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硅基光伏電池歷經(jīng)三代變化，新的技術(shù)不斷涌現(xiàn)推動(dòng)光伏發(fā)電的性價(jià)比不斷上升。光伏電池早期以BSF（Aluminium Back Surface Field，鋁背場(chǎng)電池）為主要技術(shù)路線，該電池技術(shù)于1973年提出，其特點(diǎn)是采用鋁背場(chǎng)鈍化技術(shù)，理論轉(zhuǎn)換效率上限約為20%；隨著光伏產(chǎn)業(yè)對(duì)于發(fā)電效率的不懈追求以及PERC（Passivated Emitter and Rear Contact，發(fā)射極鈍化和背面接觸）技術(shù)的成熟，成本不斷下降，光伏電池轉(zhuǎn)向以PERC技術(shù)為主，該技術(shù)于1982年提出，其特點(diǎn)是采用氧化鋁局部鈍化技術(shù)，相較于BSF電池技術(shù)，PERC技術(shù)鈍化效果更優(yōu)，將電池的極限效率提升至23%左右。

隨著PERC技術(shù)的成熟與不斷挖潛，逐步逼近其轉(zhuǎn)換效率的理論極限，業(yè)界開始尋求下一代技術(shù)，目前推進(jìn)中的主流技術(shù)有TOPCon（Tunnel oxide passivated contact, 隧穿氧化層鈍化接觸）、HJT（Heterojunction with Intrinsic Thinfilm，異質(zhì)結(jié)）和IBC（Interdigitated back contact，交叉背接觸）等。TOPCon和HJT一般為采用了鈍化接觸技術(shù)的N型電池（也有技術(shù)采用P型硅片），不同點(diǎn)在于HJT是異質(zhì)結(jié)類型的電池，是具有顛覆性的技術(shù)，對(duì)新進(jìn)入廠商相對(duì)有利，TOPCon仍然是同質(zhì)結(jié)電池，對(duì)存量的產(chǎn)線和技術(shù)積累較為友好，對(duì)行業(yè)內(nèi)現(xiàn)有玩家較為有利。

IBC的提效降本則是另外一種思路，與TOPCon、HJT采用新的鈍化接觸結(jié)構(gòu)來提高鈍化效果從而提高轉(zhuǎn)換效率的思路不同，IBC則是將電池正面的電極柵線全部轉(zhuǎn)移到電池背面，通過減少柵線對(duì)陽光的遮擋來提高轉(zhuǎn)換效率，主要通過結(jié)構(gòu)的改變來提高轉(zhuǎn)換效率，是一種較為純粹的單面電池，這種結(jié)構(gòu)可以與PERC、TOPCon、HJT、鈣鈦礦等多種技術(shù)疊加，因此有望成為新一代的平臺(tái)型技術(shù)，與TOPCon技術(shù)的疊加被稱為“TBC”電池，而與HJT技術(shù)的疊加則被稱為“HBC”電池。



IBC電池技術(shù)是指一種背結(jié)背接觸的太陽電池結(jié)構(gòu)，其正負(fù)金屬電極呈叉指狀方式排列在電池背光面。由于對(duì)少子壽命的要求較高，IBC電池一般以N型硅片作為基底，前表面為N+前場(chǎng)區(qū)FSF，利用場(chǎng)鈍化效應(yīng)降低表面少子濃度，從而降低表面復(fù)合速率，同時(shí)還可以降低串聯(lián)電阻，提升電子傳輸能力；背表面為采用擴(kuò)散方式形成的叉指狀排列的P+發(fā)射極和N++背場(chǎng)BSF，發(fā)射極能夠與N型硅基底形成p-n結(jié)，有效分流載流子，n+背表面場(chǎng)區(qū)能夠與n型硅形成高低結(jié)，增強(qiáng)載流子的分離能力，是IBC電池的核心技術(shù)；前后表面均采用SiO2/SiNx疊層膜作為鈍化膜，抑制IBC太陽電池背表面的載流子復(fù)合；前表面常鍍上減反射層，提高發(fā)電效率；金屬接觸部分全都在背面的正負(fù)電極接觸區(qū)域，也呈叉指狀排列。


IBC技術(shù)由SunPower提出，SunPower已成立36年，累計(jì)出貨35億片IBC電池片，擁有1000多個(gè)晶硅電池專利。1975年，Schwartz和Lammert首提背接觸式光伏電池概念；1984年，斯坦福教授Swanson研發(fā)了IBC類似的點(diǎn)接觸（Point Contact Cell，PCC）太陽電池，在聚光系統(tǒng)下轉(zhuǎn)換效率19.7％；1985年Swanson教授創(chuàng)立SunPower，研發(fā)IBC電池；1993年，SunPower全背接觸電池幫助本田贏得澳洲太陽能汽車挑戰(zhàn)賽冠軍；2004年，SunPower菲律賓工廠（25MW產(chǎn)能）規(guī)模量產(chǎn)第一代IBC電池，轉(zhuǎn)換效率最高21.5%，組件價(jià)格5-6美金/瓦。

