激光增強(qiáng)接觸優(yōu)化(LECO)工藝：光伏電池效率提升的關(guān)鍵

技術(shù)前沿：“激光增強(qiáng)接觸優(yōu)化”（LECO）和光伏銀漿開發(fā)

在與光伏類相似的光、熱、電平板轉(zhuǎn)換器件中，金屬半導(dǎo)體觸點(diǎn)通常是通過在硅片上印刷金屬漿料制成的，而形成低歐姆觸點(diǎn)一直是多年來研究的一個(gè)主要課題。一種用于接觸改善的過程是激光增強(qiáng)接觸優(yōu)化(LECO)與電池片制造過程中使用的其他基于激光的處理相反，如激光切割，激光邊緣隔離，激光發(fā)射接觸，和激光摻雜選擇性發(fā)射體，在LECO處理中，激光用于非破壞性載波注入，而處理的驅(qū)動(dòng)力是由LECO過程誘導(dǎo)的電流。這個(gè)過程發(fā)生在絲網(wǎng)印刷太陽能電池的快速燃燒過程之后。經(jīng)過LECO處理后，太陽能電池的接觸電阻明顯降低。經(jīng)過LECO處理后，太陽能電池的接觸電阻顯著降低，即使在低摻雜的發(fā)射體上，也能形成接觸。用于LECO工藝的新漿料也顯示出提高了開路電壓以及短路電流的小幅度增加。

LECO工藝的本質(zhì)，其實(shí)就是增強(qiáng)了銀漿與電池或電路的接觸能力，降低了接觸電阻，從而可以在同樣的線寬下獲得更高的電流，或在同樣的電流下獲得更細(xì)的線路。這對于光伏電池來講，不管是提高電流，還是降低線路對光線的阻擋提升電池開口率，都能極大提高光伏電池發(fā)光效率。

目前行業(yè)只是研究了LECO工藝對銀和硅之間在高溫（或高能態(tài)激活）下的互相滲透合金轉(zhuǎn)變、合金晶格改質(zhì)以及瞬態(tài)合金與金屬還原之間的關(guān)系，為LECO可以降低銀漿線路電阻以及銀漿與電池之間接觸電阻提供相應(yīng)的理論指導(dǎo)。

激光器的發(fā)展歷程可以追溯到1917年愛因斯坦在量子理論的基礎(chǔ)上提出受激輻射的概念。20世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)科學(xué)家們開始嘗試?yán)眉す夥糯笃鱽矸糯笪⑷醯墓?a target="_blank">信號(hào)。接下來的幾十年中，激光技術(shù)得到了快速發(fā)展，并被應(yīng)用于各種領(lǐng)域。1960年，第一臺(tái)激光器被發(fā)明出來，這標(biāo)志著激光技術(shù)的誕生。隨著時(shí)間的推移，激光器的功率逐漸增強(qiáng)，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，包括醫(yī)學(xué)、軍事、通訊、制造業(yè)等。1990年代以來，激光器技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)了各種新型激光器，例如納秒激光器、飛秒激光器、半導(dǎo)體激光器等。現(xiàn)在，激光技術(shù)已成為現(xiàn)代科技和工業(yè)的重要組成部分，不斷推動(dòng)著人類社會(huì)的進(jìn)步。

激光器是一種光放大器，通過受激輻射產(chǎn)生相干光。激光器的基本原理是基于愛因斯坦的受激輻射理論。激光器的組成主要包括以下幾個(gè)部分：

1. 激活介質(zhì)：激活介質(zhì)是激光器的核心，可以是固體、液體、氣體或半導(dǎo)體材料。激活介質(zhì)中的原子或分子能級在受到外部能量的激發(fā)后，形成高能量狀態(tài)，這些激發(fā)態(tài)的原子或分子可在受激輻射作用下向低能量狀態(tài)躍遷，同時(shí)放出光子。

2. 激發(fā)源：激發(fā)源是向激活介質(zhì)提供能量的裝置，使其從低能量狀態(tài)躍遷到高能量狀態(tài)。激發(fā)源可以是光源（如閃光燈）、電源（如直流電源）或化學(xué)能源等。

