中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：光伏技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的核心是什么？答案是提高轉(zhuǎn)化效率！
光伏技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)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(lái)的先進(jìn)技術(shù)呢？有人說(shuō)PERC電池技術(shù)，也有人說(shuō)是IBC電池技術(shù)，還有人說(shuō)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(lái)的根本。
過(guò)去幾年，無(wú)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(guó)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(shí)代，轉(zhuǎn)換效率的提升已經(jīng)非常之難，每零點(diǎn)幾個(gè)百分點(diǎn)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(xiàng)。目前在這項(xiàng)技術(shù)研究中，天合光能取得的成績(jī)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室宣布，經(jīng)第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)JET獨(dú)立測(cè)試，以23.5%的光電轉(zhuǎn)換效率創(chuàng)造了156×156 mm2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(diǎn)
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(yáng)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(lái)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(diǎn)是PN結(jié)和金屬接觸都處于電池的背面，正面沒(méi)有金屬電極遮擋的影響，因此具有更高的短路電流Jsc，同時(shí)背面可以容許較寬的金屬柵線來(lái)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(chǎng)（Front Surface Field,FSF）以及良好鈍化作用帶來(lái)的開(kāi)路電壓增益，使得這種正面無(wú)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(yáng)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(wèn)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(jiàn)的定域摻雜的方法包括掩膜法，可以通過(guò)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(guò)通過(guò)絲網(wǎng)印刷刻蝕漿料或者阻擋型漿料來(lái)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(dú)的擴(kuò)散過(guò)程來(lái)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(guò)化學(xué)氣相沉積的方法來(lái)形成摻雜的掩膜層。這樣在后續(xù)就只需要經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)，絲網(wǎng)印刷方法本身的局限性，如對(duì)準(zhǔn)的精度問(wèn)題，印刷重復(fù)性問(wèn)題等，給電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(lái)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(diǎn)。
此外，激光也是解決絲網(wǎng)印刷局限性的一條途徑。無(wú)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(kāi)孔和更靈活的設(shè)計(jì)。
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(diǎn)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(guò)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(guò)程來(lái)將雜質(zhì)激活并推進(jìn)到硅片內(nèi)部，同時(shí)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(yùn)行成本。
2.表面鈍化技術(shù)
對(duì)于晶體硅太陽(yáng)電池，前表面的光學(xué)特性和復(fù)合至關(guān)重要。對(duì)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(jì)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?yàn)榇蟛糠值墓馍d流子在入射面產(chǎn)生，而這些載流子需要從前表面流動(dòng)到電池背面直到接觸電極，因此，需要更好的表面鈍化來(lái)減少載流子的復(fù)合。
為了降低載流子的復(fù)合，需要對(duì)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(chǎng)鈍化的方式?；瘜W(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(chǎng)鈍化是利用薄膜中的固定正電荷或負(fù)電荷對(duì)少數(shù)載流子的屏蔽作用，比如帶正電的SiNx薄膜，會(huì)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(duì)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(duì)于電池背表面，由于同時(shí)有P，N兩種擴(kuò)散，理想的鈍化膜則是能同時(shí)鈍化P,N兩種擴(kuò)散界面，二氧化硅是一個(gè)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(gè)不錯(cuò)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(jì)柵線，降低串聯(lián)電阻。但是，由于IBC電池的正表面沒(méi)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(kāi)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(duì)準(zhǔn)，否則會(huì)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(guò)絲網(wǎng)印刷刻蝕漿料、濕法刻蝕或者激光等方法來(lái)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(lái)形成金屬接觸。而SunPower公司則是采用電鍍Cu來(lái)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(yáng)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(yáng)電池的一大研究熱點(diǎn)。
IBC電池技術(shù)的過(guò)去、現(xiàn)在與未來(lái)
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(guò)近四十年的發(fā)展，IBC電池在一個(gè)太陽(yáng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到25%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其它所有的單結(jié)晶硅太陽(yáng)電池。
最早實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)IBC電池的是美國(guó)SunPower公司，它是產(chǎn)業(yè)化的領(lǐng)導(dǎo)者，2014年美國(guó)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(kāi)始占領(lǐng)光伏市場(chǎng)，越來(lái)越多的光伏企業(yè)對(duì)IBC電池技術(shù)的研發(fā)進(jìn)行投入，如天合、晶澳、海潤(rùn)等。2013年，海潤(rùn)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(xiàng)技術(shù)的研發(fā)之中，與新加坡太陽(yáng)能研究所及澳大利亞國(guó)立大學(xué)建立合作研究開(kāi)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(guó)家863計(jì)劃"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"，展開(kāi)了對(duì)IBC電池技術(shù)的系統(tǒng)研發(fā)。
經(jīng)過(guò)科研人員的不懈努力，2014年，澳大利亞國(guó)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(shí)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室還獨(dú)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(guó)家863項(xiàng)目建成中試生產(chǎn)線，采用最新開(kāi)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(yáng)能轉(zhuǎn)換效率提升到了驚人的34.5%，震驚業(yè)內(nèi)。
不過(guò)，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(shí)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(mén)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(guó)一線光伏制造商的進(jìn)入，以及新型工藝和新型材料的開(kāi)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(yáng)電池的商業(yè)化應(yīng)用和推廣，有著廣泛的前景。
