TOPCon叠瓦太阳能电池：激光无损切割（TLS）与钝化边缘技术（PET）研究

01、前言

在光伏行业中整片电池切割成小片电池使用已是非常普遍的应用方式[1-2]，切片电池电流小、组件电压高。除了将一个电池切割成两个或三个子电池外，还可以切割成更多子电池的应用方式，即叠瓦电池[3-4]。各种技术路线的电池可以被用作叠瓦研究，比如PERC[4-8]、SHJ[9-13]和TOPCon电池[13]。与PERC电池相比，SHJ和TOPCon通过接触钝化提高了电压和效率[14]。非晶硅基SHJ电池工艺温度不能超过200℃[15-16]，而TOPCon电池与PERC电池类似，可以进行高温处理工艺，高温处理工艺能够与现有量产线相兼容，具有很好的研究和应用价值。

太阳能电池表面复合减少了表面激发载流子数量(导致功率损失)，但在电池新的切割面，即未钝化的表面，切片电池边缘表面的载流子复合更加明显。随着小尺寸电池周长面积比变大，边缘复合变得越来越严重[17-18]。对高效电池来说边缘复合对效率的影响更加显著。尽管边缘复合也会影响半片电池或三切电池，但是对叠瓦电池的影响更大。因此，对于生产高效叠瓦电池/组件，减少边缘复合是最大的挑战:

1)电池切割应采用无损切割技术，传统的激光烧蚀和机械掰片(LSMC)工艺，使用高能量密度的激光先在电池表面进行连续扫描(即激光烧蚀)，使硅片受热蒸发产生一条小槽，然后施加一定的压力，电池就会沿小槽处裂开。与LSMC相比，激光无损切割(TLS)[19]只需要一个非常短波长的激光来生成起始裂纹，利用连续激光照射电池表面产生不均匀的温度场，不均匀温度场会产生温度梯度，温度梯度诱发产生热应力，产生的热应力不均匀分布促使裂纹扩展，当热应力达到硅电池的断裂强度时，就会使电池发生断裂，从而实现电池可控裂纹轨迹的切割。这种切割工艺具有非常光滑的边缘表面，多种出版物已经发表了TLS切割工艺在PERC[7,20-22]或SHJ[10,21,23]电池上的应用，尽管TLS工艺也可以应用于TOPCon电池，但是还没有这方面的相关报道。

2)新边缘表面载流子复合最小化，可以通过边缘钝化来实现[17,24,25]。边缘钝化技术成功验证之后[18]，Fraunhofer ISE于2018年提交了专利申请。2019年，Fraunhofer ISE推出了钝化边缘技术(PET)，并在PERC叠瓦电池上得到了验证[7,26]。PET工艺由电池侧切面边缘沉积Al2O3钝化层和高温退火工艺组成，例如，氧化铝(Al2O3)钝化层具有优异的钝化质量和效果[27]，通过高温处理(也称为退火)进行激活，这两种工艺温度都可以小于250℃，因此，PET工艺对SHJ和TOPCon电池非常有吸引力。对于SHJ异质结电池，PET工艺已通过半片电池进行了验证[23]，并且PET工艺方法已于2020年被INES[10]采纳并在SHJ叠瓦电池上进行了验证[10-12,28]。

据作者所知，到目前为止在已发表的作品中，PET工艺尚未被应用于TOPCon叠瓦电池。因此，本文证明TLS和PET工艺共同应用于TOPCon电池实现了提效的可行性。

02、实验

本文研究的目标就是开发制备高质量TOPCon叠瓦电池切割与边缘钝化的新工艺， TLS与LSMC相对比，根据TOPCon电池结构对TLS工艺进行优化。TLS使用3D-Micromac生产的“microDICE”设备[29]优化TOPCon电池切割工艺，最后使用LSMC和TLS切割的样品来验证优化的PET工艺。

