IBC电池——光伏效率王者
发布日期：2022/10/9
电池技术迭代驱动光伏降本增效，N型电池步入产业化元年。
当前P型PERC电池效率平均23%以上迫近其瓶颈，且电池环节盈利能力较差，亟待发展下一代高效电池技术，目前主流的TOPCON、HJT、IBC等电池均具备较好发展前景。三者之中，TOPCON现阶段成本相对较低，未来效率具备潜力，且可基于现有庞大产能改造，头部企业将会持续探索，明年将迎来产业化量产元年。HJT电池参数性能最优、降本增效路径最为清晰，较大概率成为下一代主流技术。但考虑到HJT降本仍需上下游、供应商全产业链的配套，渗透率提升还将循序渐进，预计未来3年TOPCON将会与HJT并存。而IBC电池具备最高的转化效率，并可叠加工艺继续扩大优势，预计技术领先的企业也会布局。
TOPCON挖掘现有产线生命周期，工艺优化持续推进。
TOPCON的核心优势在于可基于现有PERC产线升级改造，且在高效电池技术中非硅成本相对较低，国内PERC产能60%可改造为TOPCON，因此面临大规模折旧计提压力，改造成TOPCON是拉长设备应用周期较优选择。
TOPCON量产难点在于良率相对较低，但目前头部电池组件已提升至接近PERC水平，并有望于2022年实现大规模量产。建议关注主材企业：隆基股份、中来股份、天合光能、晶澳科技；设备企业：奥特维、连城数控（拉普拉斯）。
HJT性能优异降本清晰，有望成为下一代主流技术。
HJT电池优势一方面体现在其高转化效率，有效降低发电端成本；更重要的是，考虑到衰减率低、双面率高、温度系数低、弱光效应等诸多优势，HJT双面电池相较于PERC全生命周期每W发电量高5~11.8%。随着硅片、非硅、产能成本持续降低，我们预计2022、2023年底HJT成本可达到0.79、0.68元/W，其中2022年与TOPCON成本相当，2023年与PERC成本相当。建议关注主材企业：东方日升、金刚玻璃；设备企业：迈为股份、捷佳伟创、金辰股份、京山轻机（晟成光伏） 、高测股份。
IBC技术难度及成本极高，叠加工艺具备潜力。
IBC电池由于其叉指式背接触的优良结构，早期效率就超过了25%。但IBC也是商业化晶体硅电池中工艺更复杂、结构难度更大、成本更高的技术，短期量产存在一定难度。但由于可以与HJT/TOPCON电池技术相结合，制备HBC/POLO-IBC电池，能够继续提升效率至26%以上，代表晶硅电池最高效率水平，在特定应用场景具备较强优势，需要继续关注产业化进程。建议关注主材企业：爱旭股份；设备企业：帝尔激光。
IBC电池介绍
IBC（Interdigitated back contact指交叉背接触）电池是指正负金属电极呈叉指状方式排列在电池背光面的一种背结背接触的太阳电池结构，它的p-n结位于电池背面，电流属于二维传输模型。MWT、EWT也属于背接触太阳电池，但因其p-n结位于电池正面，故称之为前结背接触太阳电池。
IBC电池的结构如图1，一般以n型硅作为基底，前表面是n+的前场区FSF，背表面为叉指状排列的p+发射极Emitter和n+背场BSF。前后表面均采用SiO2/SiNx叠层膜作为钝化层。正面无金属接触，背面的正负电极接触区域也呈叉指状排列。
IBC电池的结构如图1，一般以n型硅作为基底，前表面是n+的前场区FSF，背表面为叉指状排列的p+发射极Emitter和n+背场BSF。前后表面均采用SiO2/SiNx叠层膜作为钝化层。正面无金属接触，背面的正负电极接触区域也呈叉指状排列。
FSF的作用是利用场钝化效应降低表面少子浓度，从而降低表面复合速率，同时还可以降低串联电阻，提升电子传输能力，可通过磷扩散或离子注入等技术形成；背面Emitter的作用是与n型硅基底形成p-n结，有效地分离载流子，可以通过硼扩散或旋涂的方式制备；背面BSF主要是与n型硅形成高低结，诱导形成p-n结，增强载流子的分离能力，可通过磷扩散或离子注入形成；背面p/n交替的叉指状结构的形成是IBC电池的技术核心，可通过光刻、掩膜、激光等方法实现。
▲图1. IBC电池结构示意图[1]
1.2 IBC电池发展过程
