所有发现的形成接触点都是在金字塔峰顶附近或顶部。

接触界面改性的微观结构，具有两个不同的特殊区域(roi)。在硅中发现了一个灯丝形状的明亮的材料对比(roi 1)，表明硅中存在一个更高原子序数的额外元素。在形成的接触范围内，必须将银加入硅中。相邻的银指(roi 2)内形成了一个明显的区域，比周围的银更暗。这种结构很可能是由于硅与银结合而形成的，反之亦然。在硅工艺中，硅化物可以形成欧姆触点。    

通过EDX光谱测量了相应的元素分布，各元素特异性EDX图可以清晰可见地显示Ag的分布。形成的接触结构的组成是Si和Ag在可变部分的一部分。因此，可以验证LECO诱导了硅和银的相互扩散，形成了局部的亚µm尺寸的点接触。    

更直观的观测到LECO处理形成的点接触，通过俯视图成像研究了触点的区域界面，并证明了触点的LECO形成。在硅表面的顶部应该可以发现形成的山状结构。经过LECO处理的太阳能电池是通过化学蚀刻来去除网格指(银、玻璃和银晶体)并暴露晶圆表面的。下图为接触界面代表位置的俯视图SEM图像，图像中间有一个金字塔峰。可见到由银晶和残留的SiNx钝化层形成的印迹与初始接触结构相当。LECO形成的接触像在横截面中发现的，在金字塔表面也发现了。    

生长模型主要分为三个阶段，          
第一步：路径寻找。

由局部激光束形成感应载流子，结合偏置电压，形成局部电流；局部电流的优先路径是低电阻路径，该路径必须已经存在于栅线下方的发射极与Ag之间，LECO使得微观尺度上形成了半导体金属界面上的低阻接触点。低电阻接触点仅代表总接触界面面积的一小部分。因此，总电流将沿着小面积的低阻电流路径流动，并导致高电流密度。由于没有绝缘残余钝化层，这些路径可以在金字塔的顶部或接近顶部的地方找到。

第二步：加热过程。

高电流密度导致发热点，对应处发生烧结，引发银与硅的互相扩散，同时根据对凝固接触形状的观察，可以假定一个由界面接触点产生的各向同性单元传播。提出的生长模型可以粗略估计期望的电流密度，需要在Ag和掺杂si之间的界面形成电流触发触点。    

第三步：冷却过程。

当激光扫描电池片表面时，会在激光激发时间限定的时间间隔内诱导载流子的局部光激发。随后，电流诱导热加热将扩展到µs到ms的范围，这通常受到局部载流子平均寿命的限制。由于熔融接触附近的温度被假定为相当低，由于对周围银和硅材料的增强散热，温度将迅速下降。为了更详细地了解材料特性和能量耗散的数量，需要时间常数。然而，材料体系的冷却速度限制了银硅的相互扩散。Ag-Si体系的共晶反应在848℃左右和89% Ag, Si在Ag固相中的溶解度可以忽略不计，观察到的纤维状Ag结构是由于在快速冷却中，过量Ag在AgxSiy相中的偏析。形成局部和低欧姆的金属-半导体接触。

目前电镜图像结果表明，LECO都指向形成了银硅840共熔的合金结。这和铝浆一样，用的是合金结思路。因为合金结形成几乎是瞬时的，所以这也是为什么激光辅助烧结可以很短时间实现接触的佐证。

“激光增强接触优化”（LECO）流程于2019年首次推出。LECO改善了用丝网印刷银浆金属化太阳能电池的金属半导体接触。在此过程中，激光扫描电池正面，局部导致非常高的电荷载体注入。同时，对电池的触点施加负偏置电压。高注入和负偏差通过接触界面导致高电流密度，这导致了接触的形成。    

LECO允许接触低掺杂的发射器，它允许使用LECO特定浆料，并允许在PERC加工线中应用较低的燃烧温度。加工链中的这些额外自由度被证明会导致PERC太阳能电池的效率提高潜力约为0.3%abs.至0.4%abs。LECO还改善了具有镀层触点的电池的效率潜力，尽管该过程潜力巨大，但LECO过程触发的接触形成机制尚未被完全理解。

在引入LECO之前，各种工程试图描述Ag-Si触点的形成，指出电流可能“直接”从硅流向银体，或者“间接”通过隧道穿过玻璃内部的Ag沉淀物上的薄残留玻璃屏障。关于LECO在接触形成中的作用，根据参考文献，LECO激发提供了还原Ag+离子所需的必要电子，这是接触形成所必需的。与此相反，Großer等人提出了一个描述性模型（“当前发射接触（CFC）模型”），指出通过接触界面的高电流密度会导致高温，这些高温导致银和硅之间的相互扩散。冷却后，留下由银和硅混合相组成的大表面的半球形触点（CFC）。然后，这些氟氯化碳在Ag-Si接口上具有良好的整体接触。

TOPCon 在 PERC 电池基础上技术深化的核心是钝化，由“隧穿效应”通过隧穿氧化层实现。“隧穿效应”是指在量子尺度上，粒子直接穿过障碍物的“穿墙术”，TOPCon 电池的“墙”就是衬底背部的超薄氧化硅层。在界面浓度合适的情况下，这层超薄 SiO2 的存在形成一道单向拦截，使得电子可以通过，但是少子（即空穴，流失电子所留下的空位）却不行。隧穿氧化层保证了电流的通畅，又缓解了正负电荷的复合，使得电池的开路电压升高。超薄二氧化硅隧穿层和掺杂多晶硅薄膜共同构成钝化接触结构，也称为电池背面钝化层。高掺杂的多晶硅层与 N 型硅基体间功函数差异引起界面处能带弯曲形成势垒，减少电子和空穴的复合，起到良好的化学钝化作用。    

激光辅助烧结的关键是激发更多的自由电子以便银离子还原，尤其是在TOPCON上。因为Perc正面本身有很多自由电子，你要精确控制不银结晶只银胶体存在反而是很困难的。所以这个技术在TOPCON方面的意义大于Perc。在TOPCON上由于正面本身是空穴导电，天然就保证不会形成银结晶的。所以在增加反向电压激发大量自由电子，在这些自由电子遇到纳米胶体银的玻璃层时，阻值很大而产生瞬时热量高温，大于840度。使得银和硅形成共熔扩散。而当扩散接触形成电阻降低，则瞬时热量消失温度降低，实现5%硅的银硅合金结。这个机理几乎完美的解决了TOPCON正面接触，银硅合金结接触质量高于银结晶。

激光辅助烧结，本质上是利用激光的高度能量集中和可控特性，将高温烧结过程中钝化层侵蚀和接触形成这两个关键步骤分开，从而达到对烧结过程的进一步精准调控。从原理上来看，激光形成的电流沿着低接触电阻路径传输，引发银硅互扩散，从而降低接触电阻；而整个烧结过程的持续时间与载流子寿命匹配，激光过后迅速停止，从而实现原有钝化层的最大限度保留，避免金属-硅基体直接接触引发的载流子复合。激光辅助烧结充分发挥了激光的能量集中和可控优势，相比传统烧结具备明显优势，目前来看在TOPCon上的提效效果显著，是一项具备发展潜力的技术方向。

审核编辑：黄飞