多分片提效工艺：钝化边缘技术（PET）及其IV性能表征

叠瓦太阳能电池通过消除片间距和减少遮光损失，可有效提升组件的输出功率密度。然而，这类电池通常从金属化后的母片上分离得到，分离过程会在边缘引入复合中心，导致填充因子和开路电压下降，且该问题在小尺寸电池中尤为突出。现有的一些边缘钝化方法或需要复杂的金属化前工艺，或涉及难以工业化实施的化学处理步骤。

本文提出一种金属化后“钝化边缘技术”（PET）：通过热原子层沉积氧化铝薄膜并结合低温退火，对分离后的电池边缘进行钝化处理。研究表明，该技术能显著降低边缘有效表面复合速度，当与热激光分离（TLS）工艺配合使用时，可使伪填充因子恢复分离损失的一半以上，最终实现更高的电池输出功率密度，且无需改变前道生产工艺，便于工业化集成。

电池结构与制备

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(a) 双面 pSPEER 太阳能电池的示意截面图(b) 经过PET处理后，pSPEERPET太阳能电池在整个电池表面，尤其是分离边缘（绿色层），增加了一层金属化后沉积的介电钝化层

未处理时，分离边缘仅有一层自然生长的二氧化硅，复合严重。PET通过在边缘沉积介电钝化层（氧化铝）来降低有效表面复合速度。采用热原子层沉积（ALD）氧化铝，其优点包括：保形性好、能提供化学钝化和场效应钝化、薄膜透明（5–15 nm）、低温退火（<225°C）避免金属接触退化。

使用工业6英寸镓掺杂直拉硅PERC前驱体（基区电阻率0.3–0.9 Ω·cm）。正面磷发射极由氮化硅钝化，背面由氧化铝/氮化硅叠层钝化。

(a)工业6英寸 PERC 前驱体的正面和背面扫描图像(b)已完成金属化的母片晶圆及其金属化图形，可从中分离出六个电池(c)激光辅助分离后的pSPEER电池，尺寸为22 mm×148 m(d)经LSMC工艺分离的电池边缘SEM图像。激光划片引起的粗糙区域约占厚度三分之一(e)经TLS工艺分离的电池边缘SEM图像，由于整个裂片过程为热学裂片，边缘非常光滑

工艺从激光接触开孔开始，依次印刷背面银主栅、背面铝栅线、正面银栅线，然后快速烧结。每个母片设计为可分离出6个22 mm × 148 mm的叠瓦电池。分离采用LSMC或TLS。

LSMC：纳秒红外脉冲激光划片约1/3厚度，然后机械裂片，边缘粗糙。

TLS：先用脉冲激光产生0.5–1 mm的初始裂纹，再用连续激光配合水/空气冷却热致裂开，边缘光滑。

表征方法

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(a)分离前对母片晶圆进行Suns-VOC测量时的接触位置示意图(b)对叠瓦电池主栅上相同五个位置的接触方式

采用Suns-Voc测量，提取1000 W/m²下的pFF和Voc，以避免串联电阻干扰。每个母片和每个分离电池均在主栅上五个相同位置测量。此外，在标准测试条件下进行光照IV测试（正面和背面分别测量）。

PET实验方案

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用于研究PET对分离电池影响的实验流程及表征步骤

PET 沉积过程中，FlexAL反应器内三个叠瓦电池、一个椭偏仪测量样品以及间隔片的俯视示意图

为观察分离及PET效果，LSMC电池在沉积前6小时分离；TLS电池分两组，分别在沉积前6小时和19小时分离，以研究等待时间的影响。沉积氧化铝厚度为7 nm或14 nm，使用间隔片保证背面也沉积。沉积后进行低于225°C的热板退火。同时设置未沉积的对照电池。对TLS分离电池在PET后73、99、167小时重复测量以评估钝化稳定性。

另外，制备对称寿命样品（n型区熔硅，厚200 μm，涂覆7 nm氧化铝），通过准稳态光电导（QSSPC）测量有效表面复合速度。

钝化对载流子寿命的影响

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对称n型区熔硅寿命样品的少数载流子寿命τeff随过剩载流子密度Δn变化的QSSPC测量结果

QSSPC结果显示，退火后寿命样品在Δn=10¹⁵ cm⁻³处的有效寿命为432 μs，对应有效表面复合速度Seff=22 cm/s，表明该方法能获得良好的钝化效果。

Suns-Voc 结果

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母片晶圆、分离后、刚沉积后以及退火后的Suns-Voc测量结果

母片平均Voc=669 mV，各步骤后Voc变化很小（±2 mV），因此重点分析pFF。

从母片到分离后，LSMC和TLS均导致pFF下降约1.2%（绝对值），源于边缘复合。

沉积氧化铝后，pFF开始回升。TLS电池从分离态到刚沉积态提升0.4%（绝对值）。

退火后，TLS电池再提升0.4%（绝对值），归因于钝化层激活。未沉积的对照电池退火后也有轻微提升（可能因自然氧化硅生长）。

总体来看，TLS+PET使pFF绝对值提高0.7%，恢复了50%的分离损失；LSMC+PET仅提高0.3%，恢复约16%。表明TLS的光滑边缘更有利于PET效果。

通过Suns-Voc测量获得的TLS分离电池在PET处理前后的pFF值

稳定性测试：涂覆14 nm氧化铝的电池在167小时内pFF几乎不变；7 nm或无涂层的电池随时间退化。

IV 测量结果

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基于上述结果，优选TLS+PET制备电池进行IV测试，并与未做PET的LSMC分离电池对比。

TLS+PET电池（正面）：效率22.1 %，Voc=669 mV，FF=81.4 %，jsc,des=40.5 mA/cm²，pFF=83.2 %，串联电阻0.38 Ω·cm²（表明金属接触未退化）。

LSMC无PET电池（正面）：效率21.7 %，FF=80.9 %，pFF=82.4 %。

背面测量：TLS+PET电池背面效率14.7 %，比无PET的LSMC电池（14.4 %）高0.3 %。两者背面串联电阻均为0.35 Ω·cm²。

考虑背面10%额外辐照，TLS+PET电池输出功率密度为23.5 mW/cm²，比无PET的LSMC电池高0.4 mW/cm²。

这些结果证明PET有效提升了分离电池的效率，且无需修改金属化前工艺。

本文提出的金属化后钝化边缘技术（PET）结合热原子层沉积氧化铝和低温退火，能显著降低分离边缘复合。TLS分离提供光滑边缘，更利于PET效果；LSMC分离边缘粗糙，PET效果稍弱。TLS+PET使pFF提升0.7%（绝对值），恢复一半分离损失，且14 nm氧化铝钝化在167小时内保持稳定。最佳电池正面效率达22.1%，考虑背面10%辐照后输出功率密度为23.5 mW/cm²，比未钝化电池高0.4 mW/cm²。该技术无需改变前道工艺，便于工业集成。