隨著技術(shù)進(jìn)步，n -TOPCon 晶體硅太陽(yáng)能電池成為主流結(jié)構(gòu)之一，但金屬接觸處理是其在工業(yè)應(yīng)用中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。絲網(wǎng)印刷銀漿工藝雖成熟，但成本高，銅、鎳等金屬因成本低、電導(dǎo)率類(lèi)似，有望取代銀漿用于太陽(yáng)能電池金屬化。

鍍銅接觸在成本上具有優(yōu)勢(shì)，但存在可靠性問(wèn)題，研究發(fā)現(xiàn)優(yōu)化鍍銅工藝制備的太陽(yáng)能電池效率比傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷銀漿工藝更高，且在濕熱和熱循環(huán)測(cè)試中表現(xiàn)出良好穩(wěn)定性。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)使用n型單晶TOPCon太陽(yáng)能電池，通過(guò)優(yōu)化銅電鍍工藝參數(shù)，制備了具有高效率的太陽(yáng)能電池。

電鍍金屬化n-TOPCon晶體硅太陽(yáng)能電池的工藝流程

硅片表面處理：在硅片表面構(gòu)建隨機(jī)金字塔結(jié)構(gòu)，以減少反射并增加光的吸收。

pn結(jié)形成：通過(guò)擴(kuò)散方法在硅片表面形成pn結(jié)。

鈍化層制備：使用低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）技術(shù)在硅片表面制備超薄隧道層（SiO2）和n+-poly-Si層。

AlOx層制備：通過(guò)原子沉積（ALD）技術(shù)在太陽(yáng)能電池的正面制備AlOx層。

SiNx薄膜沉積：通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）在太陽(yáng)能電池的正反兩面沉積SiNx薄膜。

激光消融：部分移除鈍化層，為后續(xù)的金屬化做準(zhǔn)備。

電鍍金屬化：在n型摻雜側(cè)進(jìn)行電鍍，包括Ni/Cu電鍍步驟，以及最終的Ag覆蓋層電鍍。

背面金屬化：對(duì)p型摻雜側(cè)進(jìn)行類(lèi)似的金屬化處理。

表征方法

使用UV-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)試樣品的反射率，通過(guò)拉力機(jī)測(cè)試柵線與硅基底之間的結(jié)合力，使用TLM接觸電阻測(cè)試儀測(cè)試電鍍銅金屬化線的接觸電阻。

鍍銅工藝優(yōu)化及影響

基于電解質(zhì)雙層的Stern-Graham 模型的金屬離子的沉積機(jī)制

金屬離子在溶液中的狀態(tài)：在電鍍?nèi)芤褐校腥芙獾慕饘匐x子（M+）。根據(jù) Stern-Graham 模型，離子被具有偶極特征的水分子包圍，形成溶劑化層。

離子向陰極移動(dòng)的過(guò)程：在電鍍時(shí)，陽(yáng)極浸入電解液，陰極位于傳送帶上方并通過(guò)電流/電壓源與陽(yáng)極電連接。施加的外部電流/電壓使電子從陽(yáng)極通過(guò)外部電路傳輸?shù)疥帢O。

離子在陰極表面的沉積：隨著離子接近陰極，對(duì)流對(duì)沉積過(guò)程的影響逐漸減小。這是因?yàn)殡x子在陰極表面不斷沉積，導(dǎo)致該區(qū)域離子濃度顯著下降，此時(shí)擴(kuò)散作用成為離子移動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力。

不同鎳電鍍電流密度下的鎳顆粒尺寸和柵線寬度

鎳粒子尺寸和分布：在較低電流密度（4.97 ASD）時(shí)，鎳粒子均勻分布且尺寸較小，約為 1.1μm。隨著電流密度增加到7.86 ASD，鎳粒子的分布和尺寸開(kāi)始發(fā)生變化。當(dāng)電流密度達(dá)到12.44 ASD，鎳簇粒子明顯變大，粒子分布變得不均勻，表面看起來(lái)更光滑。

