TOPCon 太阳能电池中温光注入处理对钝化性能与电学特性的影响机制
中温光注入（medium-temperature light soaking）是 n-TOPCon 太阳能电池金属化后的关键后处理工艺，通过激活氢原子实现界面和体内缺陷的二次钝化。本文基于 Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2024 发表的实验研究，系统阐述光注入过程中氢的激活-迁移-钝化机制，定量分析其对 p⁺/p⁺⁺ 发射极、n⁺ 多晶硅层和金半接触区的复合电流密度 J₀、表面复合速率 Seff、接触电阻率 ρc 和光电转换效率的影响。
1 引言
n-TOPCon 太阳能电池的金属化烧结工艺不可避免地在 c-Si/SiOₓ 界面、金属-硅接触区域和掺杂层体内引入缺陷态。这些缺陷作为载流子复合中心，增加饱和暗电流密度 J₀，限制开路电压 Voc 和填充因子 FF 的提升。
中温光注入处理（medium-temperature light soaking）是在金属化烧结后，通过高强度光照（~30 Suns）联合中温加热（400 ~ 600°C），在数十秒至数分钟内实现氢原子的激活、迁移和缺陷钝化。该工艺已在 TOPCon 量产线中广泛应用，可提升电池效率 0.5% ~ 0.75%abs。
本文围绕以下五个核心问题展开：
- 光注入处理对硼扩散 p⁺/p⁺⁺ 区钝化的影响
- 光注入处理对背面 n⁺ 多晶硅层的影响
- 光注入处理对金半接触复合（J₀,metal）及接触电阻率（ρc）的影响
- 光注入处理中温度、光强、带速的优化策略
- LECO 激光工艺引入后光注入作用点的变化
2 光注入的氢钝化机理
2.1 氢的激活与价态调控
光注入处理的基本物理化学过程分为三个步骤：
步骤一：氢原子激活。中温和光照条件下，钝化膜（AlOₓ、SiNₓ:H、poly-Si）中的氢原子从 Si-H 键断裂释放。反应为：
(Si:H₂)ₙ + hν → ≡Si-H + H°（自由态氢）
其中 hν 为光子能量（30 Suns LED 光源），断裂的目标键为 Si-H 键的弯曲振动模式（FTIR 特征波数 ~640 cm⁻¹ 和 ~900 cm⁻¹）。
步骤二：氢迁移与缺陷钝化。激活的自由态氢原子沿晶界和界面扩散至复合中心位置，与硅悬挂键（Si·）结合形成稳定的 Si-H 键：Si· + H° → Si-H，从而降低界面态密度（Dit）。
步骤三：过量氢去除。处理过程中同时排出硅片中过量的氢，避免过量氢聚集形成新的氢相关复合中心。
2.2 费米能级调控
光注入产生的非平衡载流子（电子-空穴对）改变硅体内的准费米能级位置，进而影响氢原子的电荷态（H⁺、H°、H⁻）。不同电荷态的氢在晶格中的扩散系数和与缺陷的结合能力不同。通过温度和光强的组合调节费米能级，可控制氢的总量和有效价态分布，实现选择性钝化。
2.3 与传统电注入的对比
| 方式 | 注入载体 | 典型参数 | 效率提升 | 特点 |
|---|---|---|---|---|
| 电注入 | 外部电流 | 6 A、220°C、50 min | 0.126%abs | 依赖于隧穿氧化层致密性 |
| 光注入 | 光子（30 Suns） | 400 ~ 600°C、0.5 ~ 2 min | 0.75%abs | 不受隧穿氧化层制备方式限制 |
光注入相较于电注入不依赖隧穿氧化层的致密性，适用范围更广，且处理时间短（分钟级 vs 小时级）。
3 实验方法
3.1 样品设计
六组样品覆盖不同掺杂类型和结构的钝化/金半接触评估：
| 编号 | 结构 | 目的 |
|---|---|---|
| a | 双面制绒 + 双面硼扩 + 双面 AlOₓ/SiNₓ（对称） | p⁺ 钝化评估 |
| b | 双面抛光 + 双面 POLO + 双面 SiNₓ（对称） | n⁺ poly-Si 钝化评估 |