1975年Schwartz等人提出了背接触的概念，之后经过多年的研究发展，人们研发出了指交叉式的IBC太阳电池，最初此类电池主要应用于聚光系统。1984年，Swanson等人报道了与IBC类似的点接触(Point Contact Cell, PCC)太阳电池，并在88倍聚光系统下得到19.7%的转换效率，与正常IBC电池相比，工艺过程更为复杂，不易大规模推广。第二年，Verlinden等人在标准光照下，制备出效率21%的IBC太阳电池。
1997年，SunPower公司和斯坦福大学开发的IBC电池，在1个光照下得到23.2%的转换效率。2004年，SunPower公司采用点接触和丝网印刷技术研发出第一代大面积(149cm2)的IBC电池A-300，电池效率为21.5%。2007年，SunPower公司经过对原有A-300 IBC电池工艺的优化和改进，研发出可量产的平均效率22.4%的第二代IBC电池。2014年，SunPower公司在n型CZ硅片上制备的第三代IBC太阳电池，最高效率达到25.2%。
效率提升历程
IBC电池最早是由Lammert和Schwartz在1975年提出了这种概念，最初应用在高聚光系统中。经过近四十年的发展，IBC电池在一个太阳标准测试条件下的转换效率已达到25%，远远超过其它所有的单结晶硅太阳电池。
最早实现量产IBC电池的是美国SunPower公司，它是产业化的领导者，2014年美国SunPower公司就持有了年产能1.2GW的IBC电池，包括年产能100MW的第三代高效IBC电池生产线。该线生产的电池平均效率已高达23.62%。
另外，日本的研发人员将IBC与异质结（HJ）技术相结合，在2014年将晶体硅电池的效率突破到25%以上。其中日本Sharp和Panasonic公司将IBC与HJ技术结合在一起，研发的晶硅多结电池效率分别达到25.1%和25.6%。
看到IBC电池技术开始占领光伏市场，越来越多的光伏企业对IBC电池技术的研发进行投入，如天合、晶澳、海润等。2013年，海润光伏研发的IBC电池效率达到19.6%。
2011年，天合光能也加入了该项技术的研发之中，与新加坡太阳能研究所及澳大利亚国立大学建立合作研究开发低成本可产业化的IBC电池技术和工艺。2012年，天合光能承担了国家863计划quot效率20%以上低成本晶体硅电池产业化成套关键技术研究及示范生产线quot，展开了对IBC电池技术的系统研发。
经过科研人员的不懈努力，2014年，澳大利亚国立大学（ANU）与常州天合光能有限公司合作研发的小面积IBC电池效率达24.4%，创下了当时IBC结构的电池效率的世界纪录。
此外，常州天合光能光伏科学与技术国家重点实验室还独立研发的6英寸大面积IBC电池，效率达到22.9%，成为6英寸IBC电池的最高转换效率。之后，天合光能依托国家863项目建成中试生产线，采用最新开发的工艺，15次打破IBC电池的世界纪录。
另外，2016年6月澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）使用天合光能的IBC高效电池再次打破光伏电池的能效记录，将太阳能转换效率提升到了惊人的34.5%，震惊业内。
技术特色：
IBC电池发射区和基区的电极均处于背面，正面完全无栅线遮挡，因为这种特殊的结构设计，使它具有以下优势：
1） 电池正面无栅线遮挡，可消除金属电极的遮光电流损失，实现入射光子的最大利用化，较常规太阳电池短路电流可提高7%左右；
2）正负电极都在电池背面，不必考虑栅线遮挡问题，可适当加宽栅线比例，从而降低串联电阻，提高FF；
3） 由于正面不用考虑栅线遮光、金属接触等因素，可对表面钝化及表面陷光结构进行最优化的设计，可得到较低的前表面复合速率和表面反射，从而提高Voc和Jsc；
4）外形美观，尤其适用于光伏建筑一体化，具有较好的商业化前景；
技术难点：
虽然IBC电池存在很多优点，但同时它也面临很多挑战：
1）对基体材料要求较高，需要较高的少子寿命。因为IBC电池属于背结电池，为使光生载流子在到达背面p-n结前尽可能少的或完全不被复合掉，就需要较高的少子扩散长度。