3. 光學(xué)諧振腔：光學(xué)諧振腔由兩個(gè)反射鏡組成，一個(gè)是全反射鏡，另一個(gè)是部分透射鏡。光學(xué)諧振腔的作用是使光在激活介質(zhì)中多次往返，增強(qiáng)光與激活介質(zhì)的相互作用，從而實(shí)現(xiàn)光的放大。其中的輸出耦合器位于光學(xué)諧振腔的部分透射鏡一側(cè)，用于從諧振腔中提取激光輸出。部分透射鏡允許一部分光通過，從而形成有用的激光輸出。

激光輔助燒結(jié)技術(shù)又名激光增強(qiáng)接觸優(yōu)化（Laser-enhanced contact optimization(LECO)），2016年由Cell Engineering GmbH申請專利用于修復(fù)欠燒結(jié)的PERC電池。

激光：在工業(yè)領(lǐng)域具有高自動(dòng)化的受激輻射放大光。
輔助：輔助的含義為該技術(shù)非生產(chǎn)工序的關(guān)鍵因子，加入該技術(shù)起到錦上添花的作用。燒結(jié)：

①宏觀定義：在高溫下（不高于熔點(diǎn)），陶瓷生坯固體顆粒的相互鍵聯(lián)，晶粒長大，空隙(氣孔)和晶界漸趨減少，通過物質(zhì)的傳遞，其總體積收縮，密度增加，最后成為具有某種顯微結(jié)構(gòu)的致密多晶燒結(jié)體，這種現(xiàn)象稱為燒結(jié)。

②微觀定義：固態(tài)中分子（或原子）間存在互相吸引，通過加熱使質(zhì)點(diǎn)獲得足夠的能量進(jìn)行遷移，使粉末體產(chǎn)生顆粒黏結(jié)，產(chǎn)生強(qiáng)度并導(dǎo)致致密化和再結(jié)晶的過程稱為燒結(jié)。

工藝方法：

對電池片照射高強(qiáng)度激光，同時(shí)施加10V或以上的偏轉(zhuǎn)電壓，由此產(chǎn)生的數(shù)安培的局部電流會(huì)顯著降低金屬與半導(dǎo)體之間的接觸電阻。實(shí)驗(yàn)條件下每片硅片處理時(shí)間1.6秒，可以很容易地降低至1秒以下。

LECO工藝優(yōu)勢

適用集成級別豐富：

1.窄化效率分布+提高產(chǎn)量

2.適應(yīng)電池生產(chǎn)工藝+受益于更大的工藝窗口

3.調(diào)整電池生產(chǎn)工藝+使用LECO漿料+通過Voc增益（+6mV）提高效率增益

適用電池類型廣泛：

P型——全背場-PERC-PERC+SE

LECO改進(jìn)了現(xiàn)有的電池概念（Al BSF、PERC、選擇性發(fā)射極）：

允許更大的燒結(jié)溫度窗口；允許在超低摻雜發(fā)射極上實(shí)現(xiàn)正確接觸；允許更高的太陽能電池VocN型；PERT-TOPConLECO是新電池概念（鈍化接觸，n型）的關(guān)鍵；允許接觸較薄的半導(dǎo)體層；允許使用燒穿性較小的銀漿；可實(shí)現(xiàn)低電阻接觸，同時(shí)不會(huì)損壞鈍化層。

激光輔助燒結(jié)三要素：激光加熱產(chǎn)生載流子、反向電壓、特殊的漿料。

賀利氏光伏推出了賀利氏SOL8200系列產(chǎn)品。該系列通過控制漿料的侵蝕性，并將其與激光后處理工藝相結(jié)合，成功將銀電極燒結(jié)過程中的鈍化層侵蝕和接觸形成這兩個(gè)關(guān)鍵步驟分開，在盡可能高地保持開路電壓的同時(shí)，降低接觸電阻。

賀利氏SOL8200系列在常規(guī)燒結(jié)過程中成功減少了鈍化層的侵蝕；雖然幾乎不能接觸，EL測試顯示大面積黑片，但經(jīng)由激光優(yōu)化處理產(chǎn)生的有效導(dǎo)電通路，能成功增強(qiáng)接觸，并通過設(shè)備參數(shù)優(yōu)化達(dá)到極佳效率。

從機(jī)理角度來看，賀利氏SOL8200系列的配方設(shè)計(jì)調(diào)整減少了燒穿區(qū)域，通過增強(qiáng)作用，打通了一些之前燒結(jié)過程中未通的電子傳輸通道，從而顯著提升了接觸效果。

