作者：Jim Bovatsek，MKS Spectra-Physics

随着全球对清洁能源的需求加速增长，太阳能电池制造商正面临着三重压力：提升器件效率、降低制造成本、提高制造流程的可持续性。要同时实现这三大目标面临着复杂挑战，尤其是在需求持续攀升、产量不断扩大的背景下。

推动创新解决方案的核心动力，源于对突破设计与制造瓶颈的迫切需求。其中的一大障碍是：传统硅基光伏电池结构（如钝化发射极和背面接触，PERC）的效率提升已经开始进入平台期。与此同时，材料成本的上涨也为现有的光伏设计带来了一定困扰。

隧穿氧化层钝化接触（TOPCon）技术，作为一种极具潜力的解决方案，已经迅速在太阳能电池制造商中站稳脚跟。相较于其他技术路径，TOPCon技术通过更有效的钝化效果和载流子收集能力，实现了性能提升。

然而，要充分释放 TOPCon技术的潜力，还需要克服多项障碍。从本质上看，TOPCon 技术需要先进的加工工艺，特别是在金属化环节。值得注意的是，传统的银浆丝网印刷作为当前光伏接触形成的主流工艺，已经越来越难以满足TOPCon结构对精细特征、成本目标以及整体增长和可持续发展潜力的综合要求。

为了寻找突破方向，制造商正转向采用“激光接触开孔（LCO）与电化学镀铜”相结合的工艺。其中，使用超短脉冲（USP）紫外（UV）激光选择性地烧蚀介质层，是这项技术的关键，它可以实现高精度、高效率的铜金属化。

对于LCO这类精细材料去除工艺而言，使用USP UV激光是一种自然选择。USP激光能以极高的空间精度高效烧蚀材料，并且热扩散效应极小。LCO工艺的目标是在去除介电层的同时，不显著影响下方的硅层和二氧化硅层（损伤这些层会导致性能下降），而这正是适合用USP激光源去完成的一项工作。

随着该技术路径势头渐盛，制造商与设备开发商正在优化工艺参数，以实现性能、效率与成本效益的最大化。他们的目标是优化一套能够提供可扩展解决方案的方法体系，从而契合太阳能行业在性能、可持续性与经济目标方面的不断演进。

LCO+电化学镀铜解决方案

银浆丝网印刷作为晶体硅太阳能电池金属接触形成的标准工艺，已经十分成熟。但是该工艺的局限性正日益凸显，特别是对于TOPCon等先进电池结构，其问题更为突出。

首先是经济层面的问题。根据《白银协会2025年度全球白银调查》，光伏太阳能电池生产消耗了全球约17%的年白银供应量。随着白银价格在过去十年间翻倍上涨，太阳能电池生产成本持续攀升。而TOPCon结构的银用量比其替代的PERC等其他结构高出50%之多。[1]

其次是技术层面的限制。银浆金属化工艺会形成更宽、更高的导电“指状电极”，这会导致光学遮挡与电阻损耗，最终降低电池效率。甚至丝网印刷工艺本身（涉及物理接触与高温烧结）也会产生问题：可能会使敏感的薄膜或晶圆受压或损伤。

LCO与电化学镀铜相结合（LCO + 电镀）的工艺，提供了一种极具吸引力的替代方案，尤其适用于 TOPCon 等先进电池的背面金属化。在该工艺中，USP UV激光器用于在介质层堆叠结构上烧蚀出微米级开孔，这些介质层用于保护、钝化硅光伏晶圆，并为其增加额外功能。随后，通过电镀方法对这些开孔沉积镍、铜及锡/银覆盖层，实现开孔金属化（见图1）。这种金属化方法可以形成更精细的线路，减少遮光损失，提升电流收集效率。此外，改用铜材料不仅能降低材料成本，还能减少对稀缺贵金属资源的依赖。

图 1：激光接触开孔（LCO）与电镀的两步法工艺流程。氮化硅（SiNₓ）与多晶硅（n+ poly Si）层的厚度通常为 100 nm或更薄，二氧化硅（SiO₂）隧穿氧化层厚度≤2 nm。图中还展示了镍（Ni）、铜（Cu）与锡（Sn）的附加层。（图片来源：MKS/Spectra-Physics）