█ TOPCon太阳能电池

实验采用工业生产的TOPCon电池，如图1所示。电池正面硼发射极，6主栅双面印刷。电池长158.75mm(正方形，对角线223mm)，叠瓦电池宽度26.46mm，正面和背面主栅宽度分别为0.5mm和1mm。

图1 TOPCon电池照片(左)正面和(右)背面。叠瓦电池用六个字母a到f进行标记，每个叠瓦电池1根主栅。切片后每个叠瓦电池宽26.46 mm*158.75 mm

█ 实验计划

实验计划如图2所示，包含三个子实验，分别表示为实验A到实验C：

实验A目标优化TLS无损切割工艺，将TOPCon整片电池切割成叠瓦电池。

实验B目标优化热原子层沉积(ALD) Al2O3钝化层边缘钝化工艺。

实验C在实验A和B中比较LSMC和TLS切割技术。

实验中，所有的TOPCon电池同一批次同一效率，使用GridTouch接触的自动测试仪进行样品单面I-V测试[30]，每侧(正面和背面)有三十根探针，垂直于主栅，平行于栅线，电池也测试SunsVoc。

图2 A、B、C三组实验流程，TOPCon电池切割与边缘钝化

所有叠瓦电池与TOPCon整片电池测试使用相同的自动测试仪，根据双面电池IEC TS60904-1-2:2019-01标准，叠瓦电池IV测试只测试单面，不测背面。与TOPCon整片电池GridTouch接触方式不同，叠瓦电池测试通过正面背面主栅接触点进行测试。

2.2.1实验A：TLS切割工艺优化

TLS切割工艺优化采用Fraunhofer ISE内部制造的TOPCon电池，根据以往的经验，使用TOPCon电池优化TLS切割工艺是一个很好的方法。优化实验分三个步骤:

(A-I) 优化切割工艺，尽量减少/防止分界线附近的表面损伤。在没有切割的情况下(即样品未被切割)，在电池正面(发射极侧)或背面(无发射极侧)采用不同的激光切割工艺。通过光致发光(PL)图像对切割工艺进行评估，Baliozian等人报道：切割后电池PL强度下降表明切割对电池表面钝化质量有不利影响[21]。

(A-II) 确保(A-I)步骤的优化切割工艺，无损切割TOPCon太阳能电池。

(A-III) 通过(A-I)和(A-II)的TLS优化工艺，对从正面或背面切割的叠瓦电池进行I-V测试。

2.2.2实验B：优化ALD沉积Al2O3钝化层

为了优化叠瓦电池上热ALD沉积Al2O3钝化层工艺，使用2.2.1节优化的TLS工艺进行正面切割。使用牛津仪器的“FlexAl”设备进行ALD工艺，使用三甲基铝和水蒸气作为前驱体，工艺腔1炉最多处理48个叠瓦电池，样品堆叠成四堆，每堆12个样品。每堆样品都盖一个挡片和一块1mm厚的玻璃，用玻璃压紧电池，使电池紧贴在一起。

研究了四种不同的ALD工艺：两种Al2O3钝化层厚度分别为约8nm(74个循环)和约14nm(130个循环)，两种不同的沉积温度T1

2.2.3实验C：切割工艺对比

C1和C2两组，使用两种不同的LSMC切割工艺进行背面切割，将每个TOPCon电池切成六片叠瓦电池。I-V测试之前，C1组样品仅使用激光烧蚀不掰开，I-V测试时C1组TOPCon样品仍是一个整体，但背面有五个连续的激光烧蚀痕。使用2.2.1节优化的TLS切割工艺将C3组样品从正面切割成6个叠瓦电池。

样品切割后对叠瓦电池进行I-V和SunsVoc测试，TOPCon整片电池已测试过SunsVoc。为了使TOPCon整片电池与叠瓦电池SunsVoc结果一一对应，每片叠瓦电池SunsVoc测量与整片电池测量时所在测试台的位置相同，使用相同的触点测试叠瓦电池[7]。