| c | a 基础上单面金属化 | p⁺ 金半接触评估 |
| d | b 基础上单面金属化 | n⁺ 金半接触评估 |
| e | n-TOPCon SE 标准结构 | 完整器件评估 |
| f | e 的金属化前 iVoc 结构 | 钝化基准 |
3.2 制备流程
- 基底：182 mm × 182 mm n 型 c-Si，0.5 ~ 2 Ω·cm，150 ± 10 μm
- 制绒：KOH 碱制绒
- 选择性发射极：BCl₃ 管式扩散 + 激光掺杂（B-SE）
- 钝化层：正面 ALD-AlOₓ（3 nm）/ PECVD-SiNₓ（80 nm）；背面 LPCVD-SiOₓ（1.2 ~ 1.8 nm）/ a-Si（120 ± 20 nm）→ 900°C 退火 45 min（POCl₃ 氛围）→ SiNₓ（80 nm）
- 金属化：16BB 图形丝网印刷 Ag/Al 浆料，峰值烧结温度 750 ± 15°C
- 光注入：30-Sun LED 光源，400 ~ 600°C，0.5 ~ 2 min
3.3 表征手段
| 表征项 | 设备 |
|---|---|
| I-V 参数 | Wavelab IV |
| iVoc / J₀ | Sinton WCT-120（QSSPC） |
| J₀,metal | PL 系统（VS-6841A-210） |
| 接触电阻率 ρc | TLM（GP-4 TEST） |
| Si-H 键状态 | FTIR |
| 界面形貌 | STEM（FEI Talos F200X） |
| 光学反射率 | PVE300-IVT |
4 结果与讨论
4.1 对 p⁺/p⁺⁺ 发射极的影响
| 参数 | 烧结前 | 烧结后 | 光注入后 |
|---|---|---|---|
| p⁺ J₀ | — | 轻微变化 | 基本恢复 |
| p⁺⁺ Seff | — | — | 8.67 cm/s（极低） |
| p⁺⁺ iVoc | — | — | +4 mV |
| p⁺⁺ PL 强度 | — | — | +28% |
光注入处理对重掺杂 p⁺⁺ 区域的改善效果显著优于轻掺杂 p⁺ 区域。p⁺⁺ 层经处理后 PL 强度增加 28%，表明非辐射复合中心密度大幅降低。p⁺ 层的 J₀ 变化相对有限，说明氢对高掺杂浓度区域的悬挂键钝化效率更高——这与高硼浓度区域形成更多的 B-O 复合体缺陷有关，这些缺陷恰好是氢钝化的优先目标。
4.2 对 n⁺ 多晶硅层的影响
| 参数 | 光注入后变化 |
|---|---|
| J₀ | 仅降低 0.1 fA/cm² |
| Seff | 从 0.24 cm/s 略有下降 |
| iVoc | +1 mV |
| PL 强度 | +3.8% |
n⁺ 多晶硅层的钝化质量在烧结后已处于较高水平，光注入带来的额外改善幅度有限。iVoc 增加 1 mV 表明界面态密度有轻微下降。磷掺杂多晶硅中的氢扩散率较低，可能是改善幅度不及 p⁺⁺ 层的原因。
4.3 对金半接触复合的影响
| 区域 | 烧结后 J₀,metal | 光注入后 | 降幅 |
|---|---|---|---|
| p⁺⁺ 金属接触 | 573 fA/cm² | 261 fA/cm² | −54% |
| n⁺-poly-Si 金属接触 | 102 fA/cm² | 62.5 fA/cm² | −39% |
这是光注入处理最显著的效应——p⁺⁺ 金属接触区的 J₀,metal 从 573 fA/cm² 锐减至 261 fA/cm²。机制为自由态氢原子捕获金属-硅界面的可动金属原子（如丝网印刷过程中扩散的 Ag）和硼原子，减少金属诱导的深能级复合中心。
4.4 对接触电阻率 ρc 的影响
p⁺⁺ 层接触电阻率从 1.6 mΩ·cm² 降至 0.68 mΩ·cm²（−57%）。驱动机制为：
- 金属-硅界面化学重构：光注入处理促进 Ag 与 Si 的界面反应，减少界面氧化物残留
