主要观点总结
本文介绍了北京大学潘锋等人在期刊Small上发表的研究论文，针对隧道氧化物钝化接触（TOPCon）太阳能电池中的银-硅接触形成机制进行了深入探讨。研究通过使用纳米尺寸焦耳加热实现Ag-Si共晶结构的形成，优化了金属-硅接触，提高了TOPCon太阳能电池的性能。文章详细阐述了研究亮点和图文解读，并介绍了焦耳高温加热技术及其在材料科学领域的应用成果。
关键观点总结
关键观点1: 研究背景
介绍TOPCon太阳能电池的技术进展和面临的挑战，引出银电极与低掺杂P+发射极之间的有效欧姆接触问题。
关键观点2: 研究内容
介绍研究团队通过激光增强接触优化（LECO）技术，针对TOPCon太阳能电池中银-硅接触的形成机制进行了深入探讨。
关键观点3: 研究结果
通过设计并制备两种不同类型的玻璃料，研究结果表明基于GF-A的TOPCon电池在LECO处理后表现出优于基于GF-B的电池的电气性能。引入复合导电模型，揭示了通过纳米尺寸焦耳加热实现Ag-Si共晶结构的形成机制。
关键观点4: 研究亮点
介绍研究亮点，包括纳米尺寸焦耳加热实现Ag-Si共晶结构、玻璃料对接触质量的影响以及新型激光诱导合成和微纳界面工程方法的应用。
关键观点5: 图文解读
通过图表和图示详细解读了研究过程中的关键数据和实验结果，包括TOPCon太阳能电池的制备过程和典型结构、LECO处理前后的J-V曲线、原子力显微镜(AFM)、开尔文探针力显微镜(KPFM)和传输线法(TLM)的测试结果、透射电子显微镜(TEM)和能量色散光谱仪(EDS)的测量结果等。
关键观点6: 应用前景
介绍焦耳高温热冲击技术在材料科学领域的应用前景，包括在能源催化材料、石墨烯等二维材料、高熵化合物、陶瓷材料等领域的超快速高质量制备。
正文
在过去十年中，隧道氧化物钝化接触（TOPCon）太阳能电池作为高效硅太阳能电池的领先技术，已经在光伏行业中取得了显著的进展。TOPCon技术的快速发展使其在转换效率、衰减率和温度敏感性等方面展现出优越性，成为主流太阳能应用的有力竞争者。然而，尽管TOPCon电池具有诸多优势，银（Ag）电极与低掺杂P+发射极之间的有效欧姆接触仍然是一个关键挑战。传统的金属化工艺依赖于银/铝（Ag/Al）浆料来形成接触，但由于铝在高温下向硅的扩散，导致接触质量不足和可靠性风险，从而影响光电转换效率。因此，开发新型金属化技术以优化金属-硅接触成为了当前研究的热点。
2024年12月8日，北京大学
潘锋
、
谭文长
及中国科学院化学研究所
林原
等
在期刊
Small
上
发表题为“Nano-size Joule-Heating to Achieve Low-Ohmic Ag–Si Contact on Boron Emitters of n-TOPCon Solar Cells
”
的研究论文。本研究针对TOPCon太阳能电池中银-硅接触的形成机制进行了深入探讨，特别是通过激光增强接触优化（LECO）技术的应用。我们设计并制备了两种不同类型的玻璃料（GF-A和GF-B），并对相应器件的电气特性进行了系统研究。研究结果表明，基于GF-A的TOPCon电池（Cell-A）在LECO处理后表现出优于基于GF-B的电池（Cell-B）的电气性能，主要归因于电流限制的Ag-Si界面的构建。此外，本文还引入了复合导电模型，揭示了通过纳米尺寸焦耳加热实现Ag-Si共晶结构的形成机制。这项研究不仅加深了对太阳能电池中金属-硅接触优化的理解，还为激光诱导合成和微纳界面工程提供了新的方法论。
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纳米尺寸焦耳加热实现Ag-Si共晶结构
：研究揭示了通过激光增强接触优化（LECO）技术在TOPCon太阳能电池中实现电流触发接触（CFC）的关键机制，即利用纳米尺寸的焦耳加热促使银（Ag）和硅（Si）之间发生共晶反应，形成优化的低阻接触。
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玻璃料对接触质量的影响
：研究发现，使用具有较高玻璃化转变温度（Tg）和较低流动铺展能力的玻璃料GF-A，能够在Si金字塔顶部形成较厚的电流限制界面，这有助于在LECO处理过程中积累焦耳热，从而促进Ag-Si共晶反应，提高接触质量。
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新型激光诱导合成和微纳界面工程方法
：本研究不仅增进了对太阳能电池中金属-硅接触优化的理解，还引入了激光诱导合成和微纳界面工程的新方法，为提高TOPCon太阳能电池和其他光伏技术的性能提供了新途径。