根据2.2.2节测试结果，使用最有应用前景的PET钝化工艺对TOPCon叠瓦电池侧切面边缘进行边缘钝化。

03、结果与讨论

█ 实验A：TLS切割工艺优化

使用TLS工艺对TOPCon电池正面或背面无损切割，而不使用激光烧蚀。在电池仍是整片时，将切割所造成的表面钝化损伤降低到最小程度。

使用两种不同功率的激光切割样品，切割前后的PL图像如图3所示。切割前PL图像显示叠瓦电池a和b之间有一个明亮的区域，正面没有主栅。使用高功率激光切割后，a和b之间的区域不是发亮而是发暗，激光切割使的被切割区域的表面钝化质量下降。低功率激光切割前后样品的PL图像相同，PL强度没有降低，因此，表面钝化质量不受低功率激光切割的影响。

图3 不同功率激光切割电池前后的PL图像

研究发现，从电池正面切割比从背面切割更坚硬。TLS工艺优化后激光将样品从正面和背面(未给出)切割叠瓦电池，I-V测试表明，叠瓦电池从正面切割与从背面切割的电性能相同。

综上所述，使用优化的TLS工艺将TOPCon电池切割成叠瓦电池，切割面附近电池的表面钝化质量不变。换句话说，TLS切割后的功率损失是新边缘的边缘复合造成的，而不是TLS切割造成的影响。

█ 实验B：优化ALD沉积Al2O3钝化层

实验TOPCon电池平均转化效率η平均值=(21.84±0.05)%。TOPCon电池与叠瓦电池I-V数据分别如图4A、4B所示，按ALD沉积的Al2O3钝化层厚度进行分组。

采用TLS工艺把TOPCon电池切割成叠瓦电池，开路电压Voc损失了ΔVoc=4mV，pFF损失了ΔpFF=1.2%abs(五组平均值)。如图4B所示，前四组样品ALD沉积Al2O3钝化层后性能明显改善(蓝色与橙色)：ΔVoc=+2mV，ΔpFF=+1.1%abs。与TLS切割后测量的数据(绿色与橙色)相比，之后的退火工艺进一步改善了四组中三组样品(“T1, 8”样品组除外)的电性能，ΔVoc=+3mV和ΔpFF=+1.3%abs。ALD工艺钝化的“T2, 8”样品组退火后平均增益最大(Δη=+0.5%abs，ΔVoc=+3mV，ΔpFF=+1.5%abs)，因此，在实验C中“T2, 8”样品组被选择作为边缘钝化性能对比。因为电池串联电阻RS恒定(未标出)，叠瓦电池栅线接触几乎不受ALD沉积Al2O3钝化层和退火工艺热处理的影响。

图4 实验B中TOPCon电池I-V测试数据(A)整片电池和(B)叠瓦电池，前四组样品根据沉积温度和Al2O3钝化层厚度进行编号。例如，“T1, 8”样品组，钝化层沉积温度T1，Al2O3钝化层厚度8nm，图中数字表示每组的样品数。

与同一整片电池相比，不同工艺处理后η=22.0%的高效TOPCon叠瓦电池(退火后)性能参数变化详见表1。C位置的叠瓦电池采用“T2, 8”样品组ALD沉积Al2O3钝化层工艺，该叠瓦电池有两个新鲜的切割边缘表面。

