光伏技術(shù)競爭的核心是什么？答案是提高轉(zhuǎn)化效率！

光伏技術(shù)競爭上，各家公司是你追我趕、用盡全力，到底什么樣的技術(shù)才是決定未來的先進(jìn)技術(shù)呢？有人說PERC電池技術(shù)，也有人說是IBC電池技術(shù)，還有人說MWT組件技術(shù)......但是不管是那種技術(shù)，首先轉(zhuǎn)化效率才是決勝未來的根本。

過去幾年，無論單晶還是多晶電池，都保持了每年約0.3%～0.4%的效率提升。目前，我國光伏設(shè)備行業(yè)已經(jīng)全面進(jìn)入拼質(zhì)量、拼效率的時代，轉(zhuǎn)換效率的提升已經(jīng)非常之難，每零點幾個百分點的提升都需要極大的技術(shù)突破。

在各種領(lǐng)先的技術(shù)中，IBC電池是不得不提到的一項。目前在這項技術(shù)研究中，天合光能取得的成績最為領(lǐng)先。

2016年4月26日，天合光能光伏科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室宣布，經(jīng)第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)JET獨立測試，以23.5%的光電轉(zhuǎn)換效率創(chuàng)造了156156mmsup2大面積N型單晶硅IBC電池的世界紀(jì)錄。公司已15次打破IBC電池的世界紀(jì)錄。

IBC電池技術(shù)到底牛在哪里？我們特別將IBC電池的結(jié)構(gòu)原理、工藝技術(shù)以及發(fā)展?fàn)顩r做了細(xì)致的梳理。

IBC電池的原理及特點

IBC電池（全背電極接觸晶硅光伏電池）是將正負(fù)兩極金屬接觸均移到電池片背面的技術(shù)，使面朝太陽的電池片正面呈全黑色，完全看不到多數(shù)光伏電池正面呈現(xiàn)的金屬線。這不僅為使用者帶來更多有效發(fā)電面積，也有利于提升發(fā)電效率，外觀上也更加美觀。

IBC電池最大的特點是PN結(jié)和金屬接觸都處于電池的背面，正面沒有金屬電極遮擋的影響，因此具有更高的短路電流Jsc，同時背面可以容許較寬的金屬柵線來降低串聯(lián)電阻Rs從而提高填充因子FF；加上電池前表面場（FrontSurfaceField,FSF）以及良好鈍化作用帶來的開路電壓增益，使得這種正面無遮擋的電池就擁有了高轉(zhuǎn)換效率。

IBC電池的工藝技術(shù)

較之傳統(tǒng)太陽電池，IBC電池的工藝流程要復(fù)雜得多。IBC電池工藝的關(guān)鍵問題，是如何在電池背面制備出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。

1.掩膜法

IBC電池的工藝有很多種，常見的定域摻雜的方法包括掩膜法，可以通過光刻的方法在掩膜上形成需要的圖形，這種方法的成本高，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。不過通過絲網(wǎng)印刷刻蝕漿料或者阻擋型漿料來刻蝕或者擋住不需要刻蝕的部分掩膜，形成需要的圖形，這種方法成本較低，需要兩步單獨的擴(kuò)散過程來分別形成P型區(qū)和N型區(qū)。

另外，還可以直接在掩膜中摻入所需要摻雜的雜質(zhì)源（硼或磷源），一般可以通過化學(xué)氣相沉積的方法來形成摻雜的掩膜層。這樣在后續(xù)就只需要經(jīng)過高溫將雜質(zhì)源擴(kuò)散到硅片內(nèi)部即可，從而節(jié)省一步高溫過程。

而且，也可在電池背面印刷一層含硼的叉指狀擴(kuò)散掩蔽層，掩蔽層上的硼經(jīng)擴(kuò)散后進(jìn)入N型襯底形成P+區(qū)，而未印刷掩膜層的區(qū)域，經(jīng)磷擴(kuò)散后形成N+區(qū)。

不過，絲網(wǎng)印刷方法本身的局限性，如對準(zhǔn)的精度問題，印刷重復(fù)性問題等，給電池結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了一定的要求，在一定的參數(shù)條件下，較小的PN間距和金屬接觸面積能帶來電池效率的提升，因此，絲網(wǎng)印刷的方法，需在工藝重復(fù)可靠性和電池效率之間找到平衡點。