鎳種子層寬度變化：隨著電流密度的逐漸增加，鎳種子層的寬度也相應(yīng)增大。這會(huì)導(dǎo)致金屬覆蓋面積擴(kuò)大，然而，過(guò)多的金屬覆蓋會(huì)增加對(duì)光線的遮擋，進(jìn)而降低光的利用效率，影響太陽(yáng)能電池將光能轉(zhuǎn)化為電能的能力。

銅柵線表面形貌：當(dāng)鍍鎳電流密度為4.97 ASD時(shí)，銅柵線表面存在小孔且覆蓋度較低；當(dāng)電流密度增加到12.44 ASD，銅柵線表面的小孔顯著增多，且分布不均勻。

不同電鍍銅電流密度下銅柵線的SEM 圖像及柵線寬度

隨著電鍍銅電流密度增加，銅柵線表面結(jié)構(gòu)逐漸疏松，孔隙增多，當(dāng)電流密度達(dá)到34.83 ASD時(shí)，孔隙現(xiàn)象明顯，沉積層致密性降低；圖f表明電流密度增加會(huì)使細(xì)柵寬度增大，導(dǎo)致遮光面積增加，降低光利用率，進(jìn)而影響太陽(yáng)能電池性能。

不同銅電鍍電流密度下的柵線結(jié)合力和電阻率

正面外觀：顯示低電流密度時(shí)電池表面正常，電流密度增加到29.85 ASD時(shí)出現(xiàn)細(xì)柵脫落現(xiàn)象，且隨電流密度進(jìn)一步增加，脫落更嚴(yán)重。

柵線結(jié)合力：表明柵線結(jié)合力隨電流密度先增后減，低電流密度時(shí)結(jié)合力較好。

柵線寬度與線電阻率的關(guān)系：表明理論上線電阻率應(yīng)隨柵線高度和寬度增加而下降，但電流密度為29.83 ASD時(shí)線電阻率反而增加，這與柵線密度下降有關(guān)。

不同金屬化制備的n-TOPCon 太陽(yáng)能電池的電學(xué)性能

對(duì)比了電鍍銅金屬化和絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備的太陽(yáng)能電池的短路電流密度Jsc、開(kāi)路電壓Voc、填充因子FF、效率Eff，結(jié)果顯示，電鍍銅金屬化電池的Jsc更高，Voc略低，FF和Eff更高。

外量子效率EQE：在中波波段（600 - 1000nm），兩種工藝制備的電池QE 曲線基本重合，表明電鍍銅金屬化工藝在該波段能保持與絲網(wǎng)印刷工藝相當(dāng)?shù)?a href="http://m.brongaenegriffin.com/v/tag/2800/" target="_blank">光電轉(zhuǎn)換效率，對(duì)硅基板的損傷較小。

前后接觸電阻率：電鍍銅金屬化技術(shù)制備的太陽(yáng)能電池前后接觸電阻率明顯高于絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備的電池。較高的接觸電阻率減少了載流子復(fù)合，降低了串聯(lián)電阻。

電鍍銅金屬化的穩(wěn)定性

酸處理后柵線接觸相關(guān)的SEM 和 EDS 分析圖像

柵線接觸截面：可以看到金屬柵線的最外層為Ag 層，存在明顯的分層現(xiàn)象。同時(shí)，Ni/Cu 界面沒(méi)有出現(xiàn)分層，且電鍍金屬柵線的橫截面呈現(xiàn)出光滑、致密的特點(diǎn)。

柵線松散位置EDS元素分析：結(jié)果顯示該區(qū)域主要元素為Cu和Ag。這說(shuō)明醋酸處理對(duì)Cu和Ag層有一定程度的影響，導(dǎo)致部分區(qū)域出現(xiàn)松散現(xiàn)象。

