技術前沿：“激光增強接觸優化”（LECO）和光伏銀漿開發

在與光伏類相似的光、熱、電平板轉換器件中，金屬半導體觸點通常是通過在硅片上印刷金屬漿料制成的，而形成低歐姆觸點一直是多年來研究的一個主要課題。一種用于接觸改善的過程是激光增強接觸優化(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，激光發射接觸，和激光摻雜選擇性發射體，在LECO處理中，激光用于非破壞性載波注入，而處理的驅動力是由LECO過程誘導的電流。這個過程發生在絲網印刷太陽能電池的快速燃燒過程之后。經過LECO處理后，太陽能電池的接觸電阻明顯降低。經過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，其實就是增強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光效率。

目前行業只是研究了LECO工藝對銀和硅之間在高溫（或高能態激活）下的互相滲透合金轉變、合金晶格改質以及瞬態合金與金屬還原之間的關系，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的理論指導。

激光器的發展歷程可以追溯到1917年愛因斯坦在量子理論的基礎上提出受激輻射的概念。20世紀50年代，當時科學家們開始嘗試利用激光放大器來放大微弱的光信號。接下來的幾十年中，激光技術得到了快速發展，并被應用于各種領域。1960年，第一臺激光器被發明出來，這標志著激光技術的誕生。隨著時間的推移，激光器的功率逐漸增強，應用領域也越來越廣泛，包括醫學、軍事、通訊、制造業等。1990年代以來，激光器技術進一步發展，出現了各種新型激光器，例如納秒激光器、飛秒激光器、半導體激光器等。現在，激光技術已成為現代科技和工業的重要組成部分，不斷推動著人類社會的進步。

激光器是一種光放大器，通過受激輻射產生相干光。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部分：

1. 激活介質：激活介質是激光器的核心，可以是固體、液體、氣體或半導體材料。激活介質中的原子或分子能級在受到外部能量的激發后，形成高能量狀態，這些激發態的原子或分子可在受激輻射作用下向低能量狀態躍遷，同時放出光子。

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

3. 光學諧振腔：光學諧振腔由兩個反射鏡組成，一個是全反射鏡，另一個是部分透射鏡。光學諧振腔的作用是使光在激活介質中多次往返，增強光與激活介質的相互作用，從而實現光的放大。其中的輸出耦合器位于光學諧振腔的部分透射鏡一側，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。

激光輔助燒結技術又名激光增強接觸優化（Laser-enhanced contact optimization(LECO)），2016年由Cell Engineering GmbH申請專利用于修復欠燒結的PERC電池。

激光：在工業領域具有高自動化的受激輻射放大光。
輔助：輔助的含義為該技術非生產工序的關鍵因子，加入該技術起到錦上添花的作用。燒結：

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

②微觀定義：固態中分子（或原子）間存在互相吸引，通過加熱使質點獲得足夠的能量進行遷移，使粉末體產生顆粒黏結，產生強度并導致致密化和再結晶的過程稱為燒結。

工藝方法：

對電池片照射高強度激光，同時施加10V或以上的偏轉電壓，由此產生的數安培的局部電流會顯著降低金屬與半導體之間的接觸電阻。實驗條件下每片硅片處理時間1.6秒，可以很容易地降低至1秒以下。

LECO工藝優勢

適用集成級別豐富：

1.窄化效率分布+提高產量

2.適應電池生產工藝+受益于更大的工藝窗口

3.調整電池生產工藝+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改進了現有的電池概念（Al BSF、PERC、選擇性發射極）：

允許更大的燒結溫度窗口；允許在超低摻雜發射極上實現正確接觸；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）的關鍵；允許接觸較薄的半導體層；允許使用燒穿性較小的銀漿；可實現低電阻接觸，同時不會損壞鈍化層。

激光輔助燒結三要素：激光加熱產生載流子、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合，成功將銀電極燒結過程中的鈍化層侵蝕和接觸形成這兩個關鍵步驟分開，在盡可能高地保持開路電壓的同時，降低接觸電阻。

賀利氏SOL8200系列在常規燒結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，但經由激光優化處理產生的有效導電通路，能成功增強接觸，并通過設備參數優化達到極佳效率。

從機理角度來看，賀利氏SOL8200系列的配方設計調整減少了燒穿區域，通過增強作用，打通了一些之前燒結過程中未通的電子傳輸通道，從而顯著提升了接觸效果。

LECO的實證

LECO 技術在P-PERC電池上的效果：

在P-PERC電池上，分別使用標準漿料/LECO專用漿料，細柵寬度40μm，主柵數量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，電池片轉換效率提升0.38%。

LECO 技術在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之前達到ηmax=22.3%，在LECO之后達到ηmax=22.8%。

進行LECO處理后，FF的穩定幾乎不受厚度的影響。因此，每個多晶硅厚度的最佳燒結溫度降低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算。當Tp-set = 800℃時，Voc已經開始下降，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，由于沉積時間縮短，多晶硅厚度的降低有望降低成本。

LECO的強化機理

宏觀角度研究發現：

1、是否采用LECO技術對于柵線的寬度來說影響并不大，相差范圍在1um內。

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

微觀機理研究發現：

在銀柵線與硅片接觸處制備了的高分辨率的SEM圖像顯示，接觸界面結構表現為銀金屬、含有ag析出物的玻璃層和硅片。pt保護層由FIB制備而成，保護表面不受損傷。在多個觀測截面上沒有發現接觸結構的明顯特征。