- 掺杂激活增强：处理温度提供的热能和光生载流子促进掺杂剂进一步电学激活
- ρc 降低直接改善 FF，减少串联电阻损耗
4.5 Suns-Voc 分析
光注入处理后：
- Voc 提升：归因于 J₀₁（n = 1 的体/表面 Shockley-Read-Hall 复合）和 J₀₂（n = 2 的耗尽区复合）的降低
- pFF 增加：表明电池整体钝化质量改善
- 效率提升：约 +0.75%abs
4.6 QE 及光学损失分析
| 损失通道 | 处理前（mA/cm²） | 处理后（mA/cm²） | 改善 |
|---|---|---|---|
| 蓝光损失 | 0.45 | 0.38 | −16% |
| 基底收集损失 | 0.20 | 0.13 | −35% |
| 有效扩散长度 | 基准 | 1.5 倍 | +50% |
蓝光损失的降低归因于 p⁺⁺ 层表面钝化的改善——蓝光在近表面被吸收，表面复合速率的降低直接提升该波段的收集效率。基底收集损失的降低表明光注入处理减少了硅体缺陷。有效扩散长度增加至 1.5 倍说明体少子寿命显著改善。
4.7 FTIR 分析：Si-H 键演化
FTIR（傅里叶变换红外光谱）分析揭示光注入处理前后 Si-H 键状态的定量变化：
- (Si:H₂)ₙ 弯曲模式（~640 cm⁻¹）吸收强度下降：表明多氢团簇断裂
- ≡Si-H 伸缩模式吸收强度上升：表明断裂的多氢团转化为稳定的单氢-硅键
- ≡Si-H / (Si:H₂)ₙ 比例增加：氢从聚集态转变为分散态，钝化效率更高
过量(Si:H₂)ₙ 团簇是潜在的新型复合中心来源——多个氢原子在同一位置聚集会导致晶格局部应变。光注入通过断裂多氢键、释放过量氢，实现氢的重新均匀分布。
5 工艺优化方向
5.1 温度参数
- 400 ~ 600°C 为有效温度窗口
- 温度过低（< 350°C）：Si-H 键断裂率不足，氢激活不充分
- 温度过高（> 650°C）：氢大量溢出钝化膜，导致氢缺乏
- 二次升降温工艺可避免单次长时间高温导致的氢过度溢出
5.2 光强选择
- 光强 2 ~ 30 Suns：专利和产业数据表明 10 ~ 30 Suns 范围内光强效率差别不大
- 光照时间 100 ~ 300 s（批量处理）或 30 ~ 120 s（LED 快速处理）
- 高光强加速氢激活，但光致热效应需与温控系统协同
5.3 LECO 激光的影响
产线引入 LECO（激光增强接触优化）后，激光局部加热在金属-硅界面形成约 800 ~ 900°C 的微区高温，其效应与光注入存在以下交互：
- LECO 在金属栅线下产生额外氢释放和局部退火
- 光注入处理点从"粗调"转为"精细调节"——LECO 承担金半接触优化，光注入主要负责非金属化区域的表面钝化
- 处理参数（温度、时间）可能需要相应调整
6 结论
中温光注入处理通过激活钝化膜中的氢原子、促进其向缺陷位点的迁移、并去除过量氢的三阶段机制，实现 n-TOPCon 太阳能电池钝化性能的提升。该工艺对重掺杂 p⁺⁺ 区域和金半接触区的改善最为显著：p⁺⁺ J₀,metal 降低 54%，接触电阻率 ρc 降低 57%，电池效率提升约 0.75%abs。机理核心在于光注入能量选择性断裂(Si:H₂)ₙ 多氢团簇，使氢从聚集态转化为分散态均匀钝化缺陷。FTIR 分析中 ≡Si-H/(Si:H₂)ₙ 比例的升高直接验证了这一机制。
数据来源：Influence of the medium-temperature light soaking process on the passivation and electronic performance of the n-TOPCon solar cells, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2024, doi:10.1016/j.solmat.2024.112959