金屬接觸界面EDS元素分析：通過(guò)EDS 分析金屬接觸界面，結(jié)果表明 Si/Ni/Cu 界面之間沒(méi)有發(fā)生相互擴(kuò)散。

柵線接觸線掃描元素分布：清晰地顯示出金屬Cu 原子沒(méi)有擴(kuò)散到硅基板，該結(jié)果表明電鍍銅金屬化電極在濕熱環(huán)境下能夠有效阻擋 Cu 擴(kuò)散，確保電池性能的穩(wěn)定性。

不同測(cè)試條件下光伏組件的功率變化

DH測(cè)試中雙玻璃組件功率變化：隨著DH測(cè)試時(shí)間延長(zhǎng)，兩種組件的功率變化率均呈下降趨勢(shì)。當(dāng)DH測(cè)試達(dá)到2000h時(shí)，絲網(wǎng)印刷金屬化雙玻璃組件的功率變化率為3.92%，而電鍍銅金屬化雙玻璃組件的功率僅降低1.78%。

DH測(cè)試中單玻璃組件功率變化：經(jīng)2000h的DH測(cè)試，其功率降低了2.57%，明顯高于雙玻璃組件的功率下降幅度。

TC測(cè)試中雙玻璃組件功率變化：經(jīng)過(guò)400次熱循環(huán)后，絲網(wǎng)印刷金屬化雙玻璃組件的功率下降了0.92%，而電鍍銅金屬化雙玻璃組件的功率僅下降0.39%。

TC測(cè)試中單玻璃組件功率變化：在400次熱循環(huán)后，其功率變化為1.62%。在 TC 測(cè)試中，電鍍銅金屬化的雙玻璃組件穩(wěn)定性最佳，單玻璃組件雖穩(wěn)定性稍遜，但整體仍展現(xiàn)出較好的性能。

不同金屬化組件在DH和TC測(cè)試后的EL圖像

SP金屬化雙玻璃組件在DH測(cè)試2000 h后EL圖像中黑色區(qū)域略有增加，而電鍍銅金屬化的單玻璃和雙玻璃組件黑色區(qū)域增加不明顯；不同金屬化組件在TC測(cè)試后，TC熱循環(huán)對(duì)組件的電致發(fā)光性能無(wú)顯著影響，進(jìn)一步證明電鍍銅金屬化制備的n-TOPCon太陽(yáng)能電池具有良好的熱穩(wěn)定性。

本文針對(duì)雙面鍍銅金屬化在n-TOPCon晶硅太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用展開(kāi)了深入探究。通過(guò)系統(tǒng)研究鍍銅工藝參數(shù)對(duì)電池性能的影響，并與傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷銀漿工藝對(duì)比，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化鍍銅工藝能有效提升電池效率，在濕熱和熱循環(huán)測(cè)試中也展現(xiàn)出良好穩(wěn)定性。

美能溫濕度綜合環(huán)境試驗(yàn)箱

美能溫濕度綜合環(huán)境試驗(yàn)箱采用進(jìn)口溫度控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)多段溫度編程，具有高精確度和良好的可靠性，滿(mǎn)足不同氣候條件下的測(cè)試需求。

溫度范圍：20℃~+130℃

溫濕度范圍：10%RH~98%RH(at+20℃-+85℃）

滿(mǎn)足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：IEC61215、IEC61730、UL1703等檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

為進(jìn)一步評(píng)估組件在復(fù)雜環(huán)境下的長(zhǎng)期可靠性，可引入美能溫濕度綜合環(huán)境試驗(yàn)箱進(jìn)行更嚴(yán)苛的加速老化測(cè)試。該設(shè)備能夠精準(zhǔn)模擬高溫高濕（如85℃/85%RH）、溫度循環(huán)（-40℃~85℃）等極端氣候條件，結(jié)合紫外輻照、鹽霧腐蝕等多因素耦合實(shí)驗(yàn)，全面分析電鍍銅柵線在濕熱、熱應(yīng)力、化學(xué)腐蝕等多重作用下的失效機(jī)制。