通过低温暗退火优化Ni/Cu界面，以提高大规模生产的电镀电极TOPCon太阳能电池的开路电压和效率

《Solar Energy Materials and Solar Cells》：Ni/Cu interface optimization via low-temperature dark annealing for enhancing open-circuit voltage and efficiency of mass-produced electroplated electrode TOPCon solar cells

本文针对TOPCon太阳能电池中电镀铜电极开路电压提升问题，提出低温暗退火后处理技术。通过优化Ni/Cu界面接触，降低复合电流密度和接触电阻，实验表明该技术可将接触电阻降低2.7mΩ·cm2，使功率转换效率提升1.02%。

　　

李宇涵|席曦|邵建波|张京云|黄美娴|刘志鹏|秦宇森|张松|季景佳

江南大学理学院，江苏省，214122，无锡，中国

摘要

由于成本低、导电性能优异以及工艺简化，电镀铜电极技术在光伏制造中展现出广泛的应用前景。在隧穿氧化物钝化接触（TOPCon）太阳能电池中，电镀铜电极被视为传统银电极的可行替代品。然而，实际应用表明，虽然铜电极显著提高了器件的填充因子，但开路电压和短路电流的增加并未达到预期，从而导致功率转换效率的提升有限。因此，提高TOPCon电池中电镀铜电极的开路电压已成为关键研究方向。本文提出了一种低温暗退火后处理方法，旨在改善Ni/Cu界面的附着力和接触性能，降低复合电流密度（J₀），从而帮助恢复器件的开路电压。该方法通过对TOPCon电池进行低温热处理，促进了Ni/Cu电极界面处有益的原子扩散，显著提升了接触质量和电气性能。通过优化，低温暗退火技术将TOPCon电池中电镀Ni/Cu电极的接触电阻率（ρ_c）降低了约2.7 mΩ cm²，从而使功率转换效率提高了1.02%。这项研究不仅验证了低温暗退火在改善电极接触界面方面的有效性，还提供了一种简单且与工艺兼容的技术方法，以进一步提高TOPCon电池的开路电压和短路电流，为推进电镀铜电极在高效光伏电池中的应用提供了宝贵见解。

引言

近年来，光伏技术经历了快速迭代，从P型转向高效n型技术路线。在各种n型技术中，隧穿氧化物钝化接触（TOPCon）太阳能电池因其卓越的效率潜力和出色的工艺兼容性而成为下一代主流技术的有力竞争者[[1], [2], [3], [4]]。根据Martin A. Green教授团队2025年5月发布的最新太阳能电池效率表，实验室认证的大型TOPCon电池技术效率已超过26%，展示了TOPCon太阳能电池巨大的工业应用前景。

由于银浆原材料成本的上升以及光伏领域对更薄硅片的需求不断增加，传统的丝网印刷金属化技术面临着成本和工艺兼容性的双重挑战[6]。因此，电镀Ni/Cu金属化技术受到了学术界和工业界的广泛关注，作为一种优秀的替代方案[7,8]。这项技术的核心优势在于用成本较低的铜替代了贵金属银，大幅降低了电极制造成本[9]。此外，通过电镀制造的铜栅格具有更高的紧凑性和更优异的导电性，同时还能实现电极截面的更高纵横比。这种结构优势使得电极对活性光接收区域的遮挡减少，而不影响电流收集能力，从而提高了器件的短路电流（I_sc）和功率转换效率[10,11]。TOPCon电池出色的表面钝化特性，结合Ni/Cu电镀电极的低接触电阻和高导电性，为开发高效光伏器件开辟了可行途径。近年来，电镀Ni/Cu电极技术已成功应用于TOPCon电池[[12], [13], [14]]。

尽管电镀Ni/Cu电极TOPCon电池表现出有竞争力的转换效率，但对它们特定电参数的深入分析揭示了显著的性能损失。根据Wang等人的研究[15]，对采用电镀Ni/Cu电极的TOPCon电池和采用传统Ag/Al丝网印刷电极的TOPCon电池进行了比较。研究得出以下结论：在短路电流相同的条件下，尽管采用电镀Ni/Cu电极的TOPCon电池具有更好的栅线设计，从而实现了更高的填充因子（FF），但其开路电压（V_oc）降低了5.7 mV。最终，采用电镀Ni/Cu电极的TOPCon电池的转换效率仅比采用Ag/Al丝网印刷电极的电池提高了0.142%。这一结果清楚地表明，Ni/Cu电极严重的开路电压损失在很大程度上抵消了电镀技术在减少光遮挡和降低钝化层损伤面积方面的固有优势，限制了器件性能的进一步提升，导致Ni/Cu电极的优势未能得到充分利用。因此，为了解决开路电压损失问题，将从辅助修复开路电压的角度来研究采用Ni/Cu电镀电极的TOPCon电池。