图1展示了TOPCon太阳能电池的制备过程和其典型结构，以及LECO处理前后Cell-A和Cell-B的J-V曲线。图1a中的示意图说明了在LECO处理中，电池两侧施加反向偏压，并且激光垂直于银电极扫描。这一设置整合了数字源表、电极连接平台和激光系统，能够适应多样的电极图案和扫描模式。图1b中的J-V曲线显示了LECO处理对电池性能的显著影响，其中虚线表示处理前的曲线，实线表示处理后的曲线。可以看到，LECO处理后，Cell-A和Cell-B的短路电流密度(Jsc)、填充因子(FF)和开路电压(Voc)均有显著提升，尤其是Cell-A的性能更为优越，表明LECO处理有效地在Ag-Si界面建立了优化的低阻接触，且Cell-A因更好的接触质量而性能更佳。
图2通过原子力显微镜(AFM)、开尔文探针力显微镜(KPFM)和传输线法(TLM)的测试结果，进一步揭示了LECO处理对Cell-A和Cell-B之间电气性能差异的影响。图2a1和2b1中的AFM图像展示了Ag-Si界面的形貌，而图2a2和2b2中的KPFM图像显示了接触电势差(CPD)。图2a3和2b3中的CPD线轮廓图表明，Cell-A在Si金字塔顶部到2微米深度内的CPD变化为264.2毫伏，而Cell-B仅为91.4毫伏，显示出Cell-A具有更优越的电荷传输特性和接触质量。图2c展示了金字塔边缘处的功函数频率分布，Cell-A的中心功函数为4.92电子伏特，而Cell-B为4.85电子伏特，表明Cell-A在金字塔边缘掺杂了更高比例的杂质，从而更大幅度地提高了发射极的功函数。图2d中的TLM测量结果进一步证实了Cell-A相较于Cell-B具有更低的接触电阻(Rc)和特定接触电阻(ρc)，表明Cell-A实现了更优质的Ag-Si接触。
图3通过透射电子显微镜(TEM)和能量色散光谱仪(EDS)的测量结果，分析了Cell-A和Cell-B在Ag-Si界面的结构和组成差异。图3a1和3d1展示了P+发射极上Ag-Si界面的完整横截面视图，其中Cell-A中仅金字塔顶部的一部分硅氮化物(SiNx)层被刻蚀，而Cell-B中SiNx层被大量刻蚀。图3a2和3d2中的高角环形暗场扫描透射电子显微镜(HADDF-STEM)图像显示了Cell-A和Cell-B的电流触发接触(CFC)结构的局部放大图。图3a3、a4和3b中的元素分布图表明，在Cell-A中，Ag纳米颗粒(NP)分布在玻璃层下约150纳米深处，而在Cell-B中，Ag和Pb以及Te的分布位置几乎相同，只有极少量Ag元素扩散进入Si。图3c1、c2和3f1、f2中的高分辨率TEM(HRTEM)图像及对应的快速傅里叶变换(FFT)图像进一步揭示了Cell-A中形成了Ag-Si共晶合金，而Cell-B中Ag主要分布在玻璃层中，未能与Si形成共晶反应。
图4深入探讨了LECO处理中Cell-A和Cell-B活性差异的根本原因，特别是玻璃料在界面的分布情况。图4a1和4b1中的顶视图显示了Cell-A和Cell-B在LECO处理前经硝酸处理后的玻璃层分布情况。图4a2、a3中的截面图像显示，在Cell-A中，金字塔顶部沉积了较厚的玻璃料层，形成了近乎热绝缘的结构。图4b2、b3中的图像显示，在Cell-B中，玻璃层更薄且连续分布，使得Ag与金字塔顶部几乎直接接触。图4b4中的图像显示了Cell-B中更小但更密集的Ag腐蚀坑分布。图4c中的热机械分析(TMA)曲线表明，GF-A的玻璃化转变温度(Tg)为333°C，而GF-B为268°C，这表明GF-A在烧结过程中比GF-B更晚扩散到Ag-Si界面，导致在金字塔顶部积累了更多的玻璃层。图4d1-d3和e1-e3中的X射线光电子能谱(XPS)结果进一步证实了这一点，表明Cell-A中的SiNx层在玻璃层200-600纳米深度处保留得比Cell-B更多。
图5展示了Cell-A和Cell-B在LECO处理过程中的电流变化情况。图5a显示，在施加15V反向电压后，Cell-A和Cell-B的电流值均有所提升，表明在激光照射下产生了大量激光诱导载流子。图5b中的实物图展示了蒸发Ag电极的太阳能电池，以及LECO处理后Ag-Si界面的横截面视图。图5c和5d中的示意图说明了LECO处理在活性和非活性界面上形成Ag-Si接触的形成机制。在LECO活性界面上，由于玻璃层的不均匀分布，只有部分金字塔顶部形成了相对短路的电流路径，创造了一个电流限制的界面。在激光扫描过程中，光电流通过这些短路路径传递到Ag电极，电流限制和玻璃的热绝缘性能相结合，导致了纳米尺寸的焦耳加热，促进了Ag-Si的共晶反应。而在LECO非活性界面上，由于钝化层被广泛刻蚀，导致电流路径电阻相对一致，且玻璃层较薄，阻碍了热量积累，阻止了Ag和Si之间有效共晶反应的发生。