尽管“LCO + 电镀”工艺因需要引入新工艺与新设备增加了制造复杂度；但这种组合工艺有望带来性能提升、规模化扩展以及长期运营成本降低。

LCO工艺的关键考量因素

为更清晰地明确对于“LCO + 电镀”工艺成功应用非常必要的过程优化，MKS/Spectra-Physics的应用工程师开展了一系列测试。这些测试平衡了质量、吞吐量、生产量与成本等核心工艺指标，同时还对成品器件的性能进行了表征，以评估采用该工艺制造的太阳能电池的整体预期效率。测试结果显示了各个激光参数对工艺的影响。

就USP UV激光的应用而言，需要重点考虑的是：当前太阳能电池中的抗反射层与钝化层，通常是由氮化硅和氧化硅构成的。由于氮化硅层对UV光基本上是透明的，因此激光能量大部分会被下层的硅材料层吸收。硅层吸收能量后温度升高，最终会通过等离子体形成与局部快速加热的方式，使上方的介质层剥离。

尽管这种间接剥离机制能够在不产生过度热负荷的情况下移除上层材料，但其也带来了特定挑战：必须极为精确地调控能量的作用深度。能量不足会导致烧蚀不完全；能量过高则可能击穿超薄（<2 nm）的隧穿氧化层，或改变下方硅层的结晶度。

实验结果

MKS/Spectra-Physics团队试图解答的一个核心问题是：哪种类型的USP激光（皮秒或飞秒）能获得最佳加工效果（见图 2）。对于大多数工艺而言，皮秒激光能在保证加工质量的同时，实现更高的材料去除速率。但是在 TOPCon LCO这类薄膜加工应用中，飞秒激光则能同时兼顾更高的加工吞吐量和更好的加工质量。这得益于飞秒激光更低的烧蚀阈值和更浅的能量作用深度。

图2：光学显微镜图像展示了两种USP激光实现的三个LCO加工示例，使用的USP光束分别为皮秒准平顶分布（左）、皮秒高斯分布（中）与飞秒高斯强度分布（右）。（图片来源：MKS/Spectra-Physics）

研究团队还探究了光束轮廓对加工效果的影响。通过对比准平顶强度分布与传统高斯分布，以判断哪种轮廓能更好地控制烧蚀深度与加工均匀性。

令人惊讶的是，在许多测试中，光束中心区域的材料去除量反而比光束边缘区域的材料去除量少。这与高斯光束烧蚀的典型结果截然相反——通常高斯光束的中心强度更高，材料去除量更多。一种可能的解释是：光束边缘的激光强度不足以引发上方介质层产生非线性吸收，从而导致更多能量会直接穿透该介质层并进入硅层，从而引发烧蚀现象。

在热影响区内，激光能量的吸收会导致材料经历快速加热与随后的冷却过程，这会引发p型多晶硅（p+ poly Si）的非晶化转变（见图3）。如果要将该材料恢复为多晶形态，则需要额外进行熔融/再结晶处理，这一过程通常需要通过炉内烧结工艺实现。

图3：图中展示了三个重叠的皮秒激光脉冲烧蚀的区域，该区域被划分为四个不同的部分：内部烧蚀区、外部烧蚀区、热影响区以及未受影响区。热影响区虽然不会发生材料去除，但在该工艺步骤中可以观察到明显的材料变化（如熔融和/或非晶化）。（图片来源：MKS/Spectra-Physics）

讨论

虽然上述结果仅是所有测试中的一小部分，但完整测试数据已经能够得出部分结论。

首先，皮秒脉冲UV激光很可能是 TOPCon  LCO加工的最佳选择。通过参数优化，皮秒脉冲UV激光加工能够实现与标准丝网印刷金属化工艺相当的加工效率，并且其成本要低于使用飞秒脉冲UV激光。此外，尽管飞秒激光加工在理论上具备微弱的效率优势，但由于光束传输系统存在的技术挑战，这一优势在实际生产中可能难以实现。这两种USP激光均能提供足够高的脉冲能量与平均功率，因此整个系统的加工效率，将在很大程度上取决于光束传输方案。光束传输通常包括多个高速扫描工作站、分束光学元件，可能还包含其他组件。