雖然距離SunPower推出第一代IBC電池已經(jīng)相當(dāng)時(shí)間，但是初代電池奠定了該種電池技術(shù)路線基本的電池結(jié)構(gòu)和工藝框架：

（1）前表面無柵線遮擋。電池前表面采用陷光絨面，且無柵線遮擋，避免了金屬電極遮光損失，最大化吸收入射光子，實(shí)現(xiàn)良好的短路電流；

（2）背面為P區(qū)和N區(qū)的叉指狀間隔排列。電池背面制備呈叉指狀間隔排列的p+區(qū)和n+區(qū)，以及在其上面分別形成金屬化接觸和柵線，由于消除了前表面發(fā)射極，前表面復(fù)合損失減少；

（3）一般采用較高質(zhì)量的N型硅片。由于前表面遠(yuǎn)離背面p-n結(jié)，為了抑制前表面復(fù)合，需要更好的前表面鈍化方案，同時(shí)需要具有長(zhǎng)擴(kuò)散長(zhǎng)度的高質(zhì)量硅片（如N型硅片），以降低少數(shù)載流子在到達(dá)背結(jié)之前的復(fù)合；

（4）與鈍化接觸技術(shù)相結(jié)合來提高電池性能。采用鈍化接觸或減少接觸面積，大幅減少背面p+區(qū)和n+區(qū)與金屬電極的接觸復(fù)合損失；

（5）增加前表面場(chǎng)FSF。利用前表面場(chǎng)FSF的場(chǎng)鈍化效應(yīng)降低表面少子濃度，降低表面復(fù)合速率的同時(shí)還可以降低串聯(lián)電阻，提升電子傳輸能力。


SunPower不斷改進(jìn)該技術(shù)來提高其性價(jià)比，大體可以分為兩個(gè)方向：（1）更簡(jiǎn)化的制程，以及采用更低成本的工藝；（2）與更好的鈍化技術(shù)相結(jié)合。


從SunPower官網(wǎng)披露的最新信息來看，其最新一代IBC電池已吸收了TOPCon電池鈍化接觸的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，加入了隧穿氧化層（Tunnel Oxide）與多晶硅（N/P-Poly Silicon）的復(fù)合結(jié)構(gòu)，并保留了銅電極工藝；從電池結(jié)構(gòu)來看，量產(chǎn)工藝已經(jīng)簡(jiǎn)化，成本在可接受范圍，平均的轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到25%，第七代電池有望將平均轉(zhuǎn)換效率提高到26%的水平。


IBC獨(dú)有的結(jié)構(gòu)也使其具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：

（1）外形美觀。IBC電池發(fā)射區(qū)和基區(qū)的電極均處于背面，正面完全無柵線遮擋，尤其適用于光伏建筑一體化（BIPV）的應(yīng)用場(chǎng)景以及對(duì)價(jià)格敏感度較低的家用場(chǎng)景，商業(yè)化前景較好。

（2）具有高轉(zhuǎn)換效率的單面結(jié)構(gòu)。IBC電池正面無遮擋結(jié)構(gòu)消除了柵線遮擋造成的損失，實(shí)現(xiàn)了入射光子的最大化利用，較常規(guī)太陽能電池短路電流可提高7%左右，正負(fù)電極都在電池背面，不必考慮柵線遮擋問題，可適當(dāng)加寬柵線比例，從而降低串聯(lián)電阻，提高FF；由于正面無需考慮柵線遮光、金屬接觸等因素，可對(duì)表面鈍化及表面陷光結(jié)構(gòu)進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到較低的前表面復(fù)合速率和表面反射，從而提高Voc和Jsc；短路電流、FF、Voc的提高使得正面無遮擋的IBC電池?fù)碛辛烁咿D(zhuǎn)換效率；但是柵線都在背面的獨(dú)特結(jié)構(gòu)犧牲了電池的雙面性，無法吸收經(jīng)過地面反射的陽光，因此適用于光伏建筑一體化等無法利用背面發(fā)射光的應(yīng)用場(chǎng)景。


由于IBC電池結(jié)構(gòu)具有良好的兼容性，逐漸形成了三大工藝路線：

（1）以SunPower為代表的經(jīng)典IBC電池工藝；

（2）以ISFH為代表的POLO-IBC（TBC）電池工藝；

（3）以Kaneka為代表的HBC電池工藝（IBC-SHJ）。

根據(jù)2017年Kaneka實(shí)驗(yàn)結(jié)果，目前IBC-SHJ（HJT）電池的轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)到26.7%，高于TOPCon和HJT電池的實(shí)驗(yàn)效率。


