中国科学院宁波材料所叶继春、曾俞衡，苏州大学杨阵海于CEJ期刊发表研究论文：

第一作者：陈佘世成

通讯作者：杨阵海*，曾俞衡*，叶继春*

单位：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，中国科学院大学，苏州大学

激光增强接触优化（LECO）技术使隧穿氧化物钝化接触（TOPCon）太阳能电池继续主导光伏市场。通过改善银电极和硼发射体之间的接触，LECO技术允许利用硼发射体的超高方阻（UHRS）来增强钝化性能，然而，由于缺乏工艺指南和接触形成机制而面临着挑战。本文阐明了Ag-Si接触改善的机制，并确定了基于UHRS器件的提效方法。传统的LECO工艺用于超高方阻TOPCon太阳能电池，与常规方阻(MRS)与高方阻（HRS）器件相比，其钝化质量更高，但接触性能较差，主要原因是界面玻璃层Ag纳米颗粒较少，Ag-Si界面电位梯度较低，硼发射极电阻较高。通过在稍高的反向电压下精确调节LECO过程，超高方阻器件具有较低的接触电阻率（小于1 mΩ⋅cm²）和26.25%的高效率。接触的改善可归因于形成了银刺状金属半导体接触，其中晶体银向非晶玻璃的扩散扩大了银/玻璃混合区的宽度，以促进载流子的运输。本工作阐明了LECO改善Ag-Si接触的潜在机制，并提出了一种简单有效的方法来提高基于超高方阻发射极的TOPCon太阳能电池的性能，为下一代TOPCon太阳能电池提供了有价值的指导。

基于此，来自中国科学院宁波材料技术与工程研究叶继春研究员、曾俞衡研究员与苏州大学杨阵海教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Mechanisms and strategies for laser-enhanced contact optimization in tunnel oxide passivating contact solar cells with ultra-high sheet resistance emitters”的研究文章。该研究文章阐明了LECO改善Ag-Si接触的潜在机制，并提出了一种简单有效的方法来提高基于超高方阻发射极的TOPCon太阳能电池的性能，为下一代TOPCon太阳能电池提供了有价值的指导。

图1. TOPCon太阳能电池器件图与低/高反向电压下的载流子输运与接触优化机制示意图

通过对比中方阻（MRS，350-375 Ω/□）、高方阻（HRS，600-625 Ω/□）和超高方阻（UHRS，885-915 Ω/□）硼发射极的性能，揭示了其在钝化特性与电学接触之间的权衡关系。电化学电容电压（ECV）测试表明，UHRS样品具有最低的活性硼掺杂浓度和最浅的结深（表面浓度接近1E10¹⁸ cm⁻³），导致其与金属电极易形成肖特基接触而非欧姆接触。钝化性能方面，UHRS展现出最优的载流子寿命（1.35 ms，Δn=10E15 cm⁻³）和光致发光（PL）强度，理论计算显示其开路电压（Voc）增益可达7.4 mV，显著高于HRS（2.6 mV）和MRS样品。然而，金属化后的电学性能呈现相反趋势：电致发光（EL）图像显示UHRS器件导致其效率最低（25.58%），而MRS器件实现了26.33%的最高效率。这一矛盾凸显了超高阻硼发射极在钝化优势与接触劣化间的核心挑战，为后续激光增强接触优化工艺的改进提供了研究切入点。

图2 (A)活性硼浓度分布图，(B)有效寿命随少数载流子密度的变化曲线（Δn）， (C) MRS、HRS和UHRS样品的PL光谱。(D) MRS、HRS和UHRS样品的空穴迁移率。(E) - (G) PL 灰度图像，(H) - (J) PL RGB图像，(K) - (M)隐含开路电压分布，(N) - (P) MRS， HRS和UHRS TOPCon太阳能电池的EL图像。

要点二：接触形成机制及其电性能

关于接触形成机制与电性能的研究中，通过对比中/高/超高方阻TOPCon太阳能电池发现，UHRS样品由于硼掺杂浓度低导致银-硅接触界面银颗粒尺寸显著缩小，且玻璃层中银纳米颗粒数量减少。导电原子力显微镜（c-AFM）测试显示UHRS样品的峰值电流（550 pA）远低于MRS（6300 pA），表明其接触电阻显著升高。开尔文探针力显微镜（KPFM）测量揭示UHRS的Ag-Si界面电势梯度仅为543 mV/μm，较MRS（691 mV/μm）降低了21%，导致载流子收集效率下降。电性能测试证实UHRS电池前/背面接触电阻（2.3 mΩ·cm² / 1.8 mΩ·cm²）均高于MRS（0.9 mΩ·cm² / 0.7 mΩ·cm²），最终转换效率（25.77%）较MRS（26.30%）降低0.53%。这种性能差异源于超高方阻结构导致的银硅合金接触点减少、界面势垒升高以及电流传输通道受限的多重限制效应。

