晶体硅太阳能电池占据全球约97%的市场份额，降低银消耗成为满足未来生产和成本目标的关键，铜因成本低、储量丰富且电阻率与银相似，成为银的理想替代品，但存在易氧化、向硅扩散及降低少子寿命等问题。本文研究通过优化铜浆料的特性，可以减少铜金属化电池的退化，提高电池的可靠性。

研究方法

选择性发射极PERC电池的示意图

电池制备：在M6尺寸（166 mm×166 mm）的单晶p型硅片上制备了选择性发射极PERC电池。正面栅线使用铜浆料丝网印刷，背面为铝（Al）接触，局部接触开口。

金属化过程：金属化分为两步进行。首先，在硅片背面印刷铝，干燥后在约751°C下烧结，然后进行正面栅线印刷和在约630°C下烧结。同时，使用相同的硅片和751°C的共烧结温度制备了正面银印刷的参考电池。

铜指条的横截面扫描电子显微镜图像

铜浆料特性：铜浆料的优化烧结峰值温度为约630°C，电阻率约为2-3×10^-5 Ω·cm。通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）分析了铜指条的横截面，发现铜指条宽度约为100μm，高度为28.7μm，纵横比为0.27。

不同版本铜浆的 EDS 分析

初始版本铜浆：初始版本铜浆在铜与硅之间存在厚氧化物层。该厚氧化物层增加了电池的串联电阻，阻碍了载流子的传输，不利于电池性能提升，导致电池的光电转换效率降低。

新版本铜浆：新版本铜浆的氧化物层更薄。这一结构变化促进了载流子传输，使电池内部的电流传导更为顺畅。同时，氧化物层仍有足够厚度充当阻挡层，防止铜向硅扩散，保证了电池在经过 1500 小时湿热测试后，依然能可靠运行，维持较好的性能。

 电性能分析

不同峰值烧结温度下一组100个PERC电池的IV参数分布

100个电池被分为三组，每组对应一个不同的峰值烧结温度：590°C、610°C和630°C。

Voc：随着烧结温度的升高，Voc有轻微的增加趋势。这表明较高的烧结温度可能有助于提高电池的开路电压。

Jsc：Jsc在不同烧结温度下变化不大，这表明烧结温度对短路电流密度的影响较小。

FF：FF在630°C烧结温度下最高，这表明优化的烧结温度可以显著提高电池的填充因子，从而提高整体效率。

不同烧结温度下的效率：

590°C：效率较低，具体数值未给出，但可以推断低于19.25%。

610°C：效率有所提高，但仍然低于630°C烧结温度下的效率。

630°C：效率最高，达到了19.25%。

铜金属化M6尺寸电池的串联电阻分布图

串联电阻（Rs）：通过颜色编码显示了电池不同区域的串联电阻值。颜色越深表示串联电阻越高，颜色越浅表示串联电阻越低。串联电阻是电池性能的一个重要参数，它影响电池的填充因子（FF）和整体效率。较高的串联电阻会导致电池的电压降增加，从而降低电池的输出功率。

颜色编码：快速识别电池中串联电阻较高的区域。这些区域可能是由于铜指条的不均匀性、氧化层的不均匀性或其他制造缺陷导致的。

可靠性测试

加速测试（85°C/85% 湿度湿热环境）前后的 PL 图像

PL图像：PL图像通过颜色编码显示了电池的发光强度，颜色越亮表示电池的性能越好，颜色越暗表示电池的性能越差。

在85°C和85%湿度的条件下进行了1500小时的湿热测试。每500小时观察一次PL图像：

初始状态：在湿热测试前，PL图像显示电池整体发光较亮，表明初始性能良好。

性能退化：随着测试时间的增加，PL图像显示电池的发光强度逐渐减弱，特别是在裂缝区域。这表明电池在湿热条件下出现了性能退化，尤其是在连接区域。

改进效果：在改进铜浆料特性后，PL图像显示电池的性能退化显著减少。这表明优化的铜浆料在提高电池的可靠性方面起到了重要作用。

湿热测试后通过DLIT观察到的图像

电池在85°C和85%湿度的条件下进行了500小时的湿热测试，然后在反向偏置（-3V, 0.3A）下进行了DLIT测试：

DLIT图像：明亮的斑点表示旁路二极管的位置，这些旁路二极管是电池中的缺陷区域，会导致电流绕过正常路径，从而降低电池的性能。

性能退化：DLIT图像显示，经过500小时湿热测试后，电池中出现了明显的旁路二极管。这表明电池在湿热条件下出现了性能退化，特别是在铜/硅界面区域。 

SEM和EDS对超声波焊接后的铜接触进行分析

横截面SEM图像：可以观察到铜接触与焊料的结合情况，以及焊料在铜接触上的分布。

EDS分析：EDS分析结果提供了焊接区域的化学组成信息，可以观察到铜（Cu）、锡（Sn）和铟（In）等元素的分布。均匀的元素分布表明焊接过程中元素混合良好，没有明显的扩散不均或元素分离现象。

通过实验发现优化的铜浆料在630°C的烧结温度下能够实现19.25%的电池效率，且在85°C和85%湿度的条件下，经过1500小时的湿热测试后，电池仍能保持良好的性能。这些结果表明，铜浆料在降低光伏生产成本方面具有巨大潜力，同时能够满足高性能和高可靠性的要求。

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原文出处：Exploring the performance and reliability of screen-printable fire through copper paste on PERC solar cells