LECO處理后的接觸界面在大部分區域顯示了與初始狀態相當的接觸結構，在接觸界面有一個獨特的接觸結構修改，這是在LECO處理后唯一發現的。這一特性發生在局部和分布在接觸界面上，并經常發現在不同的LECO處理接觸位置。所有發現的形成接觸點都是在金字塔峰頂附近或頂部。

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

通過EDX光譜測量了相應的元素分布，各元素特異性EDX圖可以清晰可見地顯示Ag的分布。形成的接觸結構的組成是Si和Ag在可變部分的一部分。因此，可以驗證LECO誘導了硅和銀的相互擴散，形成了局部的亞μm尺寸的點接觸。

更直觀的觀測到LECO處理形成的點接觸，通過俯視圖成像研究了觸點的區域界面，并證明了觸點的LECO形成。在硅表面的頂部應該可以發現形成的山狀結構。經過LECO處理的太陽能電池是通過化學蝕刻來去除網格指(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，圖像中間有一個金字塔峰。可見到由銀晶和殘留的SiNx鈍化層形成的印跡與初始接觸結構相當。LECO形成的接觸像在橫截面中發現的，在金字塔表面也發現了。

生長模型主要分為三個階段，
第一步：路徑尋找。

由局部激光束形成感應載流子，結合偏置電壓，形成局部電流；局部電流的優先路徑是低電阻路徑，該路徑必須已經存在于柵線下方的發射極與Ag之間，LECO使得微觀尺度上形成了半導體金屬界面上的低阻接觸點。低電阻接觸點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，并導致高電流密度。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。

高電流密度導致發熱點，對應處發生燒結，引發銀與硅的互相擴散，同時根據對凝固接觸形狀的觀察，可以假定一個由界面接觸點產生的各向同性單元傳播。提出的生長模型可以粗略估計期望的電流密度，需要在Ag和摻雜si之間的界面形成電流觸發觸點。

第三步：冷卻過程。

當激光掃描電池片表面時，會在激光激發時間限定的時間間隔內誘導載流子的局部光激發。隨后，電流誘導熱加熱將擴展到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低，由于對周圍銀和硅材料的增強散熱，溫度將迅速下降。為了更詳細地了解材料特性和能量耗散的數量，需要時間常數。然而，材料體系的冷卻速度限制了銀硅的相互擴散。Ag-Si體系的共晶反應在848℃左右和89% Ag, Si在Ag固相中的溶解度可以忽略不計，觀察到的纖維狀Ag結構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-半導體接觸。

目前電鏡圖像結果表明，LECO都指向形成了銀硅840共熔的合金結。這和鋁漿一樣，用的是合金結思路。因為合金結形成幾乎是瞬時的，所以這也是為什么激光輔助燒結可以很短時間實現接觸的佐證。

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

LECO允許接觸低摻雜的發射器，它允許使用LECO特定漿料，并允許在PERC加工線中應用較低的燃燒溫度。加工鏈中的這些額外自由度被證明會導致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的電池的效率潛力，盡管該過程潛力巨大，但LECO過程觸發的接觸形成機制尚未被完全理解。

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部的Ag沉淀物上的薄殘留玻璃屏障。關于LECO在接觸形成中的作用，根據參考文獻，LECO激發提供了還原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等人提出了一個描述性模型（“當前發射接觸（CFC）模型”），指出通過接觸界面的高電流密度會導致高溫，這些高溫導致銀和硅之間的相互擴散。冷卻后，留下由銀和硅混合相組成的大表面的半球形觸點（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 電池基礎上技術深化的核心是鈍化，由“隧穿效應”通過隧穿氧化層實現。“隧穿效應”是指在量子尺度上，粒子直接穿過障礙物的“穿墻術”，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，又緩解了正負電荷的復合，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成鈍化接觸結構，也稱為電池背面鈍化層。高摻雜的多晶硅層與 N 型硅基體間功函數差異引起界面處能帶彎曲形成勢壘，減少電子和空穴的復合，起到良好的化學鈍化作用。

激光輔助燒結的關鍵是激發更多的自由電子以便銀離子還原，尤其是在TOPCON上。因為Perc正面本身有很多自由電子，你要精確控制不銀結晶只銀膠體存在反而是很困難的。所以這個技術在TOPCON方面的意義大于Perc。在TOPCON上由于正面本身是空穴導電，天然就保證不會形成銀結晶的。所以在增加反向電壓激發大量自由電子，在這些自由電子遇到納米膠體銀的玻璃層時，阻值很大而產生瞬時熱量高溫，大于840度。使得銀和硅形成共熔擴散。而當擴散接觸形成電阻降低，則瞬時熱量消失溫度降低，實現5%硅的銀硅合金結。這個機理幾乎完美的解決了TOPCON正面接觸，銀硅合金結接觸質量高于銀結晶。

激光輔助燒結，本質上是利用激光的高度能量集中和可控特性，將高溫燒結過程中鈍化層侵蝕和接觸形成這兩個關鍵步驟分開，從而達到對燒結過程的進一步精準調控。從原理上來看，激光形成的電流沿著低接觸電阻路徑傳輸，引發銀硅互擴散，從而降低接觸電阻；而整個燒結過程的持續時間與載流子壽命匹配，激光過后迅速停止，從而實現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的載流子復合。激光輔助燒結充分發揮了激光的能量集中和可控優勢，相比傳統燒結具備明顯優勢，目前來看在TOPCon上的提效效果顯著，是一項具備發展潛力的技術方向。

審核編輯：黃飛