LECO的實(shí)證

LECO 技術(shù)在P-PERC電池上的效果：

在P-PERC電池上，分別使用標(biāo)準(zhǔn)漿料/LECO專用漿料，細(xì)柵寬度40μm，主柵數(shù)量4道。LECO批次的平均開路電壓高出6.9mV，而填充因子處于同一水平，略提升0.42%，短路電流增加0.08mA/cm2，總體來看，電池片轉(zhuǎn)換效率提升0.38%。

LECO 技術(shù)在N-TOPCon電池上的效果

80和170um的iTOPCon電池，對于這兩種多晶體厚度，LECO處理后的最佳組平均效率增加了0.6%，這主要是由于FF和Voc值較高所致。此外，LECO使最大效率提高，在LECO之前達(dá)到ηmax=22.3%，在LECO之后達(dá)到ηmax=22.8%。

進(jìn)行LECO處理后，F(xiàn)F的穩(wěn)定幾乎不受厚度的影響。因此，每個(gè)多晶硅厚度的最佳燒結(jié)溫度降低20-40℃，這使得Voc電位更高，而FF沒有下降，這緩解了Voc和FF之間的平衡。

此外，LECO允許使用更薄的多晶硅層，這特別受益于在燃燒期間減少的熱預(yù)算。當(dāng)Tp-set = 800℃時(shí)，Voc已經(jīng)開始下降，這在80納米多晶硅厚度的電池中比在170納米厚度的電池中更加明顯。此外，由于沉積時(shí)間縮短，多晶硅厚度的降低有望降低成本。

LECO的強(qiáng)化機(jī)理

宏觀角度研究發(fā)現(xiàn)：

1、是否采用LECO技術(shù)對于柵線的寬度來說影響并不大，相差范圍在1um內(nèi)。

2、對于柵線表面質(zhì)量來說，加入LECO技術(shù)后的樣品更加平整，輪廓高度差更小，并且表面的致密度更密集，漿料的團(tuán)聚現(xiàn)象更明顯。

微觀機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)：

在銀柵線與硅片接觸處制備了的高分辨率的SEM圖像顯示，接觸界面結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為銀金屬、含有ag析出物的玻璃層和硅片。pt保護(hù)層由FIB制備而成，保護(hù)表面不受損傷。在多個(gè)觀測截面上沒有發(fā)現(xiàn)接觸結(jié)構(gòu)的明顯特征。

LECO處理后的接觸界面在大部分區(qū)域顯示了與初始狀態(tài)相當(dāng)?shù)慕佑|結(jié)構(gòu)，在接觸界面有一個(gè)獨(dú)特的接觸結(jié)構(gòu)修改，這是在LECO處理后唯一發(fā)現(xiàn)的。這一特性發(fā)生在局部和分布在接觸界面上，并經(jīng)常發(fā)現(xiàn)在不同的LECO處理接觸位置。所有發(fā)現(xiàn)的形成接觸點(diǎn)都是在金字塔峰頂附近或頂部。

接觸界面改性的微觀結(jié)構(gòu)，具有兩個(gè)不同的特殊區(qū)域(roi)。在硅中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)燈絲形狀的明亮的材料對比(roi 1)，表明硅中存在一個(gè)更高原子序數(shù)的額外元素。在形成的接觸范圍內(nèi)，必須將銀加入硅中。相鄰的銀指(roi 2)內(nèi)形成了一個(gè)明顯的區(qū)域，比周圍的銀更暗。這種結(jié)構(gòu)很可能是由于硅與銀結(jié)合而形成的，反之亦然。在硅工藝中，硅化物可以形成歐姆觸點(diǎn)。

通過EDX光譜測量了相應(yīng)的元素分布，各元素特異性EDX圖可以清晰可見地顯示Ag的分布。形成的接觸結(jié)構(gòu)的組成是Si和Ag在可變部分的一部分。因此，可以驗(yàn)證LECO誘導(dǎo)了硅和銀的相互擴(kuò)散，形成了局部的亞μm尺寸的點(diǎn)接觸。