注:整片电池效率η=21.9%，叠瓦电池退火后效率η=22.0%。

电池切割成叠瓦电池并经PET边缘钝化处理后，叠瓦电池的pFF比原电池高。对这种结果的可能解释是，除了对切割边缘的表面钝化效果外，PET工艺改善了叠瓦电池的表面钝化。如图4B所示，第五组是“退火”组，只经过退火工艺(没有沉积Al2O3钝化层)，退火工艺使电池性能有了显著的改善，Δη=+0.2%abs，ΔVOC=+1mV，ΔpFF=+0.4%abs。除了切割边缘表面自然生长的二氧化硅，在平板电炉退火过程中，二氧化硅还可能进一步生长，增强了边缘钝化效果。另一方面，Al2O3钝化层中氢含量高，氢在硅表面的钝化中起着重要的作用[31]。假设叠瓦电池pFF值比原整片电池略高，因为PET工艺同时改善了整片电池的表面钝化效果[32]。也需要进一步的工作来验证这一假设(例如，ALD沉积Al2O3钝化层后或退火后进行整片电池I-V测试)。

然而，ALD沉积Al2O3钝化层和退火工艺对叠瓦电池性能有正向的效率提升效果，这使得PET工艺对高效TOPCon叠瓦电池的边缘钝化具有很好的应用前景。

通过对四组叠瓦电池SunsVoc测试来验证PET钝化质量与时间稳定性之间的关系，如图5所示。SunsVoc测量期间叠瓦电池避光保存，四组样品多次测量Voc的平均值变化量小于1mV，因此，样品性能比较稳定。随着时间的变化，pFF略有下降趋势。“T1, 8”样品组放置11个月后pFF平均下降了0.3%abs，放置相同的时间后，实验C“T2, 8”样品组pFF平均下降值小于0.1%abs。“T1, 14”和“T2, 14”样品组，pFF平均值分别下降了0.1%abs和0.2%abs。因此，ALD沉积Al2O3钝化层工艺不仅对叠瓦电池自身性能有影响，还对其长期稳定性有一定的影响。“T2, 8”样品组PET处理后具有长期稳定性。

图5 PET处理后TOPCon叠瓦电池SunsVoc随时间的变化关系，实验B中4组各6个样品(每个电池测试两次)。图中数据是PET处理后实验组与对比组平均值的绝对偏移量。

█ 实验C：切割工艺对比

图6实验C中TOPCon电池的I-V测试数据(A)整片电池和(B)叠瓦电池，表示为与各自参照组平均值的绝对偏移量。对于C1组整片电池，电池测试前先进行了激光烧蚀。使用数字标记Cx (x ={1,2,3})组的叠瓦电池和新边缘数量(1或2)。

如前一节所述，TOPCon整片电池和叠瓦电池的I-V数据如图6A、B所示，C1和C2组叠瓦电池采用两种不同的LSMC工艺背切，C3组叠瓦电池采用已优化的TLS工艺正切，C3组TOPCon整片电池η均值=(22.0±0.05)%。C1组电池测试前先进行了激光烧蚀，I-V数据已包括烧蚀损失。此外，使用不同切割工艺(详见图2)切割的叠瓦电池所测试数据，根据新边缘的数量进行分组：位于整片电池位置a与f位置的“外侧”叠瓦电池(详见图1)具有一条新切割边，而位于位置b至e的“内侧”叠瓦电池具有两条新切割边。如前一节所述，沉积Al2O3钝化层和退火工艺的高温对叠瓦电池金属接触几乎没有影响，因为样品的串联电阻Rs都相当稳定(图中未给出)。

TOPCon电池切割成叠瓦电池，与具有两条新切割边的“内侧”样品(CX, 2)相比，只有一条新切割边的“外侧”样品(CX, 1)的效率损失更低。C1~C3三组切片后，“内侧”样品性能下降的最大平均值分别Δη=-0.2%abs，ΔVoc=-2 mV，ΔpFF=-0.9%abs。

LSMC切片后C1组和C2组样品效率相当，而采用TLS切割的C3组样品效率优于前两组，TLS切割的叠瓦电池性能更好，相对于采用LSMC切割的样品效率平均提升Δη=+0.15%abs(一条新边)和Δη=+0.2%abs(两条新边)。样品新切割边缘表面的显微图像可以解释TLS切割工艺的优势，如图7所示，TLS切割的C3组样品横截面非常光滑，而LSMC切割的C2组样品横截面非常粗糙，粗糙的烧蚀距离大约是电池厚度的一半。另一方面，LSMC切割的C1组样品的烧蚀距离仅为电池厚度的三分之一左右。

