晶體硅太陽能電池占據(jù)全球約97%的市場份額，降低銀消耗成為滿足未來生產(chǎn)和成本目標(biāo)的關(guān)鍵，銅因成本低、儲(chǔ)量豐富且電阻率與銀相似，成為銀的理想替代品，但存在易氧化、向硅擴(kuò)散及降低少子壽命等問題。本文研究通過優(yōu)化銅漿料的特性，可以減少銅金屬化電池的退化，提高電池的可靠性。研究方法

選擇性發(fā)射極PERC電池的示意圖

電池制備：在M6尺寸（166 mm×166 mm）的單晶p型硅片上制備了選擇性發(fā)射極PERC電池。正面柵線使用銅漿料絲網(wǎng)印刷，背面為鋁（Al）接觸，局部接觸開口。

金屬化過程：金屬化分為兩步進(jìn)行。首先，在硅片背面印刷鋁，干燥后在約751°C下燒結(jié)，然后進(jìn)行正面柵線印刷和在約630°C下燒結(jié)。同時(shí)，使用相同的硅片和751°C的共燒結(jié)溫度制備了正面銀印刷的參考電池。

銅指條的橫截面掃描電子顯微鏡圖像

銅漿料特性：銅漿料的優(yōu)化燒結(jié)峰值溫度為約630°C，電阻率約為2-3×10^-5 Ω·cm。通過掃描電子顯微鏡（SEM）和能量色散X射線光譜（EDS）分析了銅指條的橫截面，發(fā)現(xiàn)銅指條寬度約為100μm，高度為28.7μm，縱橫比為0.27。

不同版本銅漿的 EDS 分析

初始版本銅漿：初始版本銅漿在銅與硅之間存在厚氧化物層。該厚氧化物層增加了電池的串聯(lián)電阻，阻礙了載流子的傳輸，不利于電池性能提升，導(dǎo)致電池的光電轉(zhuǎn)換效率降低。

新版本銅漿：新版本銅漿的氧化物層更薄。這一結(jié)構(gòu)變化促進(jìn)了載流子傳輸，使電池內(nèi)部的電流傳導(dǎo)更為順暢。同時(shí)，氧化物層仍有足夠厚度充當(dāng)阻擋層，防止銅向硅擴(kuò)散，保證了電池在經(jīng)過 1500 小時(shí)濕熱測試后，依然能可靠運(yùn)行，維持較好的性能。電性能分析

不同峰值燒結(jié)溫度下一組100個(gè)PERC電池的IV參數(shù)分布

100個(gè)電池被分為三組，每組對(duì)應(yīng)一個(gè)不同的峰值燒結(jié)溫度：590°C、610°C和630°C。

Voc：隨著燒結(jié)溫度的升高，Voc有輕微的增加趨勢。這表明較高的燒結(jié)溫度可能有助于提高電池的開路電壓。

Jsc：Jsc在不同燒結(jié)溫度下變化不大，這表明燒結(jié)溫度對(duì)短路電流密度的影響較小。

FF：FF在630°C燒結(jié)溫度下最高，這表明優(yōu)化的燒結(jié)溫度可以顯著提高電池的填充因子，從而提高整體效率。

不同燒結(jié)溫度下的效率：590°C，效率較低，具體數(shù)值未給出，但可以推斷低于19.25%。610°C，效率有所提高，但仍然低于630°C燒結(jié)溫度下的效率。630°C，效率最高，達(dá)到了19.25%。

銅金屬化M6尺寸電池的串聯(lián)電阻分布圖

串聯(lián)電阻（Rs）：通過顏色編碼顯示了電池不同區(qū)域的串聯(lián)電阻值。顏色越深表示串聯(lián)電阻越高，顏色越淺表示串聯(lián)電阻越低。串聯(lián)電阻是電池性能的一個(gè)重要參數(shù)，它影響電池的填充因子（FF）和整體效率。較高的串聯(lián)電阻會(huì)導(dǎo)致電池的電壓降增加，從而降低電池的輸出功率。