2）IBC电池对前表面的钝化要求较高。如果前表面复合较高，光生载流子在未到达背面p-n结区之前，已被复合掉，将会大幅降低电池转换效率。
3）工艺过程复杂。背面指交叉状的p区和n区在制作过程中，需要多次的掩膜和光刻技术，为了防止漏电，p区和n区之间的gap区域也需非常精准，这无疑都增加了工艺难度。
4）IBC复杂的工艺步骤使其制作成本远高于传统晶体硅电池。
IBC电池技术优势
光伏技术竞争的核心是什么？答案是提高转化效率！不管是那种技术，首先转化效率才是决胜未来的根本。
过去几年，无论单晶还是多晶电池，都保持了每年约0.3%～0.4%的效率提升。目前，我国光伏设备行业已经全面进入拼质量、拼效率的时代，转换效率的提升已经非常之难，每零点几个百分点的提升都需要极大的技术突破。
IBC电池最大的特点是PN结和金属接触都处于电池的背面，正面没有金属电极遮挡的影响，因此具有更高的短路电流Jsc，同时背面可以容许较宽的金属栅线来降低串联电阻Rs从而提高填充因子FF；加上电池前表面场（FrontSurfaceField,FSF）以及良好钝化作用带来的开路电压增益，使得这种正面无遮挡的电池就拥有了高转换效率。
IBC电池的工艺技术
较之传统太阳电池，IBC电池的工艺流程要复杂得多。IBC电池工艺的关键问题，是如何在电池背面制备出呈叉指状间隔排列的P区和N区，以及在其上面分别形成金属化接触和栅线。
1.掩膜法
IBC电池的工艺有很多种，常见的定域掺杂的方法包括掩膜法，可以通过光刻的方法在掩膜上形成需要的图形，这种方法的成本高，不适合大规模生产。不过通过丝网印刷刻蚀浆料或者阻挡型浆料来刻蚀或者挡住不需要刻蚀的部分掩膜，形成需要的图形，这种方法成本较低，需要两步单独的扩散过程来分别形成P型区和N型区。
另外，还可以直接在掩膜中掺入所需要掺杂的杂质源（硼或磷源），一般可以通过化学气相沉积的方法来形成掺杂的掩膜层。这样在后续就只需要经过高温将杂质源扩散到硅片内部即可，从而节省一步高温过程。
而且，也可在电池背面印刷一层含硼的叉指状扩散掩蔽层，掩蔽层上的硼经扩散后进入N型衬底形成P+区，而未印刷掩膜层的区域，经磷扩散后形成N+区。
不过，丝网印刷方法本身的局限性，如对准的精度问题，印刷重复性问题等，给电池结构设计提出了一定的要求，在一定的参数条件下，较小的PN间距和金属接触面积能带来电池效率的提升，因此，丝网印刷的方法，需在工艺重复可靠性和电池效率之间找到平衡点。
此外，激光也是解决丝网印刷局限性的一条途径。无论是间接刻蚀掩膜，还是直接刻蚀，激光的方法都可以得到比丝网印刷更加细小的电池单位结构，更小的金属接触开孔和更灵活的设计。
离子注入也从半导体工业转移到了光伏工业上，离子注入的最大优点是可以精确地控制掺杂浓度，从而避免了炉管扩散中存在的扩散死层。通过掩膜可以形成选择性的离子注入掺杂。离子注入后，需要进行一步高温退火过程来将杂质激活并推进到硅片内部，同时修复由于高能离子注入所引起的硅片表面晶格损伤。所以，离子注入技术的量产化导入的关键是设备和运行成本。
2.表面钝化技术
对于晶体硅太阳电池，前表面的光学特性和复合至关重要。对于IBC高效电池而言，更好的光学损失分析和光学减反设计显得尤其重要。在电学方面，和常规电池相比，IBC电池的性能受前表面的影响更大，因为大部分的光生载流子在入射面产生，而这些载流子需要从前表面流动到电池背面直到接触电极，因此，需要更好的表面钝化来减少载流子的复合。
为了降低载流子的复合，需要对电池表面进行钝化，表面钝化可以降低表面态密度，通常有化学钝化和场钝化的方式。化学钝化中应用较多的是氢钝化，比如SiNx薄膜中的H键，在热的作用下进入硅中，中和表面的悬挂键，钝化缺陷。
其中，场钝化是利用薄膜中的固定正电荷或负电荷对少数载流子的屏蔽作用，比如带正电的SiNx薄膜，会吸引带负电的电子到达界面，在N型硅中，少数载流子是空穴，薄膜中的正电荷对空穴具有排斥作用，从而阻止了空穴到达表面而被复合。