此外，激光也是解決絲網(wǎng)印刷局限性的一條途徑。無論是間接刻蝕掩膜，還是直接刻蝕，激光的方法都可以得到比絲網(wǎng)印刷更加細(xì)小的電池單位結(jié)構(gòu)，更小的金屬接觸開孔和更靈活的設(shè)計。

離子注入也從半導(dǎo)體工業(yè)轉(zhuǎn)移到了光伏工業(yè)上，離子注入的最大優(yōu)點是可以精確地控制摻雜濃度，從而避免了爐管擴(kuò)散中存在的擴(kuò)散死層。通過掩膜可以形成選擇性的離子注入摻雜。離子注入后，需要進(jìn)行一步高溫退火過程來將雜質(zhì)激活并推進(jìn)到硅片內(nèi)部，同時修復(fù)由于高能離子注入所引起的硅片表面晶格損傷。所以，離子注入技術(shù)的量產(chǎn)化導(dǎo)入的關(guān)鍵是設(shè)備和運行成本。

2.表面鈍化技術(shù)

對于晶體硅太陽電池，前表面的光學(xué)特性和復(fù)合至關(guān)重要。對于IBC高效電池而言，更好的光學(xué)損失分析和光學(xué)減反設(shè)計顯得尤其重要。在電學(xué)方面，和常規(guī)電池相比，IBC電池的性能受前表面的影響更大，因為大部分的光生載流子在入射面產(chǎn)生，而這些載流子需要從前表面流動到電池背面直到接觸電極，因此，需要更好的表面鈍化來減少載流子的復(fù)合。

為了降低載流子的復(fù)合，需要對電池表面進(jìn)行鈍化，表面鈍化可以降低表面態(tài)密度，通常有化學(xué)鈍化和場鈍化的方式。化學(xué)鈍化中應(yīng)用較多的是氫鈍化，比如SiNx薄膜中的H鍵，在熱的作用下進(jìn)入硅中，中和表面的懸掛鍵，鈍化缺陷。

其中，場鈍化是利用薄膜中的固定正電荷或負(fù)電荷對少數(shù)載流子的屏蔽作用，比如帶正電的SiNx薄膜，會吸引帶負(fù)電的電子到達(dá)界面，在N型硅中，少數(shù)載流子是空穴，薄膜中的正電荷對空穴具有排斥作用，從而阻止了空穴到達(dá)表面而被復(fù)合。

因此，帶正電的薄膜如SiNx較適合用于IBC電池的N型硅前表面的鈍化。而對于電池背表面，由于同時有P，N兩種擴(kuò)散，理想的鈍化膜則是能同時鈍化P,N兩種擴(kuò)散界面，二氧化硅是一個較理想的選擇。如果背面Emitter/P+硅占的比例較大，帶負(fù)電的薄膜如AlOx也是一個不錯的選擇。

3.金屬柵線

IBC電池的柵線都在背面，不需要考慮遮光，所以可以更加靈活地設(shè)計柵線，降低串聯(lián)電阻。但是，由于IBC電池的正表面沒有金屬柵線的遮擋，電流密度較大，在背面的接觸和柵線上的外部串聯(lián)電阻損失也較大。金屬接觸區(qū)的復(fù)合通常都較大，所以在一定范圍內(nèi)接觸區(qū)的比例越小，復(fù)合就越少，從而導(dǎo)致Voc越高。因此，IBC電池的金屬化之前一般要涉及到打開接觸孔/線的步驟。

另外，N和P的接觸孔區(qū)需要與各自的擴(kuò)散區(qū)對準(zhǔn)，否則會造成電池漏電失效。與形成交替相間的擴(kuò)散區(qū)的方法相同，可以通過絲網(wǎng)印刷刻蝕漿料、濕法刻蝕或者激光等方法來將接觸區(qū)的鈍化膜去除，形成接觸區(qū)。