图3 HNO₃和HF处理后(A) MRS、(B) HRS和(C) UHRS样品的俯视图SEM图像，以及(D) MRS、(E) HRS和(F) UHRS样品Ag-Si界面的相应截面SEM图像。(G) - (I)高度图像和(J) - (L)电流图像。

图4 (A) - (C) SEM横截面图像，(D) - (F)横截面电位图像，(G) - (I) KPFM对MRS、HRS和UHRS样品测量的相应表面电位。

图5 MRS、HRS和UHRS TOPCon太阳能电池PV参数分布，包括(A)正面ρc， (B)背面ρc， (C) PCE, (D) Voc, (E) Jsc, (F) FF。

要点三：LECO优化过程

在2.3节LECO工艺优化研究中，针对UHRS基TOPCon太阳能电池效率低的问题，通过调节反向电压（13 V→17 V）和激光功率（25 W→35 W）实现了性能突破。实验发现，将反向电压提升至17 V结合30 W激光功率时，接触界面形成直径约1μm的电流增强接触点（CFCs），电池正面接触电阻降至0.72 mΩ·cm²，促使效率提升至26.25%（较基准工艺提升0.48%）。但过高的35 W激光功率导致硅金字塔表面熔融形成球形缺陷，引发局部漏电风险，使填充因子（FF）下降1.5-3%。

图6 （A） –（I）使用不同LECO处理参数的反向电压和激光功率的UHRS基器件的正面SEM图像。基于UHRS的TOPCon太阳能电池在不同反向电压和激光功率下的PV参数分布，包括（J）前侧ρc、（K）后侧ρc，（L）PCE、（M）Voc、（N）Jsc和（O）FF。

要点四：基于UHRS的器件性能提升机制

关于UHRS器件性能提升机制的研究中，通过将LECO工艺的反向电压从13V提高至17V（激光功率固定25W），发现高电压诱导的焦耳热显著促进了晶体银（Ag）向非晶玻璃层的扩散。透射电镜（TEM）分析显示，反向电压提升后Ag尖刺的结晶性增强，其（111）晶面间距为0.238 nm，与Ag晶体结构一致，而低电压处理的Ag尖刺呈现非晶/晶态混合结构（电阻率升高）。这种扩散行为使Ag/玻璃混合区宽度从11.9 nm扩展至19.4 nm，减少了载流子穿过玻璃层的传输距离，同时通过多点低阻通道收集空穴。实验表明，该优化使UHRS器件的背面接触电阻降至0.72 mΩ·cm²，转换效率提升至26.25%（较基准工艺提升0.48%），接近MRS器件的26.30%。此外，Ag尖刺尖端被薄玻璃层包裹（约20 nm），避免了Ag与硅基底直接接触导致的漏电流风险，表明性能提升源于界面结构的优化而非牺牲钝化完整性。这一机制为超高阻TOPCon电池的金属化提供了新的载流子输运路径设计思路。

图7 (A)经13 V反向电压处理的MRS-TOPCon太阳能电池和(D)经13 V和(G)经17 V反向电压处理的UHRS--TOPCon太阳能电池Ag-Si界面的TEM图像。所有样品的激光功率固定为25w。插入的图是银峰的选择性电子衍射图。(B)/(E)/(H)三个相关样品对应EDS元素映射的HAADF-STEM图像。(C)/(F)/(I)三个相关样品Ag峰的HR-TEM图像以及Roi和IFFT图像的放大视图。(J)/(K)/(L)三个相关样品Ag/玻璃共混区的HR-TEM图像。(M) UHRS TOPCon太阳能电池LECO工艺示意图及器件性能增强机理。

Mechanisms and strategies for laser-enhanced contact optimization in tunnel oxide passivating contact solar cells with ultra-high sheet resistance emitters