顏色編碼：快速識(shí)別電池中串聯(lián)電阻較高的區(qū)域。這些區(qū)域可能是由于銅指條的不均勻性、氧化層的不均勻性或其他制造缺陷導(dǎo)致的。可靠性測試

加速測試（85°C/85% 濕度濕熱環(huán)境）前后的 PL 圖像

PL圖像：PL圖像通過顏色編碼顯示了電池的發(fā)光強(qiáng)度，顏色越亮表示電池的性能越好，顏色越暗表示電池的性能越差。初始狀態(tài)：在濕熱測試前，PL圖像顯示電池整體發(fā)光較亮，表明初始性能良好。

性能退化：隨著測試時(shí)間的增加，PL圖像顯示電池的發(fā)光強(qiáng)度逐漸減弱，特別是在裂縫區(qū)域。這表明電池在濕熱條件下出現(xiàn)了性能退化，尤其是在連接區(qū)域。

改進(jìn)效果：在改進(jìn)銅漿料特性后，PL圖像顯示電池的性能退化顯著減少。這表明優(yōu)化的銅漿料在提高電池的可靠性方面起到了重要作用。

濕熱測試后通過DLIT觀察到的圖像

電池在85°C和85%濕度的條件下進(jìn)行了500小時(shí)的濕熱測試，然后在反向偏置（-3V, 0.3A）下進(jìn)行了DLIT測試：

DLIT圖像：明亮的斑點(diǎn)表示旁路二極管的位置，這些旁路二極管是電池中的缺陷區(qū)域，會(huì)導(dǎo)致電流繞過正常路徑，從而降低電池的性能。

性能退化：DLIT圖像顯示，經(jīng)過500小時(shí)濕熱測試后，電池中出現(xiàn)了明顯的旁路二極管。這表明電池在濕熱條件下出現(xiàn)了性能退化，特別是在銅/硅界面區(qū)域。

SEM和EDS對(duì)超聲波焊接后的銅接觸進(jìn)行分析

橫截面SEM圖像：可以觀察到銅接觸與焊料的結(jié)合情況，以及焊料在銅接觸上的分布。

EDS分析：EDS分析結(jié)果提供了焊接區(qū)域的化學(xué)組成信息，可以觀察到銅（Cu）、錫（Sn）和銦（In）等元素的分布。均勻的元素分布表明焊接過程中元素混合良好，沒有明顯的擴(kuò)散不均或元素分離現(xiàn)象。

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)優(yōu)化的銅漿料在630°C的燒結(jié)溫度下能夠實(shí)現(xiàn)19.25%的電池效率，且在85°C和85%濕度的條件下，經(jīng)過1500小時(shí)的濕熱測試后，電池仍能保持良好的性能。這些結(jié)果表明，銅漿料在降低光伏生產(chǎn)成本方面具有巨大潛力，同時(shí)能夠滿足高性能和高可靠性的要求。美能在線四探針方阻儀

美能在線方阻測試儀是專為光伏工藝監(jiān)控設(shè)計(jì)的在線四探針方阻儀，可以對(duì)最大230mm×230mm的樣品進(jìn)行快速、自動(dòng)的掃描，獲得樣品不同位置的方阻/電阻率分布信息。

• 最大樣品滿足230mm×230mm

• 測量范圍：1mΩ~100MΩ

• 測量點(diǎn)數(shù)支持5點(diǎn)、9點(diǎn)測量，同時(shí)測試5點(diǎn)滿足≤5秒，同時(shí)測試9點(diǎn)滿足≤10秒

測量精度：保證同種型號(hào)測量的精準(zhǔn)度不同測試儀器間測試誤差在±1%

使用美能在線四探針方阻測試儀來評(píng)估電池的方塊電阻和電阻率分布。該設(shè)備可以進(jìn)行快速、自動(dòng)的掃描，獲得樣品不同位置的方阻/電阻率分布信息。通過這種自動(dòng)化和無損檢測技術(shù)，我們能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控電池片的制造工藝，確保每片電池的性能一致性和可靠性。

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

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