疊瓦太陽(yáng)能電池通過消除片間距和減少遮光損失，可有效提升組件的輸出功率密度。然而，這類電池通常從金屬化后的母片上分離得到，分離過程會(huì)在邊緣引入復(fù)合中心，導(dǎo)致填充因子和開路電壓下降，且該問題在小尺寸電池中尤為突出?，F(xiàn)有的一些邊緣鈍化方法或需要復(fù)雜的金屬化前工藝，或涉及難以工業(yè)化實(shí)施的化學(xué)處理步驟。

本文提出一種金屬化后“鈍化邊緣技術(shù)”（PET）：通過熱原子層沉積氧化鋁薄膜并結(jié)合低溫退火，對(duì)分離后的電池邊緣進(jìn)行鈍化處理。研究表明，該技術(shù)能顯著降低邊緣有效表面復(fù)合速度，當(dāng)與熱激光分離（TLS）工藝配合使用時(shí)，可使偽填充因子恢復(fù)分離損失的一半以上，最終實(shí)現(xiàn)更高的電池輸出功率密度，且無(wú)需改變前道生產(chǎn)工藝，便于工業(yè)化集成。

電池結(jié)構(gòu)與制備

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(a) 雙面 pSPEER 太陽(yáng)能電池的示意截面圖(b) 經(jīng)過PET處理后，pSPEERPET太陽(yáng)能電池在整個(gè)電池表面，尤其是分離邊緣（綠色層），增加了一層金屬化后沉積的介電鈍化層

未處理時(shí)，分離邊緣僅有一層自然生長(zhǎng)的二氧化硅，復(fù)合嚴(yán)重。PET通過在邊緣沉積介電鈍化層（氧化鋁）來(lái)降低有效表面復(fù)合速度。采用熱原子層沉積（ALD）氧化鋁，其優(yōu)點(diǎn)包括：保形性好、能提供化學(xué)鈍化和場(chǎng)效應(yīng)鈍化、薄膜透明（5–15 nm）、低溫退火（<225°C）避免金屬接觸退化。

使用工業(yè)6英寸鎵摻雜直拉硅PERC前驅(qū)體（基區(qū)電阻率0.3–0.9 Ω·cm）。正面磷發(fā)射極由氮化硅鈍化，背面由氧化鋁/氮化硅疊層鈍化。

(a)工業(yè)6英寸 PERC 前驅(qū)體的正面和背面掃描圖像(b)已完成金屬化的母片晶圓及其金屬化圖形，可從中分離出六個(gè)電池(c)激光輔助分離后的pSPEER電池，尺寸為22 mm×148 m(d)經(jīng)LSMC工藝分離的電池邊緣SEM圖像。激光劃片引起的粗糙區(qū)域約占厚度三分之一(e)經(jīng)TLS工藝分離的電池邊緣SEM圖像，由于整個(gè)裂片過程為熱學(xué)裂片，邊緣非常光滑

工藝從激光接觸開孔開始，依次印刷背面銀主柵、背面鋁柵線、正面銀柵線，然后快速燒結(jié)。每個(gè)母片設(shè)計(jì)為可分離出6個(gè)22 mm × 148 mm的疊瓦電池。分離采用LSMC或TLS。

LSMC：納秒紅外脈沖激光劃片約1/3厚度，然后機(jī)械裂片，邊緣粗糙。

TLS：先用脈沖激光產(chǎn)生0.5–1 mm的初始裂紋，再用連續(xù)激光配合水/空氣冷卻熱致裂開，邊緣光滑。

表征方法

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(a)分離前對(duì)母片晶圓進(jìn)行Suns-VOC測(cè)量時(shí)的接觸位置示意圖(b)對(duì)疊瓦電池主柵上相同五個(gè)位置的接觸方式

采用Suns-Voc測(cè)量，提取1000 W/m2下的pFF和Voc，以避免串聯(lián)電阻干擾。每個(gè)母片和每個(gè)分離電池均在主柵上五個(gè)相同位置測(cè)量。此外，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下進(jìn)行光照IV測(cè)試（正面和背面分別測(cè)量）。

PET實(shí)驗(yàn)方案

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用于研究PET對(duì)分離電池影響的實(shí)驗(yàn)流程及表征步驟