然而，电池结构正在快速演进且日趋复杂，未来的混合结构（如集成叉指式背面接触的 TOPCon 技术）或许能受益于飞秒脉冲加工。简言之，随着电池结构变得日益复杂、功能层的厚度持续减薄，未来对飞秒脉冲的潜在需求可能会增加。此外，这类结构还能受益于电镀金属化工艺的自对准特性。

研究团队通过测试还得出结论：简单的高斯光束聚焦即可满足LCO加工所需要的层选择性要求。虽然准平顶光束能减少边缘区域不想要的烧蚀，但由此形成的更大尺寸的LCO特征，会对TOPCon成品电池的整体性能产生不利影响。

电镀金属化工艺

完成LCO加工后，还需要通过后续步骤实现有效的电镀。下一个关键步骤是金属化，其对器件的电性能、长期稳定性与整体成本均有显著影响。在此背景下，电镀金属化工艺作为银浆丝网印刷的替代方案，因其更高的可持续性与可扩展性，正受到广泛关注。

电镀工艺通常需要依次沉积多种金属。最常见的顺序是：首先沉积镍层，用于形成欧姆接触并充当铜扩散阻挡层；接着沉积较厚的铜层，作为主要的电流传输层；最后沉积锡或银等顶层覆盖层，以提升可焊性并防止腐蚀。

目前主流的两种电镀技术是化学沉积与电化学沉积。化学沉积对易碎晶圆具有独特优势，例如可实现双面加工且无需物理接触；电化学沉积则具有更快的沉积速率与更高的材料纯度。尽管电化学沉积通常需要更复杂的操作与设备，但它也是这两种工艺中更为成熟稳定的方案。

无论采用哪种方法，电镀的成功与否都取决于激光开孔的质量与一致性。精准、清晰的激光开孔，能确保金属镀层覆盖均匀、接触电阻低，且机械附着力强。这些都是高效且具备商业可行性的太阳能电池的必备条件。

电池性能测试

“LCO + 电镀”方案的性能潜力，已经在实验室与中试环境中得到验证。MKS/Spectra-Physics与德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所（Fraunhofer ISE）合作开展了一项关键研究，对使用 MKS/Spectra-Physics公司的激光系统与 MKS/Atotech公司的电镀化学试剂制成的TOPCon 器件进行了测试。

研究使用的晶圆前驱体，是为丝网印刷金属化工艺而优化的，并未针对LCO工艺进行调整，但电镀过程采用了高质量的实验室级设备。Fraunhofer ISE团队测得这些电池的效率最高可达 23.3%，开路电压约为 693 mV，填充因子超过 82%。该结果与采用丝网印刷金属化工艺获得的性能（24%的转换效率）相当。

其他研究团队通过同步优化工艺的各个环节（包括晶圆结构、激光参数与电镀化学试剂），实现了高达 26.7% 的转换效率。这一数值已经接近理论上限，并且是可量产的TOPCon电池能实现的可行性目标。

未来展望

太阳能行业向 TOPCon 等更高效率的结构转型，传统银浆丝网印刷的局限性正日益凸显。“LCO + 铜基电镀”方案提供了一种极具竞争力的替代路径：该方法支持精细特征金属化，可降低材料成本，并符合行业长期可持续发展的目标（见图 4）。

尽管该方案的成功实施需要激光加工与金属化步骤之间的精密协同，但测试结果表明，该方案能够实现高效率与可规模化生产的双重目标。

图4：电化学沉积（ECD）镀层接触点的聚焦离子束横截面分析表明，金属层与n型多晶硅（n+ poly Si）衬底薄膜之间形成了良好接触。USP UV激光推动了从高成本的丝网印刷银触点向电化学镀铜触点的转变，这不但能降低制造成本，还能提升太阳能电池的性能。（图片来源：MKS/Spectra-Physics）

随着工艺集成不断成熟，“LCO + 电镀”技术有望在实现下一代具有成本效益的、高性能光伏技术的发展进程中发挥关键作用。

参考文献

1. Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) 2025. International Technology Roadmap for Photovoltaics (ITRPV) report 2025, www.vdma.eu/en-gb/international-technology-roadmap-photovoltaic.