双面TOPCon电池（DS-TOPCon）虽具有高开路电压（>728 mV），但前表面全区域多晶硅poly-Si层导致严重光寄生吸收——200nm厚度即可损失>1 mA/cm²电流。传统方案减薄poly-Si会恶化金属化接触，而选区结构（poly-Si仅存于金属栅线下）可兼顾光学与电学性能。

本文解析了一种利用纳秒紫外激光氧化技术制备TOPCon太阳能电池前表面选区poly-fingers接触的创新工艺。在优化工艺过程中，我们采用了美能3D共聚焦显微镜对表面形貌进行高精度3D成像及缺陷分析，以支持选区结构的开发。

研究方法

样品制备

背结选择性区域双面TOPCon太阳能电池示意图

对称结构：n-poly-Si/SiO₂/n-Si/SiO₂/n-poly-Si，基材为3 Ω·cm n型CZ硅片（双面绒面）。

隧道氧化层：HNO₃溶液（100°C）制备15 Å SiO₂。

多晶硅沉积：LPCVD生长200 nm n型poly-Si（588°C）。

激光图案化工艺

激光氧化掩膜与多晶硅刻蚀流程示意图

本研究提出三阶创新流程：

激光氧化：355nm纳秒激光（≥3W，400mm/s）在TOPCon表面生长1–4nm化学计量SiO₂；

选择性蚀刻：KOH溶液（9%/40°C）移除无掩膜区200nm poly-Si，形成100μm宽poly-Si-fingers；

钝化修复：PECVD沉积70nm SiNₓ，补偿激光损伤并兼容丝网印刷金属化。

结果与讨论

光学建模

全面积与选择性TOPCon的光生电流损失模拟

多晶硅厚度对电流损失的影响：

全区域TOPCon：厚度>20 nm时Jₛc损失>1 mA·cm⁻²。

选择性TOPCon（100 μm宽指状区）：200 nm厚时Jₛc损失仅0.2 mA·cm⁻²，对厚度变化不敏感（500 nm时损失0.3 mA·cm⁻²）。

激光氧化机制

(a) 不同激光功率下的O²⁻峰和(b) Si⁴⁺峰的XPS图谱

氧化层特性：XPS证实，激光功率≥3W时生成O²⁻富集（532eV）、Si⁴⁺峰偏移（103.5nm）的致密SiO₂，符合Deal-Grove热氧化模型；

KOH蚀刻前后多晶硅薄膜的方块电阻测量结果

蚀刻选择性：3W激光后，poly-Si方块电阻保持~30Ω/□，表明SiO₂掩膜抵抗90秒KOH蚀刻；低于3W则掩膜失效。

损伤修复与钝化恢复

激光共聚焦显微镜图像（俯视图与等距视图）

激光损伤：功率>3W导致金字塔织构圆化，J₀飙升≤2300 fA/cm²；

氢钝化修复：70nm PECVD SiNₓ沉积后，3W激光下的J₀降至43.2 fA/cm²（其中激光面贡献36.8 fA/cm²），选区poly-Si-fingers区复合仅1.65 fA/cm²（覆盖率4.48%）。

电池模拟（Quokka 2）

模拟的选择性前表面双面TOPCon太阳能电池的电流-电压特性曲线

模拟的太阳能电池效率随(a)多晶硅指厚度、(b)指宽度、(c)金属接触J0、(d)接触电阻率的变化

基准效率：24.84%（J₀,metal=300 fA·cm⁻²，接触电阻2 mΩ·cm²）。

关键参数敏感性分析：

多晶硅厚度（200→500 nm）：效率降低0.05%。

指状宽度（100→200 μm）：效率降低0.2%（Vₒc↓2.1 mV, Jₛc↓0.4 mA·cm⁻²。

金属接触J₀（300→50 fA·cm⁻²）：效率提升至25%。

接触电阻（每增加2 mΩ·cm²）：FF↓0.5%，效率↓0.2%。

通过Quokka2电池仿真验证产业化路径：

工艺兼容性：

全程兼容丝网印刷产线（含760℃烧结）

省去传统光刻/TMAH刻蚀5道工序，降本幅度≥18%

效率边界：

当J0,metal≤50 fA/cm²时，效率可达25.0%（初始值24.84%）

本文解析了一种利用纳秒紫外激光氧化技术制备TOPCon太阳能电池前表面选区多晶硅（poly-Si）接触的创新工艺。该工艺通过激光诱导生长SiO₂掩膜，结合KOH选择性蚀刻，实现仅保留金属栅线下方的poly-Si接触条，有效解决了传统双面TOPCon电池中前表面全区域poly-Si层的光寄生吸收问题。实验表明，该方案在保持优异钝化性能的同时，显著提升光学透过率，为25%+高效电池提供新路径。

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原文参考：Novel Process for Screen-Printed Selective Area Front Polysilicon Contacts for TOPCon Cells Using Laser Oxidation