摘要：在“双碳”目标的推动下，n-TOPCon太阳能电池凭借其卓越的性能已成为光伏产业的研发焦点。TOPCon电池的核心在于其背面的SiOx/poly-Si(n)钝化接触结构，该结构的质量直接决定了电池的效率。其中，电池背面的微观形貌是一个极其关键但又充满矛盾的因素
在“双碳”目标的推动下，n-TOPCon太阳能电池凭借其卓越的性能已成为光伏产业的研发焦点。TOPCon电池的核心在于其背面的SiOx/poly-Si(n)钝化接触结构，该结构的质量直接决定了电池的效率。其中，电池背面的微观形貌是一个极其关键但又充满矛盾的因素，它同时影响着钝化性能、接触特性和光学性能。
行业内存在一个经典的技术“权衡”：
背面抛光：可以减少硅片背面的表面积和缺陷，有利于形成高质量、均匀的隧穿氧化层（SiOx），从而获得优异的钝化效果和高开路电压（Voc）。同时，光滑的背面还能增强长波光的内部反射，进一步提升Voc。但其缺点是，光滑的表面不利于金属浆料的附着和烧结，容易导致接触电阻过高，从而牺牲了填充因子（FF）。背面织构（保留金字塔绒面）：粗糙的金字塔表面增大了金属与半导体的接触面积，有利于银浆烧结时形成良好的欧姆接触，从而获得高FF。但其缺点是，尖锐的金字塔顶端和复杂的形貌会导致隧穿氧化层厚度不均、产生针孔，甚至在后续工艺中引入裂纹，损害钝化效果，最终拉低Voc。如何打破这种“Voc”与“FF”之间的此消彼长关系，找到一种能够协同优化钝化和接触的背面形貌，是进一步提升TOPCon电池效率的关键。
为解决上述技术难题，本研究旨在通过系统性地构建和对比不同的背面微观形貌，深入探究其对n-TOPCon电池钝化性能、接触性能及最终电学性能的影响，并阐明其内在物理机制。
研究的核心思路是解构并重构背面形貌，设计了四种不同的处理技术路线：
E (酸蚀)：作为基准组，保留了传统的金字塔绒面。P (碱抛光)：通过碱抛光将金字塔绒面平滑化，以追求极致的钝化效果。EM (酸蚀+微织构)：在传统金字塔绒面的基础上，再叠加一层更精细的“微绒面”，以增强接触。PM (碱抛+微织构)：本研究的创新重点。先通过碱抛光获得一个高质量的平滑基底，再在该基底上选择性地制造“微绒面”，旨在同时实现优异的钝化和良好的接触，做到“鱼与熊掌兼得”。通过对这四种形貌的电池进行全面的物理和电学表征，本研究旨在为n-TOPCon电池的背面设计提供一套清晰的优化指南。
电池制备：如图1和图2所示，实验采用182mm的n型Cz硅片。在经过双面碱制绒后，硅片被分为不同组别，进行背面的差异化处理（酸蚀、不同时长的碱抛光、以及在酸蚀或碱抛上进行不同时长的微织构处理）。随后，所有硅片经过相同的TOPCon核心工艺流程：PECVD沉积SiOx/a-Si(n)叠层、高温退火结晶、正面Al₂O₃/SiNₓ钝化减反层沉积，以及最终的丝网印刷和烧结。图1. (a) n-TOPCon太阳能电池结构示意图；(b) 制绒后晶圆背面的微观形貌；(c) 制绒后晶圆截面的微观形貌。
图2. 具有不同背面形貌的n-TOPCon太阳能电池的制备工艺流程。
表征方法：研究采用了全面的表征手段，包括：形貌表征：SEM和光学显微镜观察背面微观形貌。物理参数：椭偏仪测量隧穿氧化层厚度；四探针测试背面方块电阻；ECV测试背面掺杂浓度分布。电学接触：TLM（传输线模型）测量金属接触电阻率（ρc）；Suns-Voc测量金属复合电流（J₀,metal）。电池性能：I-V测试仪评估Voc, Jsc, FF, Eff等宏观参数；EQE测试分析光学损失。表1. 化学清洗工艺参数（单位：体积比%c）。
表2. 不同背面形貌晶圆的质量损失和表面积比。
如图3和图4所示，不同的处理工艺成功地构建了多样化的背面形貌。碱抛光（P组）使金字塔尖端变得平滑，基底扩大。而微织构处理（EM和PM组）则在原有基础上生成了尺寸更小（约0.8µm）且更密集的微金字塔结构。光学反射率（图5）与表面粗糙度密切相关，微织构处理（特别是PM3组）的表面最粗糙，因此反射率最低，光捕获能力最强。
图3. 不同预处理后硅片背面的3D形貌和光学显微镜图像。