电镀技术导致的显著开路电压损失在很大程度上抵消了其优势。电镀后的常见开路电压损失归因于金属-半导体接触界面的复合加剧，这主要是由于镀前激光引起的损伤[16]。修复激光损伤是提高电镀Ni/Cu金属化TOPCon电池开路电压的关键方向之一。Huang等人的研究[17]通过镀前修复激光损伤，使Ni/Cu电极TOPCon电池的开路电压平均提高了约14 mV，同时短路电流密度（J_sc）提高了0.477 mA/cm²。本文的实验内容是对Huang等人修复激光损伤工作的进一步补充。参考Huang等人的方法，首先修复了镀前的激光损伤，然后进行电镀Ni/Cu电极。在电镀完成后，本文从Ni/Cu电极接触的角度进一步探讨了开路电压的修复方法。然而，由于Huang等人无法完全修复镀前的所有激光损伤，且许多研究也指出，该界面区域增加的饱和复合电流密度（J₀）与接触电阻率（ρ_c）相关，从而导致开路电压和填充因子的下降[18,19]。因此，本文提出了一种低温暗退火处理技术，以改善电极的导电性，加速载流子的提取速率，并减少残余缺陷的影响，从而修复开路电压。

本文将从Ni/Cu电极接触的角度探讨开路电压的修复方法，研究电镀电极接触电阻对器件开路电压的影响，并探索低温暗退火对电池性能的影响和机制。重点将放在分析复合电流密度和特定接触电阻的变化上。需要注意的是，用于修复开路电压的后处理温度窗口必须严格控制。大量研究表明，温度超过200°C时，铜原子会容易穿透镍阻挡层并扩散到硅基底中，形成深层次复合中心，引发器件性能的不可逆退化[20]。因此，在安全的低温范围内探索有效的后处理方案对于推进电镀铜技术的成熟至关重要。本文提出了一种用于Ni/Cu电镀TOPCon电池的低温暗退火技术，系统研究了≤200°C范围内的低温暗退火技术，为实现高性能、高可靠性和低成本的TOPCon电池提供了新的技术途径和理论基础。

材料与实验

材料与实验

本研究使用了电阻率为1.2 Ω cm、尺寸为182.0 mm × 184.0 mm、厚度为130.0 μm的n型Czochralski（CZ）单晶硅片作为基底。首先，通过碱性湿法蚀刻工艺在硅片表面形成了均匀的微米级“金字塔”纹理结构，以提高光捕获效率。经过标准化清洗去除表面污染物后，采用硼扩散技术在硅片两侧形成了P型发射极。

低温暗退火对TOPCon性能的提升

电镀镍层可以作为防止铜扩散进入半导体的屏障，而较薄镍层的晶界可能会促进铜原子的快速扩散[[25], [26], [27]]。由于200°C–275°C的温度会加速电镀电极的老化，并导致铜扩散引起的多晶硅层钝化退化[28,29]，因此将低温暗退火温度控制在200°C以下以避免这些问题。

结论

本文深入研究了高效TOPCon太阳能电池在使用低成本Ni/Cu电镀电极技术时面临的一个核心瓶颈：显著的开路电压损失。实验结果表明，低温暗退火是一种有效的后处理技术，能够同时减轻激光引起的沟槽损伤并优化金属接触界面。研究发现，4分钟的退火时间可以有效改善这一问题。

CRediT作者贡献声明

李宇涵：撰写——原始稿件、可视化、验证、方法论、研究、数据管理、概念构建。席曦：撰写——审阅与编辑、验证、方法论、形式分析、概念构建。邵建波：研究、资金获取、数据管理、概念构建。张京云：可视化、方法论、形式分析、概念构建。黄美娴：可视化、监督、方法论、形式分析。刘志鹏：可视化、方法论

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了江苏省优秀博士后人才资助计划（资助编号：2024ZB526）和中央高校基本科研业务费（资助编号：JUSRP202501046）的支持。