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IBC電池技術的前世今生

硅基光伏電池歷經三代變化,新的技術不斷涌現推動光伏發電的性價比不斷上升。光伏電池早期以BSF(Aluminium Back Surface Field,鋁背場電池)為主要技術路線,該電池技術于1973年提出,其特點是采用鋁背場鈍化技術,理論轉換效率上限約為20%;隨著光伏產業對于發電效率的不懈追求以及PERC(Passivated Emitter and Rear Contact,發射極鈍化和背面接觸)技術的成熟,成本不斷下降,光伏電池轉向以PERC技術為主,該技術于1982年提出,其特點是采用氧化鋁局部鈍化技術,相較于BSF電池技術,PERC技術鈍化效果更優,將電池的極限效率提升至23%左右。

隨著PERC技術的成熟與不斷挖潛,逐步逼近其轉換效率的理論極限,業界開始尋求下一代技術,目前推進中的主流技術有TOPCon(Tunnel oxide passivated contact,隧穿氧化層鈍化接觸)、HJT(Heterojunction with Intrinsic Thinfilm,異質結)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的N型電池(也有技術采用P型硅片),不同點在于HJT是異質結類型的電池,是具有顛覆性的技術,對新進入廠商相對有利,TOPCon仍然是同質結電池,對存量的產線和技術積累較為友好,對行業內現有玩家較為有利。

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構來提高鈍化效果從而提高轉換效率的思路不同,IBC則是將電池正面的電極柵線全部轉移到電池背面,通過減少柵線對陽光的遮擋來提高轉換效率,主要通過結構的改變來提高轉換效率,是一種較為純粹的單面電池,這種結構可以與PERC、TOPCon、HJT、鈣鈦礦等多種技術疊加,因此有望成為新一代的平臺型技術,與TOPCon技術的疊加被稱為“TBC”電池,而與HJT技術的疊加則被稱為“HBC”電池。

IBC電池技術是指一種背結背接觸的太陽電池結構,其正負金屬電極呈叉指狀方式排列在電池背光面。由于對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+前場區FSF,利用場鈍化效應降低表面少子濃度,從而降低表面復合速率,同時還可以降低串聯電阻,提升電子傳輸能力;背表面為采用擴散方式形成的叉指狀排列的P+發射極和N++背場BSF,發射極能夠與N型硅基底形成p-n結,有效分流載流子,n+背表面場區能夠與n型硅形成高低結,增強載流子的分離能力,是IBC電池的核心技術;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合;前表面常鍍上減反射層,提高發電效率;金屬接觸部分全都在背面的正負電極接觸區域,也呈叉指狀排列。

IBC技術由SunPower提出,SunPower已成立36年,累計出貨35億片IBC電池片,擁有1000多個晶硅電池專利。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研發了IBC類似的點接觸(Point Contact Cell,PCC)太陽電池,在聚光系統下轉換效率19.7%;1985年Swanson教授創立SunPower,研發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賽冠軍;2004年,SunPower菲律賓工廠(25MW產能)規模量產第一代IBC電池,轉換效率最高21.5%,組件價格5-6美金/瓦。

雖然距離SunPower推出第一代IBC電池已經相當時間,但是初代電池奠定了該種電池技術路線基本的電池結構和工藝框架:

(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,實現良好的短路電流;

(2)背面為P區和N區的叉指狀間隔排列。電池背面制備呈叉指狀間隔排列的p+區和n+區,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射極,前表面復合損失減少;

(3)一般采用較高質量的N型硅片。由于前表面遠離背面p-n結,為了抑制前表面復合,需要更好的前表面鈍化方案,同時需要具有長擴散長度的高質量硅片(如N型硅片),以降低少數載流子在到達背結之前的復合;

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

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

SunPower不斷改進該技術來提高其性價比,大體可以分為兩個方向:(1)更簡化的制程,以及采用更低成本的工藝;(2)與更好的鈍化技術相結合。

從SunPower官網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優點,加入了隧穿氧化層(Tunnel Oxide)與多晶硅(N/P-Poly Silicon)的復合結構,并保留了銅電極工藝;從電池結構來看,量產工藝已經簡化,成本在可接受范圍,平均的轉換效率可以達到25%,第七代電池有望將平均轉換效率提高到26%的水平。

