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PERC電池的IV參數(shù)分布

100個電池被分為三組，每組對應(yīng)一個不同的峰值燒結(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，可以對最大230mm×230mm的樣品進(jìn)行快速、自動的掃描，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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