產(chǎn)業(yè)內(nèi)提高IBC電池轉(zhuǎn)化效率的主要方向有：

（1）優(yōu)化背電極接觸區(qū)域，降低接觸電阻；

（2）防止電池短路且性能最優(yōu)，在電池背面p+和n+區(qū)域?qū)ふ液线m寬度的本征區(qū)域；

（3）使用體壽命較高的n型硅片作為基體，對(duì)其前后表面制備良好的鈍化層，保持較高的少子壽命；

（4）背面鈍化層的引入需考慮背反射器的作用。

將鈍化接觸技術(shù)與IBC相結(jié)合，研發(fā)出TBC（Tunneling oxide passivated contact Back Contact）太陽電池，也就是上文所稱的POLO-IBC；將非晶硅鈍化技術(shù)與IBC相結(jié)合，開發(fā)出HBC太陽電池，二者均是通過應(yīng)用載流子選擇鈍化接觸可以抑制少數(shù)載流子在界面處的復(fù)合速度，進(jìn)一步降低IBC電池的整體復(fù)合，從而有效提高IBC太陽電池表面鈍化效果。

TBC電池主要是通過對(duì)IBC電池的背面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，即用P+和N+的POLY-Si作為發(fā)射極和BSF，并在POLY-Si與摻雜層之間沉積一層隧穿氧化層SiO2，使其具有更低的復(fù)合，更好的接觸，更高的轉(zhuǎn)化效率。


2018年，ISFH采用區(qū)熔法（FZ）制備的P型硅片將POLO技術(shù)應(yīng)用于IBC電池，在4cm2的電池面積上獲得了26.1%的POLO-IBC太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率，但該結(jié)構(gòu)制備流程相對(duì)復(fù)雜，使用了多次光刻和自對(duì)準(zhǔn)的工藝；為了簡(jiǎn)化工藝，ISFH公司在P型PERC電池的技術(shù)上疊加多晶硅沉積，在常規(guī)CZ法獲得的P型單晶硅片上制備POLO-IBC電池，利用原位摻雜制備摻雜多晶硅層，采用絲網(wǎng)印刷和共燒結(jié)形成金屬接觸，獲得21.8%的轉(zhuǎn)換效率，該技術(shù)路徑與現(xiàn)有產(chǎn)線兼容度較高，但轉(zhuǎn)換效率較低。

在N型硅片基底上，2019年天合光能采用LPCVD（低壓化學(xué)氣相沉積）法對(duì)IBC電池的BSF進(jìn)行多晶硅隧穿氧化，只通過調(diào)節(jié)濕法工藝使其與原始IBC電池工藝相兼容，在6英寸硅片上將轉(zhuǎn)換效率由24.1%提高到25%。


與傳統(tǒng)IBC電池不同的是，HBC電池結(jié)構(gòu)背面的Emitter和BSF區(qū)域?yàn)閜+非晶硅和n+非晶硅層，在異質(zhì)結(jié)接觸區(qū)域插入一層本征非晶硅鈍化層。

HBC電池結(jié)構(gòu)能夠獲得較高轉(zhuǎn)換效率的原因在于：（1）高Voc。HBC電池采用氫化非晶硅(a-Si:H)作為雙面鈍化層,在背面形成局部a-Si/c-Si異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，基于高質(zhì)量的非晶硅鈍化，獲得高Voc。充分吸收了HJT電池非晶硅鈍化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。（2）高Jsc。HBC電池采用了IBC電池結(jié)構(gòu)，前表面無遮光損失和減少了電阻損失，從而擁有較高的Jsc，充分結(jié)合了HJT電池技術(shù)與IBC電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。


HBC電池主要是由Kaneka在推動(dòng)，已取得較好的研發(fā)進(jìn)展，2017年日本化學(xué)公司和太陽能電池制造商Kaneka通過背接觸異質(zhì)結(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的的最高效率26.63%，國(guó)內(nèi)則主要是愛旭股份在推動(dòng)N型ABC電池技術(shù)。


IBC目前大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化面臨的問題是工序多、量產(chǎn)難度大導(dǎo)致成本高。根據(jù)普樂新能源的披露，IBC電池技術(shù)的生產(chǎn)成本和產(chǎn)線投入仍然不占優(yōu)勢(shì)，非硅成本的差異主要來源于良率、銀漿成本和折舊成本，成熟的PERC電池在現(xiàn)階段還具有較為明顯的性價(jià)比。隨著TOPCon技術(shù)以及HJT技術(shù)的不斷進(jìn)步和成熟，與其相結(jié)合的TBC、HBC電池有望受益。


原標(biāo)題：IBC電池：新一代平臺(tái)型技術(shù)