更直觀的觀測到LECO處理形成的點(diǎn)接觸，通過俯視圖成像研究了觸點(diǎn)的區(qū)域界面，并證明了觸點(diǎn)的LECO形成。在硅表面的頂部應(yīng)該可以發(fā)現(xiàn)形成的山狀結(jié)構(gòu)。經(jīng)過LECO處理的太陽能電池是通過化學(xué)蝕刻來去除網(wǎng)格指(銀、玻璃和銀晶體)并暴露晶圓表面的。下圖為接觸界面代表位置的俯視圖SEM圖像，圖像中間有一個(gè)金字塔峰?？梢姷接摄y晶和殘留的SiNx鈍化層形成的印跡與初始接觸結(jié)構(gòu)相當(dāng)。LECO形成的接觸像在橫截面中發(fā)現(xiàn)的，在金字塔表面也發(fā)現(xiàn)了。

生長模型主要分為三個(gè)階段，
第一步：路徑尋找。

由局部激光束形成感應(yīng)載流子，結(jié)合偏置電壓，形成局部電流；局部電流的優(yōu)先路徑是低電阻路徑，該路徑必須已經(jīng)存在于柵線下方的發(fā)射極與Ag之間，LECO使得微觀尺度上形成了半導(dǎo)體金屬界面上的低阻接觸點(diǎn)。低電阻接觸點(diǎn)僅代表總接觸界面面積的一小部分。因此，總電流將沿著小面積的低阻電流路徑流動(dòng)，并導(dǎo)致高電流密度。由于沒有絕緣殘余鈍化層，這些路徑可以在金字塔的頂部或接近頂部的地方找到。

第二步：加熱過程。

高電流密度導(dǎo)致發(fā)熱點(diǎn)，對應(yīng)處發(fā)生燒結(jié)，引發(fā)銀與硅的互相擴(kuò)散，同時(shí)根據(jù)對凝固接觸形狀的觀察，可以假定一個(gè)由界面接觸點(diǎn)產(chǎn)生的各向同性單元傳播。提出的生長模型可以粗略估計(jì)期望的電流密度，需要在Ag和摻雜si之間的界面形成電流觸發(fā)觸點(diǎn)。

第三步：冷卻過程。

當(dāng)激光掃描電池片表面時(shí)，會(huì)在激光激發(fā)時(shí)間限定的時(shí)間間隔內(nèi)誘導(dǎo)載流子的局部光激發(fā)。隨后，電流誘導(dǎo)熱加熱將擴(kuò)展到μs到ms的范圍，這通常受到局部載流子平均壽命的限制。由于熔融接觸附近的溫度被假定為相當(dāng)?shù)停捎趯χ車y和硅材料的增強(qiáng)散熱，溫度將迅速下降。為了更詳細(xì)地了解材料特性和能量耗散的數(shù)量，需要時(shí)間常數(shù)。然而，材料體系的冷卻速度限制了銀硅的相互擴(kuò)散。Ag-Si體系的共晶反應(yīng)在848℃左右和89% Ag, Si在Ag固相中的溶解度可以忽略不計(jì)，觀察到的纖維狀A(yù)g結(jié)構(gòu)是由于在快速冷卻中，過量Ag在AgxSiy相中的偏析。形成局部和低歐姆的金屬-半導(dǎo)體接觸。

目前電鏡圖像結(jié)果表明，LECO都指向形成了銀硅840共熔的合金結(jié)。這和鋁漿一樣，用的是合金結(jié)思路。因?yàn)楹辖鸾Y(jié)形成幾乎是瞬時(shí)的，所以這也是為什么激光輔助燒結(jié)可以很短時(shí)間實(shí)現(xiàn)接觸的佐證。

“激光增強(qiáng)接觸優(yōu)化”（LECO）流程于2019年首次推出。LECO改善了用絲網(wǎng)印刷銀漿金屬化太陽能電池的金屬半導(dǎo)體接觸。在此過程中，激光掃描電池正面，局部導(dǎo)致非常高的電荷載體注入。同時(shí)，對電池的觸點(diǎn)施加負(fù)偏置電壓。高注入和負(fù)偏差通過接觸界面導(dǎo)致高電流密度，這導(dǎo)致了接觸的形成。

LECO允許接觸低摻雜的發(fā)射器，它允許使用LECO特定漿料，并允許在PERC加工線中應(yīng)用較低的燃燒溫度。加工鏈中的這些額外自由度被證明會(huì)導(dǎo)致PERC太陽能電池的效率提高潛力約為0.3%abs.至0.4%abs。LECO還改善了具有鍍層觸點(diǎn)的電池的效率潛力，盡管該過程潛力巨大，但LECO過程觸發(fā)的接觸形成機(jī)制尚未被完全理解。