PET 沉積過程中，F(xiàn)lexAL反應(yīng)器內(nèi)三個(gè)疊瓦電池、一個(gè)橢偏儀測(cè)量樣品以及間隔片的俯視示意圖

為觀察分離及PET效果，LSMC電池在沉積前6小時(shí)分離；TLS電池分兩組，分別在沉積前6小時(shí)和19小時(shí)分離，以研究等待時(shí)間的影響。沉積氧化鋁厚度為7 nm或14 nm，使用間隔片保證背面也沉積。沉積后進(jìn)行低于225°C的熱板退火。同時(shí)設(shè)置未沉積的對(duì)照電池。對(duì)TLS分離電池在PET后73、99、167小時(shí)重復(fù)測(cè)量以評(píng)估鈍化穩(wěn)定性。

另外，制備對(duì)稱壽命樣品（n型區(qū)熔硅，厚200 μm，涂覆7 nm氧化鋁），通過準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)（QSSPC）測(cè)量有效表面復(fù)合速度。

鈍化對(duì)載流子壽命的影響

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對(duì)稱n型區(qū)熔硅壽命樣品的少數(shù)載流子壽命τeff隨過剩載流子密度Δn變化的QSSPC測(cè)量結(jié)果

QSSPC結(jié)果顯示，退火后壽命樣品在Δn=101? cm?3處的有效壽命為432 μs，對(duì)應(yīng)有效表面復(fù)合速度Seff=22 cm/s，表明該方法能獲得良好的鈍化效果。

Suns-Voc 結(jié)果

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母片晶圓、分離后、剛沉積后以及退火后的Suns-Voc測(cè)量結(jié)果

母片平均Voc=669 mV，各步驟后Voc變化很小（±2 mV），因此重點(diǎn)分析pFF。

從母片到分離后，LSMC和TLS均導(dǎo)致pFF下降約1.2%（絕對(duì)值），源于邊緣復(fù)合。

沉積氧化鋁后，pFF開始回升。TLS電池從分離態(tài)到剛沉積態(tài)提升0.4%（絕對(duì)值）。

退火后，TLS電池再提升0.4%（絕對(duì)值），歸因于鈍化層激活。未沉積的對(duì)照電池退火后也有輕微提升（可能因自然氧化硅生長(zhǎng)）。

總體來(lái)看，TLS+PET使pFF絕對(duì)值提高0.7%，恢復(fù)了50%的分離損失；LSMC+PET僅提高0.3%，恢復(fù)約16%。表明TLS的光滑邊緣更有利于PET效果。

通過Suns-Voc測(cè)量獲得的TLS分離電池在PET處理前后的pFF值

穩(wěn)定性測(cè)試：涂覆14 nm氧化鋁的電池在167小時(shí)內(nèi)pFF幾乎不變；7 nm或無(wú)涂層的電池隨時(shí)間退化。

IV 測(cè)量結(jié)果

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基于上述結(jié)果，優(yōu)選TLS+PET制備電池進(jìn)行IV測(cè)試，并與未做PET的LSMC分離電池對(duì)比。

TLS+PET電池（正面）：效率22.1 %，Voc=669 mV，F(xiàn)F=81.4 %，jsc,des=40.5 mA/cm2，pFF=83.2 %，串聯(lián)電阻0.38 Ω·cm2（表明金屬接觸未退化）。

LSMC無(wú)PET電池（正面）：效率21.7 %，F(xiàn)F=80.9 %，pFF=82.4 %。

背面測(cè)量：TLS+PET電池背面效率14.7 %，比無(wú)PET的LSMC電池（14.4 %）高0.3 %。兩者背面串聯(lián)電阻均為0.35 Ω·cm2。

考慮背面10%額外輻照，TLS+PET電池輸出功率密度為23.5 mW/cm2，比無(wú)PET的LSMC電池高0.4 mW/cm2。

這些結(jié)果證明PET有效提升了分離電池的效率，且無(wú)需修改金屬化前工藝。

本文提出的金屬化后鈍化邊緣技術(shù)（PET）結(jié)合熱原子層沉積氧化鋁和低溫退火，能顯著降低分離邊緣復(fù)合。TLS分離提供光滑邊緣，更利于PET效果；LSMC分離邊緣粗糙，PET效果稍弱。TLS+PET使pFF提升0.7%（絕對(duì)值），恢復(fù)一半分離損失，且14 nm氧化鋁鈍化在167小時(shí)內(nèi)保持穩(wěn)定。最佳電池正面效率達(dá)22.1%，考慮背面10%輻照后輸出功率密度為23.5 mW/cm2，比未鈍化電池高0.4 mW/cm2。該技術(shù)無(wú)需改變前道工藝，便于工業(yè)集成。