TOPCon电池提效：激光氧化集成TOPCon前表面poly-finger接触

双面TOPCon电池（DS-TOPCon）虽具有高开路电压（>728 mV），但前表面全区域多晶硅poly-Si层导致严重光寄生吸收——200nm厚度即可损失>1 mA/cm²电流。传统方案减薄poly-Si会恶化金属化接触，而选区结构（poly-Si仅存于金属栅线下）可兼顾光学与电学性能。本文解析了一种利用纳秒紫外激光氧化技术制备TOPCon太阳能电池前表面选区poly-finger接触的创新工艺。在优化工艺过程中，我们采用了美能3D共聚焦显微镜对表面形貌进行高精度3D成像及缺陷分析，以支持选区结构的开发。

研究方法

 Millennial Solar 

 

 

样品制备

背结选择性区域双面TOPCon太阳能电池示意图

• 对称结构：n-poly-Si/SiO₂/n-Si/SiO₂/n-poly-Si，基材为3 Ω·cm n型CZ硅片（双面绒面）。
• 隧道氧化层：HNO₃溶液（100°C）制备15 Å SiO₂。
• 多晶硅沉积：LPCVD生长200 nm n型poly-Si（588°C）。

激光图案化工艺

激光氧化掩膜与多晶硅刻蚀流程示意图

 

本研究提出三阶创新流程：

• 激光氧化：355nm纳秒激光（≥3W，400mm/s）在TOPCon表面生长1–4nm化学计量SiO₂；
• 选择性蚀刻：KOH溶液（9%/40°C）移除无掩膜区200nm poly-Si，形成100μm宽poly-Si-fingers；
• 钝化修复：PECVD沉积70nm SiNₓ，补偿激光损伤并兼容丝网印刷金属化。

结果与讨论

 Millennial Solar 

 

 

光学建模

全面积与选择性TOPCon的光生电流损失模拟

 

多晶硅厚度对电流损失的影响：

• 全区域TOPCon：厚度>20 nm时Jₛc损失>1 mA·cm⁻²。
• 选择性TOPCon（100 μm宽指状区）：200 nm厚时Jₛc损失仅0.2 mA·cm⁻²，对厚度变化不敏感（500 nm时损失0.3 mA·cm⁻²）。

激光氧化机制

(a) 不同激光功率下的O²⁻峰和(b) Si⁴⁺峰的XPS图谱

 

氧化层特性：XPS证实，激光功率≥3W时生成O²⁻富集（532eV）、Si⁴⁺峰偏移（103.5nm）的致密SiO₂，符合Deal-Grove热氧化模型；

KOH蚀刻前后多晶硅薄膜的方块电阻测量结果

 

蚀刻选择性：3W激光后，poly-Si方块电阻保持~30Ω/□，表明SiO₂掩膜抵抗90秒KOH蚀刻；低于3W则掩膜失效。损伤修复与钝化恢复

激光共聚焦显微镜图像（俯视图与等距视图）

 

激光损伤：功率>3W导致金字塔织构圆化，J₀飙升≤2300 fA/cm²；氢钝化修复：70nm PECVD SiNₓ沉积后，3W激光下的J₀降至43.2 fA/cm²（其中激光面贡献36.8 fA/cm²），选区poly-fingers区复合仅1.65 fA/cm²（覆盖率4.48%）。
电池模拟（Quokka 2）

模拟的选择性前表面双面TOPCon太阳能电池的电流-电压特性曲线

模拟的太阳能电池效率随(a)多晶硅指厚度、(b)指宽度、(c)金属接触J0、(d)接触电阻率的变化

 

基准效率：24.84%（J₀,metal=300 fA·cm⁻²，接触电阻2 mΩ·cm²）。关键参数敏感性分析：

• 多晶硅厚度（200→500 nm）：效率降低0.05%。
• 指状宽度（100→200 μm）：效率降低0.2%（Vₒc↓2.1 mV, Jₛc↓0.4 mA·cm⁻²。
• 金属接触J₀（300→50 fA·cm⁻²）：效率提升至25%。
• 接触电阻（每增加2 mΩ·cm²）：FF↓0.5%，效率↓0.2%。

通过Quokka2电池仿真验证产业化路径：工艺兼容性：

• 全程兼容丝网印刷产线（含760℃烧结）
• 省去传统光刻/TMAH刻蚀5道工序，降本幅度≥18%

效率边界：

当J0,metal≤50 fA/cm²时，效率可达25.0%（初始值24.84%）本文解析了一种利用纳秒紫外激光氧化技术制备 TOPCon 太阳能电池前表面选区多晶硅（ poly-Si ）接触的创新工艺。该工艺通过激光诱导生长SiO₂掩膜，结合KOH选择性蚀刻，实现仅保留金属栅线下方的 poly-Si 接触条，有效解决了传统双面TOPCon电池中前表面全区域poly-Si层的光寄生吸收问题。实验表明，该方案在保持优异钝化性能的同时，显著提升光学透过率，为25%+高效电池提供新路径。

美能3D共聚焦显微镜

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美能3D共聚焦显微镜ME-PT3000专用于光伏行业对光伏基板表面的栅线及绒面进行质量检测的光学仪器。对光伏基板上的栅线的深度与宽度、绒面上的金字塔数量进行定量检测，以反馈光伏基板的工艺质量。

 

• 精确可靠的3D测量，实现实时共聚焦显微图像

 

• 超高共聚焦镜头，Z轴显示分辨率可达1nm

 

• 高精度、高重复性

 

全自动光栅绒面测量，快速生成数据

美能3D共聚焦显微镜在整个工艺中用于表面栅线和绒面的亚微米级检测，确保了光学性能的可控优化。

原文参考：Novel Process for Screen-Printed Selective Area Front Polysilicon Contacts for TOPCon Cells Using Laser Oxidation

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