图7 三种激光切割样品边缘表面显微图，C1、C2组背切。

PET钝化处理后，每组样品的性能都有所提升如图6所示，表2总结了经PET钝化处理前后样品的平均增益比较。可以看出，PET钝化处理后，两条新边缘的样品比只有一条新边缘样品的性能增益高，这是PET钝化效果的显著证明。LSMC切割的C1组样品，PET钝化处理后增益最高(Δη=+0.5%abs，“C1，2”)，其次是C3组，TLS切割的样品(Δη=+0.4%abs，“C3, 2”)。而且对于LSMC切割的C2组样品，尽管部分切割边缘非常粗糙，经PET钝化后性能有了明显的改善。因此，PET钝化处理对切片电池效率的提升并不取决于采用哪一种切割方式，因为PET钝化处理对所有切割方式都有明显的效率提高效果。

表2 钝化边缘技术(PET)前后TOPCon叠瓦电池的绝对平均增益对比。

值得注意的是，样品经切割和PET钝化处理后内外侧样品各项参数的差异减小了，内外侧样品的I-V数据差异如图6B所示。结果表明，样品切割面边缘表面越光滑，PET工艺钝化后内外侧样品间的差异就越小：对于TLS切割的C3组样品(最光滑的边缘表面)，内外侧样品的I-V数据差异最小，而对于LSMC切割的C2组样品(最粗糙的边缘表面)，内外侧样品的I-V数据差异最大。

C3组样品，经TLS切割和PET钝化工艺相结合处理后获得了最高效的TOPCon叠瓦电池，TLS切割和PET钝化处理可以使TOPCon叠瓦电池的效率提升0.2%。外侧和内侧的叠瓦电池样品η最高值分别为21.92%和21.88%。这两个样品都来自于同一个整片电池，初始η测试值为22.08%。

04、结论

本文证实了TOPCon叠瓦电池的生产具有较低的切割损失，采用传统的LSMC背切或TLS正切，将TOPCon太阳能电池切割成了26.46mm*158.75mm的叠瓦电池，与LSMC切割方式相比，优化的TLS切割后叠瓦电池效率提高了0.2%。结果表明，TLS切割后电池切割线附近的表面钝化质量没有下降，因此，TLS切割后新增的表面复合仅作用于新切割的边缘表面。

同样，首次证明了PET钝化工艺可以与TOPCon电池工艺完美兼容，本文中，最有效的PET钝化工艺包括：采用ALD工艺在低于200℃温度下沉积8nm氧化铝(Al2O3)钝化层，然后250℃温度下采用平板电炉退火，11个月后电池性能稳定性测量表明，PET钝化质量和效果非常稳定。根据叠瓦电池在整片电池内的位置不同，PET钝化处理对样品的效率提升效果不同。对于“外侧”样品，即位于整片电池最左边或最右边的样品，切割后只有一个新的边缘表面，PET提效为0.3%abs，与采用LSMC或TLS切割方式无关。对于“内侧”样品，LSMC和TLS切割后，有两个新的边缘表面，PET钝化后增益更高，提效大于0.4%abs，PET钝化对切片电池效率的提升不受切割方式的影响。

TLS与PET钝化工艺相结合，获得了最高的TOPCon叠瓦电池效率，具有两个新钝化边缘的内侧样品最高效率为22.0%。与LSMC切割后PET钝化处理的样品相比，TLS切割的样品比LSMC切割的样品效率高0.2%。

研究还表明，TLS切割和PET钝化后内外侧电池的效率非常接近，该结果对后续的组件封装具有很好的参考价值。叠瓦组件的生产不必按其在整片电池中的位置进行排布，可以降低组件生产成本并提高收益。