因此，带正电的薄膜如SiNx较适合用于IBC电池的N型硅前表面的钝化。而对于电池背表面，由于同时有P，N两种扩散，理想的钝化膜则是能同时钝化P,N两种扩散界面，二氧化硅是一个较理想的选择。如果背面Emitter/P+硅占的比例较大，带负电的薄膜如AlOx也是一个不错的选择。
3.金属栅线
IBC电池的栅线都在背面，不需要考虑遮光，所以可以更加灵活地设计栅线，降低串联电阻。但是，由于IBC电池的正表面没有金属栅线的遮挡，电流密度较大，在背面的接触和栅线上的外部串联电阻损失也较大。金属接触区的复合通常都较大，所以在一定范围内接触区的比例越小，复合就越少，从而导致Voc越高。因此，IBC电池的金属化之前一般要涉及到打开接触孔/线的步骤。
另外，N和P的接触孔区需要与各自的扩散区对准，否则会造成电池漏电失效。与形成交替相间的扩散区的方法相同，可以通过丝网印刷刻蚀浆料、湿法刻蚀或者激光等方法来将接触区的钝化膜去除，形成接触区。
而且，蒸镀和电镀也被应用于高效电池的金属化。例如，ANU公司的24.4%的IBC电池即采用蒸镀Al的方法来形成金属接触。而SunPower公司则是采用电镀Cu来形成电极。由于金属浆料一般含有贵金属银，不但成本高，且银的自然资源远不如其他金属丰富，虽然目前还不至于成为太阳电池产业发展的瓶颈，但寻找更低廉、性能更优异的金属化手段也是太阳电池的一大研究热点。
IBC电池技术的过去、现在与未来
不过，IBC电池虽然转换效率高，与常规电池相比也更具有优越的实际发电能力。但其制造工艺复杂、使用的N型高质量单晶硅片成本较高，使得其技术门槛高、制造成本高。
目前，IBC电池成本是普通电池成本的2倍左右，这制约了IBC电池的大规模应用。随着中国一线光伏制造商的进入，以及新型工艺和新型材料的开发，IBC电池将沿着提高电池转换效率，降低电池制造成本的方向继续向前发展。IBC太阳电池的商业化应用和推广，有着广泛的前景。
IBC电池的未来发展主要有两个方面：
1）IBC电池的效率提升；2）IBC电池的产业化发展。
对于IBC电池效率的提升，可以从以下几个方面考虑：（1）优化背电极接触区域，降低接触电阻；（2）为防止电池短路且性能最优，需在电池背面p+和n+区域寻找合适宽度的本征区域；（3）使用体寿命较高的n型硅片作为基体，对其前后表面制备良好的钝化层，保持较高的少子寿命；（4）背面钝化层的引入需考虑背反射器的作用。同时为了进一步降低IBC电池的整体复合，已经有研究报道将钝化接触技术与IBC相结合，研发出TBC（Tunneling oxide passivated contact Back Contact）太阳电池；也有将非晶硅钝化技术与IBC相结合，开发出HBC太阳电池。
TBC电池主要是通过对传统IBC电池的背面进行优化设计，即用p+和n+的POLY-Si作为Emitter和BSF，并在POLY-Si与掺杂层之间沉积一层隧穿氧化层SiO2，使其具有更低的复合，更好的接触，更高的转化效率。目前已有报道出TBC电池转换效率可达26%以上。同时，Paul Procel等人也对此种电池结构进行了详细的模拟分析。
▲图4. 中来光电TBC电池结构示意图
HBC电池也已取得较好的研发进展，在2017年已经得到26.6%的世界记录效率。其Voc可以达到0.740V，Jsc达到42.5 mA/cm2，FF达84.6%。而对于晶体硅太阳电池，Jsc的理论极限是43mA/cm2。HBC电池结构如图4所示，与传统IBC电池不同的是，背面的emitter和BSF区域为p+非晶硅和n+非晶硅层，在异质结接触区域插入一层本征非晶硅钝化层。对比表1数据，IBC与非晶硅钝化技术的结合无疑是未来IBC电池效率提升的方向。
▲图5. 26.6%效率的HBC电池结构示意图[3]
精简工艺步骤、降低制造成本，是实现IBC电池产业化的关键因素。比如，在IBC电池的制作过程中，可用丝网印刷、激光等目前主流晶体硅的技术代替光刻、电镀等高成本的贵族技术；同时，通过开发配套工艺和设备升级改造，以最小代价实现与目前规模化的生产线兼容的IBC工艺路线。中来光电就是通过对原有n-PERT线的升级改造，实现了IBC电池的产业化。并且在后期的量产过程中，也会继续优化工艺， 以获得更低的制造成本。
来源：AIOT大数据