图4. 碱抛光+微织构预处理后晶圆背面的二次电子图。
图5. 双面对称样品的反射率。
隧穿氧化层厚度与方阻（图6）：研究发现，平滑的碱抛光表面（P组）有利于生长更厚的隧穿氧化层，而粗糙的微织构表面（EM、PM组）则会形成更薄的氧化层。相应的，背面方块电阻（Rear R_sheet）也随之变化：氧化层越薄，磷原子越容易从多晶硅层扩散和激活，方阻也就越低。图6. (a) 隧穿氧化层厚度；(b) 各组的背面R_sheet分布。
掺杂浓度分布（图7）：ECV曲线进一步证实了上述发现。微织构处理（EM组）由于氧化层薄，其峰值和拐点处的掺杂浓度均较高。而碱抛光（P组）由于氧化层厚，其掺杂浓度则较低。图7. 发射极的ECV曲线：(a) 测试所得；(b) 根据表面积比拟合。
表3. ECV曲线关键位置的磷浓度。
接触电阻（ρc）与金属复合（J₀,metal）的“跷跷板效应”（图8）：这是本研究的核心发现。碱抛光（P组）：获得了最低的金属复合电流J₀,metal（41.5 fA/cm²），表明其钝化性能最佳。但其接触电阻ρc也最高（1.61 mΩ·cm²），接触性能最差。酸蚀+微织构（EM组）：获得了最低的接触电阻ρc（0.33 mΩ·cm²），接触性能最佳。但其金属复合电流J₀,metal也最高（78.5 fA/cm²），钝化性能最差。碱抛+微织构（PM组）的协同优势：该方法成功打破了僵局。先进行碱抛光，保证了一个低缺陷、高质量的钝化基底（低的J₀,metal）；再进行微织构，为金属接触创造了有利条件（低的ρc）。PM2组在两者之间取得了最佳平衡。图8. 不同背面形貌的(a) ρc和(b) J₀,metal。
最终的电池性能（图9、11和表4）完美地体现了上述的“跷跷板效应”与协同优化。
P组：得益于优异的钝化，获得了最高的Voc（711.1 mV），但因接触差，FF最低（83.04%）。EM组：得益于优异的接触，获得了最高的FF（84.82%），但因钝化差，Voc最低（701.5 mV）。PM2组：通过协同优化，同时获得了较高的Voc（706.1 mV）和较高的FF（84.24%），最终取得了24.78%的最高转换效率，比酸蚀基准组（E组）的24.55%高出0.23%（绝对值）。光学增益（图10）：EQE分析表明，碱抛光处理的背面（P和PM组）在长波段（>900nm）具有明显的电流优势，这得益于其更光滑的基底增强了内部光反射。图9. (a) Voc, (b) Jsc, (c) FF, 和 (d) Eff的箱线图。
图10. (a) EQE（实线）和光学反射率（虚线）；(b) 不同背面形貌的n-TOPCon太阳能电池的电流损失分析。
图11. 不同背面形貌的Voc、FF和Eff的比较。
表4. 不同背面形貌的n-TOPCon太阳能电池的关键参数。
研究结论本研究系统地揭示了n-TOPCon电池背面形貌对其电学性能的调控机制，并提出了一种协同优化的解决方案。
揭示了核心权衡关系：电池背面形貌通过调控隧穿氧化层厚度和多晶硅掺杂梯度，直接控制了钝化性能（Voc）和接触性能（FF）之间的“跷跷板”关系。平滑表面有利于Voc，而粗糙表面有利于FF。验证了协同优化策略的有效性：**“碱抛光+微织构”**的协同策略被证实是实现高性能的有效途径。该方法先通过抛光构建高质量的钝化基底以保证高Voc，再通过微织构增大金属接触面积以保证高FF。实现了效率的显著提升：采用优化的“碱抛+微织构”工艺，电池效率达到了24.78%，相较于传统的酸蚀绒面提升了0.23%（绝对值）。参考文献：Li, Z., Shi, M., Lyu, W., Peng, H., Liu, Z., & Wang, Q. (2025). Research on electrical properties and mechanism of n-TOPCon solar cells with different rear surface morphologies. Solar Energy, 301, 113960.
来源：锂电百科一点号