而且，蒸鍍和電鍍也被應(yīng)用于高效電池的金屬化。例如，ANU公司的24.4%的IBC電池即采用蒸鍍Al的方法來形成金屬接觸。而SunPower公司則是采用電鍍Cu來形成電極。由于金屬漿料一般含有貴金屬銀，不但成本高，且銀的自然資源遠(yuǎn)不如其他金屬豐富，雖然目前還不至于成為太陽電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，但尋找更低廉、性能更優(yōu)異的金屬化手段也是太陽電池的一大研究熱點。

IBC電池技術(shù)的過去、現(xiàn)在與未來

IBC電池技術(shù)這么牛，是怎么一步步發(fā)展到現(xiàn)在的？

IBC電池最早是由Lammert和Schwartz在1975年提出了這種概念，最初應(yīng)用在高聚光系統(tǒng)中。經(jīng)過近四十年的發(fā)展，IBC電池在一個太陽標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到25%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其它所有的單結(jié)晶硅太陽電池。

最早實現(xiàn)量產(chǎn)IBC電池的是美國SunPower公司，它是產(chǎn)業(yè)化的領(lǐng)導(dǎo)者，2014年美國SunPower公司就持有了年產(chǎn)能1.2GW的IBC電池，包括年產(chǎn)能100MW的第三代高效IBC電池生產(chǎn)線。該線生產(chǎn)的電池平均效率已高達(dá)23.62%。

另外，日本的研發(fā)人員將IBC與異質(zhì)結(jié)（HJ）技術(shù)相結(jié)合，在2014年將晶體硅電池的效率突破到25%以上。其中日本Sharp和Panasonic公司將IBC與HJ技術(shù)結(jié)合在一起，研發(fā)的晶硅多結(jié)電池效率分別達(dá)到25.1%和25.6%。

看到IBC電池技術(shù)開始占領(lǐng)光伏市場，越來越多的光伏企業(yè)對IBC電池技術(shù)的研發(fā)進(jìn)行投入，如天合、晶澳、海潤等。2013年，海潤光伏研發(fā)的IBC電池效率達(dá)到19.6%。

2011年，天合光能也加入了該項技術(shù)的研發(fā)之中，與新加坡太陽能研究所及澳大利亞國立大學(xué)建立合作研究開發(fā)低成本可產(chǎn)業(yè)化的IBC電池技術(shù)和工藝。2012年，天合光能承擔(dān)了國家863計劃quot效率20%以上低成本晶體硅電池產(chǎn)業(yè)化成套關(guān)鍵技術(shù)研究及示范生產(chǎn)線quot，展開了對IBC電池技術(shù)的系統(tǒng)研發(fā)。

經(jīng)過科研人員的不懈努力，2014年，澳大利亞國立大學(xué)（ANU）與常州天合光能有限公司合作研發(fā)的小面積IBC電池效率達(dá)24.4%，創(chuàng)下了當(dāng)時IBC結(jié)構(gòu)的電池效率的世界紀(jì)錄。

此外，常州天合光能光伏科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室還獨立研發(fā)的6英寸大面積IBC電池，效率達(dá)到22.9%，成為6英寸IBC電池的最高轉(zhuǎn)換效率。之后，天合光能依托國家863項目建成中試生產(chǎn)線，采用最新開發(fā)的工藝，15次打破IBC電池的世界紀(jì)錄。

另外，2016年6月澳大利亞新南威爾士大學(xué)（UNSW）使用天合光能的IBC高效電池再次打破光伏電池的能效記錄，將太陽能轉(zhuǎn)換效率提升到了驚人的34.5%，震驚業(yè)內(nèi)。

不過，IBC電池雖然轉(zhuǎn)換效率高，與常規(guī)電池相比也更具有優(yōu)越的實際發(fā)電能力。但其制造工藝復(fù)雜、使用的N型高質(zhì)量單晶硅片成本較高，使得其技術(shù)門檻高、制造成本高。

目前，IBC電池成本是普通電池成本的2倍左右，這制約了IBC電池的大規(guī)模應(yīng)用。隨著中國一線光伏制造商的進(jìn)入，以及新型工藝和新型材料的開發(fā)，IBC電池將沿著提高電池轉(zhuǎn)換效率，降低電池制造成本的方向繼續(xù)向前發(fā)展。IBC太陽電池的商業(yè)化應(yīng)用和推廣，有著廣泛的前景。（作者/永智）