在引入LECO之前，各種工程試圖描述Ag-Si觸點(diǎn)的形成，指出電流可能“直接”從硅流向銀體，或者“間接”通過隧道穿過玻璃內(nèi)部的Ag沉淀物上的薄殘留玻璃屏障。關(guān)于LECO在接觸形成中的作用，根據(jù)參考文獻(xiàn)，LECO激發(fā)提供了還原Ag+離子所需的必要電子，這是接觸形成所必需的。與此相反，Gro?er等人提出了一個(gè)描述性模型（“當(dāng)前發(fā)射接觸（CFC）模型”），指出通過接觸界面的高電流密度會(huì)導(dǎo)致高溫，這些高溫導(dǎo)致銀和硅之間的相互擴(kuò)散。冷卻后，留下由銀和硅混合相組成的大表面的半球形觸點(diǎn)（CFC）。然后，這些氟氯化碳在Ag-Si接口上具有良好的整體接觸。

TOPCon 在 PERC 電池基礎(chǔ)上技術(shù)深化的核心是鈍化，由“隧穿效應(yīng)”通過隧穿氧化層實(shí)現(xiàn)?！八泶┬?yīng)”是指在量子尺度上，粒子直接穿過障礙物的“穿墻術(shù)”，TOPCon 電池的“墻”就是襯底背部的超薄氧化硅層。在界面濃度合適的情況下，這層超薄 SiO2 的存在形成一道單向攔截，使得電子可以通過，但是少子（即空穴，流失電子所留下的空位）卻不行。隧穿氧化層保證了電流的通暢，又緩解了正負(fù)電荷的復(fù)合，使得電池的開路電壓升高。超薄二氧化硅隧穿層和摻雜多晶硅薄膜共同構(gòu)成鈍化接觸結(jié)構(gòu)，也稱為電池背面鈍化層。高摻雜的多晶硅層與 N 型硅基體間功函數(shù)差異引起界面處能帶彎曲形成勢壘，減少電子和空穴的復(fù)合，起到良好的化學(xué)鈍化作用。

激光輔助燒結(jié)的關(guān)鍵是激發(fā)更多的自由電子以便銀離子還原，尤其是在TOPCON上。因?yàn)镻erc正面本身有很多自由電子，你要精確控制不銀結(jié)晶只銀膠體存在反而是很困難的。所以這個(gè)技術(shù)在TOPCON方面的意義大于Perc。在TOPCON上由于正面本身是空穴導(dǎo)電，天然就保證不會(huì)形成銀結(jié)晶的。所以在增加反向電壓激發(fā)大量自由電子，在這些自由電子遇到納米膠體銀的玻璃層時(shí)，阻值很大而產(chǎn)生瞬時(shí)熱量高溫，大于840度。使得銀和硅形成共熔擴(kuò)散。而當(dāng)擴(kuò)散接觸形成電阻降低，則瞬時(shí)熱量消失溫度降低，實(shí)現(xiàn)5%硅的銀硅合金結(jié)。這個(gè)機(jī)理幾乎完美的解決了TOPCON正面接觸，銀硅合金結(jié)接觸質(zhì)量高于銀結(jié)晶。

激光輔助燒結(jié)，本質(zhì)上是利用激光的高度能量集中和可控特性，將高溫?zé)Y(jié)過程中鈍化層侵蝕和接觸形成這兩個(gè)關(guān)鍵步驟分開，從而達(dá)到對燒結(jié)過程的進(jìn)一步精準(zhǔn)調(diào)控。從原理上來看，激光形成的電流沿著低接觸電阻路徑傳輸，引發(fā)銀硅互擴(kuò)散，從而降低接觸電阻；而整個(gè)燒結(jié)過程的持續(xù)時(shí)間與載流子壽命匹配，激光過后迅速停止，從而實(shí)現(xiàn)原有鈍化層的最大限度保留，避免金屬-硅基體直接接觸引發(fā)的載流子復(fù)合。激光輔助燒結(jié)充分發(fā)揮了激光的能量集中和可控優(yōu)勢，相比傳統(tǒng)燒結(jié)具備明顯優(yōu)勢，目前來看在TOPCon上的提效效果顯著，是一項(xiàng)具備發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)方向。

審核編輯：黃飛