陈佘世成，中国科学院宁波材料技术与工程研究所博士研究生，导师为叶继春研究员、曾俞衡研究员，主要研究方向为高效TOPCon太阳能电池开发。

叶继春，项目研究员，博士生导师，2001年本科毕业于中国科学技术大学, 2005年在加州大学戴维斯分校获得博士学位, 毕业后在美国硅谷Spanion（AMD spinoff）半导体芯片公司和太阳能业内闻名的初创公司从事研究工作。在半导体器件、太阳能电池、和材料等领域具有超过20年的研发积累，在工艺开发、工艺集成、和器件设计与制备表征等领域内有较为丰富的经验。2012年8月回国后组建了一个50余人的科研团队，所从事的研究内容包括新型高效晶硅太阳电池、紫外发光二极管/激光器/探测器、及相关仪器装备开发和新材料开发。在Nature Energy, Nature Communications, Joule, Advanced Materials，Energy & Environ. Sci, Nano Letters等杂志上发表260余篇论文（50篇IF>10），引用6200余次（Google），H 因子40，申请专利220余项（授权100余项），其中PCT专利5项;“高效TOPCon太阳能电池工艺及装备产业化技术开发”和“环保型低成本半导体工艺衍生表面化学镀膜技术”等多个项目实现转移转化，并和龙头企业一起开始产业化进程。其中，镀膜技术已经实现量产，且获得2019年度“国家云计算中心科技奖”-卓越奖，“中国工程建设标准化协会2019年数据中心科技成果奖”-优秀奖，“国家互联网数据中心产业技术创新联盟技术创新奖”一等奖。团队完成或承担国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院重大装备项目、以及浙江省、宁波市、企业等科研项目50余项。曾入选2015年“科学中国人”年度人物-杰出青年科学家，获得教育部自然科学奖二等奖（2019）、中科院朱李月华优秀导师（2019）等奖项。培养的博士生获得中科院百篇优秀博士论文一次。

曾俞衡，项目研究员，博士生导师，2005年浙江大学材料科学与工程学系获学士学位，2010年浙江大学硅材料国家重点实验室获博士学位，毕业后在中科院宁波材料所从事博士后研究，2015年获中科院公派留学项目资助赴澳大利亚国立大学交流访问，2019年12月晋升项目研究员。曾俞衡长期从事晶体硅材料、硅薄膜材料、硅基太阳电池等相关研究；近年来专注隧穿氧化硅钝化接触（TOPCon）技术研究，成功开发新型含氮/碳多晶硅、高质量原位等离子体氧化等新材料新技术，开发出认证效率>25%的新型高效TOPCon概念验证电池；截至2025年3月，累计在Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Small、Sol. RRL、Sol. Energy Mater. & Sol. Cells、Sol. Energy、Cell Reports Phys. Sci.等能源/光伏主流期刊上发表SCI论文140余篇，其中一作/通讯作者70余篇；申请国家专利130余项，已授权40余项；曾获2011年度浙江省科学技术奖一等奖；先后主持或参与国家自然科学面上基金、青年基金、国家重点研发计划子课题、浙江省/辽宁省/安徽省科技攻关项目子课题、中科院及宁波市国际合作项目、浙江省自然科学面上基金、宁波市科技创新项目、中国博士后基金面上资助和特别资助等30多项；曾获APVIA亚洲光伏-科技成就奖（大学研究所类）、中国发明协会发明创业奖创新奖二等奖、2021年Si-PV十佳贡献奖。曾俞衡研究员及其所在团队与业内各光伏企业建有广泛联系，参与企业技术委托开发多项，实现技术转移转化1项；与团队成员及合作公司一起开发出具有自主知识产权的量产型管式PECVD装备及其全套技术，推动管式PECVD技术发展，助力其被光伏产业广泛接受并成为TOPCon电池的主要技术路线之一；另有多项技术处于量产中试阶段。

硕士生导师、副教授/博士。2015年6月毕业于苏州大学，获硕士学位（光学工程专业）；2015年7月-2018年8月，中科院宁波材料所，担任助理研究员；2018年9月-2023年3月，宁波诺丁汉大学，获博士学位；2023年4月入职苏州大学光电科学与工程学院。主要从事光伏器件仿真和设计研究，目前以第一作者/通讯作者在Nature Energy、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials和ACS Energy Letters等高影响力杂志上发表论文40余篇，被引2100余次，申请专利十余项。参加国际会议并做邀请/口头报告十余次。获“2019 年度教育部自然科学二等奖“、”2019年度中国光学学会光学科技奖二等奖“、”宁波市优秀科技论文“和”江苏省优秀硕士毕业论文“等奖项；主持国家自然科学基金青年项目一项，参与国家重点研发计划、国家自然科学基金面上基金等项目。担任Frontiers of Photonics期刊专题客座编，是Applied Energy、J Mater. Chem. C等多个期刊审稿人。