IBC獨有的結構也使其具有獨特的優勢:

(1)外形美觀。IBC電池發射區和基區的電極均處于背面,正面完全無柵線遮擋,尤其適用于光伏建筑一體化(BIPV)的應用場景以及對價格敏感度較低的家用場景,商業化前景較好。

(2)具有高轉換效率的單面結構。IBC電池正面無遮擋結構消除了柵線遮擋造成的損失,實現了入射光子的最大化利用,較常規太陽能電池短路電流可提高7%左右,正負電極都在電池背面,不必考慮柵線遮擋問題,可適當加寬柵線比例,從而降低串聯電阻,提高FF;由于正面無需考慮柵線遮光、金屬接觸等因素,可對表面鈍化及表面陷光結構進行最優化設計,得到較低的前表面復合速率和表面反射,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電池擁有了高轉換效率;但是柵線都在背面的獨特結構犧牲了電池的雙面性,無法吸收經過地面反射的陽光,因此適用于光伏建筑一體化等無法利用背面發射光的應用場景。

由于IBC電池結構具有良好的兼容性,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2017年Kaneka實驗結果,目前IBC-SHJ(HJT)電池的轉換效率最高可達到26.7%,高于TOPCon和HJT電池的實驗效率。

產業內提高IBC電池轉化效率的主要方向有:

(1)優化背電極接觸區域,降低接觸電阻;

(2)防止電池短路且性能最優,在電池背面p+和n+區域尋找合適寬度的本征區域;

(3)使用體壽命較高的n型硅片作為基體,對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。

將鈍化接觸技術與IBC相結合,研發出TBC(Tunneling oxide passivated contact Back Contact)太陽電池,也就是上文所稱的POLO-IBC;將非晶硅鈍化技術與IBC相結合,開發出HBC太陽電池,二者均是通過應用載流子選擇鈍化接觸可以抑制少數載流子在界面處的復合速度,進一步降低IBC電池的整體復合,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IBC電池的背面進行優化設計,即用P+和N+的POLY-Si作為發射極和BSF,并在POLY-Si與摻雜層之間沉積一層隧穿氧化層SiO2,使其具有更低的復合,更好的接觸,更高的轉化效率。

2018年,ISFH采用區熔法(FZ)制備的P型硅片將POLO技術應用于IBC電池,在4cm2的電池面積上獲得了26.1%的POLO-IBC太陽電池光電轉換效率,但該結構制備流程相對復雜,使用了多次光刻和自對準的工藝;為了簡化工藝,ISFH公司在P型PERC電池的技術上疊加多晶硅沉積,在常規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,采用絲網印刷和共燒結形成金屬接觸,獲得21.8%的轉換效率,該技術路徑與現有產線兼容度較高,但轉換效率較低。

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

與傳統IBC電池不同的是,HBC電池結構背面的Emitter和BSF區域為p+非晶硅和n+非晶硅層,在異質結接觸區域插入一層本征非晶硅鈍化層。

HBC電池結構能夠獲得較高轉換效率的原因在于:(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異質結結構,基于高質量的非晶硅鈍化,獲得高Voc。充分吸收了HJT電池非晶硅鈍化技術的優點。(2)高Jsc。HBC電池采用了IBC電池結構,前表面無遮光損失和減少了電阻損失,從而擁有較高的Jsc,充分結合了HJT電池技術與IBC電池結構的優點。

HBC電池主要是由Kaneka在推動,已取得較好的研發進展,2017年日本化學公司和太陽能電池制造商Kaneka通過背接觸異質結技術實現的的最高效率26.63%,國內則主要是愛旭股份在推動N型ABC電池技術。

IBC目前大規模產業化面臨的問題是工序多、量產難度大導致成本高。根據普樂新能源的披露,IBC電池技術的生產成本和產線投入仍然不占優勢,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電池在現階段還具有較為明顯的性價比。隨著TOPCon技術以及HJT技術的不斷進步和成熟,與其相結合的TBC、HBC電池有望受益。

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