总之，
本研究揭示了TOPCon太阳能电池通过LECO处理形成CFC（电流触发接触）的机制，即通过纳米尺寸的焦耳加热实现Ag-Si的共晶反应。研究表明，优化的接触是由于Ag-Si共晶合金结构和富含Ag的玻璃层直接导致的。LECO活性界面具有电流限制结构和足够厚的热绝缘玻璃层。使用具有较高玻璃化转变温度(Tg)和较低流动铺展能力的GF-A，能够在Si金字塔顶部建立一个具有较厚玻璃层的电流限制界面。在LECO处理期间，这种结构有助于在纳米尺度区域积累激光诱导的焦耳热，从而实现Ag和Si之间的共晶反应。相比之下，添加了TeO2以降低Tg并改善流动铺展能力的GF-B，导致了更均匀刻蚀的界面和较薄的玻璃层，阻碍了热量积累，阻止了有效的共晶反应。总之，本研究不仅增进了对太阳能电池中金属-硅接触优化的理解，还引入了激光诱导合成和微纳界面工程的新方法。在LECO处理中使用定制的玻璃料以实现电流限制界面，为提高TOPCon太阳能电池和其他光伏技术的性能提供了一个有前景的方法。未来的研究可以进一步探索玻璃料成分和工艺参数的优化，以实现更高的接触质量和效率提升。
文献信息：Rui Zhou, Yongsheng Li, Zhikun Zhang, Wenchang Tan, Ziwei Chen, Yuan Lin, Feng Pan. Nano-size Joule-Heating to Achieve Low-Ohmic Ag–Si Contact on Boron Emitters of n-TOPCon Solar Cells, small (2024).
https://doi.org/10.1002/smll.202409628
焦耳高温加热技术
，特别是
闪蒸焦耳热
和
快速焦耳热技术
，是
材料科学领域的一项重大革新
。凭借其
无与伦比的加热速度
和
精确的温度控制
，这项技术为材料制备和性能研究带来了
全新的视角
。
该技术基于
焦耳定律
，通过
大电流产生的电阻热
，在
极短时间内实现材料的快速升温
，甚至能在
1秒内将材料加热至3000-4000℃的高温
。这种
极速的温度变化
为材料制备和处理提供了
前所未有的可能性
。
焦耳高温加热技术
显著超越了
传统加热方法
，如
马弗炉和管式炉
，其加热速度之快，远非
传统加热设备
所能比拟。
焦耳高温热冲击材料制备装置
可实现
毫秒级别升温和降温
，能达到
1秒内升温至3000K
的效果，试验样品可以是
薄膜、块体、粉末
等。对比现在常用的
马弗炉、管式炉
升温慢、加热时间长等缺点，极大地节约了科研人员宝贵的
科研时间
，并且会有与
马弗炉和管式炉
不同的
冲击效果
。该装置可
抽真空或者是通氛围气体使用
，还可以根据要求进行
定制
。公司致力于
实验室（超）高温解决方案
。目前我公司设备已广泛应用于
能源催化材料、石墨烯等二维材料、高熵化合物、陶瓷材料
等材料的超快速高质量制备。
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Rapid High-Temperature Liquid Shock Synthesis of High-Entropy Alloys for Hydrogen Evolution Reaction. ACS nano., 2024.
DOI: 10.1021/acsnano.3c07703
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Rapid, in Situ Synthesis of High Capacity Battery Anodes through High Temperature Radiation-Based Thermal Shock. Nano Letter 2016, 16 (9), 5553-5558. DOI:10. 1021/acs.nanolett.6b02096.
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High-Temperature Shock Enabled Nanomanufacturing for Energy-Related Applications. Advanced Energy Materials 2020, 10 (33), DOI: 10. 1002/aenm.202001331.
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