電池技術(shù)迭代驅(qū)動光伏降本增效，N型電池步入產(chǎn)業(yè)化元年。

當(dāng)前P型PERC電池效率平均2* %以上迫近其瓶頸，且電池環(huán)節(jié)盈利能力較差，亟待發(fā)展下一代高效電池技術(shù)，目前主流的TOPCON、HJT、IBC等電池均具備較好發(fā)展前景。三者之中，TOPCON現(xiàn)階段成本相對較低，未來效率具備潛力，且可基于現(xiàn)有龐大產(chǎn)能改造，頭部企業(yè)將會持續(xù)探索，明年將迎來產(chǎn)業(yè)化量產(chǎn)元年。HJT電池參數(shù)性能最優(yōu)、降本增效路徑最為清晰，較大概率成為下一代主流技術(shù)。但考慮到HJT降本仍需上下游、供應(yīng)商全產(chǎn)業(yè)鏈的配套，滲透率提升還將循序漸進(jìn)，預(yù)計未來* 年TOPCON將會與HJT并存。而IBC電池具備最高的轉(zhuǎn)化效率，并可疊加工藝?yán)^續(xù)擴(kuò)大優(yōu)勢，預(yù)計技術(shù)領(lǐng)先的企業(yè)也會布局。

TOPCON挖掘現(xiàn)有產(chǎn)線生命周期，工藝優(yōu)化持續(xù)推進(jìn)。

TOPCON的核心優(yōu)勢在于可基于現(xiàn)有PERC產(chǎn)線升級改造，且在高效電池技術(shù)中非硅成本相對較低，國內(nèi)PERC產(chǎn)能* 0%可改造為TOPCON，因此面臨大規(guī)模折舊計提壓力，改造成TOPCON是拉長設(shè)備應(yīng)用周期較優(yōu)選擇。TOPCON量產(chǎn)難點在于良率相對較低，但目前頭部電池組件已提升至接近PERC水平，并有望于2022年實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。建議關(guān)注主材企業(yè)：隆基股份、中來股份、天合光能、晶澳科技；設(shè)備企業(yè)：奧特維、連城數(shù)控（拉普拉斯）。

HJT性能優(yōu)異降本清晰，有望成為下一代主流技術(shù)。

HJT電池優(yōu)勢一方面體現(xiàn)在其高轉(zhuǎn)化效率，有效降低發(fā)電端成本；更重要的是，考慮到衰減率低、雙面率高、溫度系數(shù)低、弱光效應(yīng)等諸多優(yōu)勢，HJT雙面電池相較于PERC全生命周期每W發(fā)電量高* ~11.* %。隨著硅片、非硅、產(chǎn)能成本持續(xù)降低，我們預(yù)計2022、202* 年底HJT成本可達(dá)到0.79、0.* * 元/W，其中2022年與TOPCON成本相當(dāng)，202* 年與PERC成本相當(dāng)。建議關(guān)注主材企業(yè)：東方日升、金剛玻璃；設(shè)備企業(yè)：邁為股份、捷佳偉創(chuàng)、金辰股份、京山輕機(jī)（晟成光伏） 、高測股份。

IBC技術(shù)難度及成本極高，疊加工藝具備潛力。

IBC電池由于其叉指式背接觸的優(yōu)良結(jié)構(gòu)，早期效率就超過了2* %。但I(xiàn)BC也是商業(yè)化晶體硅電池中工藝更復(fù)雜、結(jié)構(gòu)難度更大、成本更高的技術(shù)，短期量產(chǎn)存在一定難度。但由于可以與HJT/TOPCON電池技術(shù)相結(jié)合，制備HBC/POLO-IBC電池，能夠繼續(xù)提升效率至2* %以上，代表晶硅電池最高效率水平，在特定應(yīng)用場景具備較強(qiáng)優(yōu)勢，需要繼續(xù)關(guān)注產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。建議關(guān)注主材企業(yè)：愛旭股份；設(shè)備企業(yè)：帝爾激光。

IBC電池介紹

IBC（Interdigitated back contact指交叉背接觸）電池是指正負(fù)金屬電極呈叉指狀方式排列在電池背光面的一種背結(jié)背接觸的太陽電池結(jié)構(gòu)，它的p-n結(jié)位于電池背面，電流屬于二維傳輸模型。MWT、EWT也屬于背接觸太陽電池，但因其p-n結(jié)位于電池正面，故稱之為前結(jié)背接觸太陽電池。

IBC電池的結(jié)構(gòu)如圖1，一般以n型硅作為基底，前表面是n+的前場區(qū)FSF，背表面為叉指狀排列的p+發(fā)射極Emitter和n+背場BSF。前后表面均采用SiO2/SiNx疊層膜作為鈍化層。正面無金屬接觸，背面的正負(fù)電極接觸區(qū)域也呈叉指狀排列。

IBC電池的結(jié)構(gòu)如圖1，一般以n型硅作為基底，前表面是n+的前場區(qū)FSF，背表面為叉指狀排列的p+發(fā)射極Emitter和n+背場BSF。前后表面均采用SiO2/SiNx疊層膜作為鈍化層。正面無金屬接觸，背面的正負(fù)電極接觸區(qū)域也呈叉指狀排列。

FSF的作用是利用場鈍化效應(yīng)降低表面少子濃度，從而降低表面復(fù)合速率，同時還可以降低串聯(lián)電阻，提升電子傳輸能力，可通過磷擴(kuò)散或離子注入等技術(shù)形成；背面Emitter的作用是與n型硅基底形成p-n結(jié)，有效地分離載流子，可以通過硼擴(kuò)散或旋涂的方式制備；背面BSF主要是與n型硅形成高低結(jié)，誘導(dǎo)形成p-n結(jié)，增強(qiáng)載流子的分離能力，可通過磷擴(kuò)散或離子注入形成；背面p/n交替的叉指狀結(jié)構(gòu)的形成是IBC電池的技術(shù)核心，可通過光刻、掩膜、激光等方法實現(xiàn)。

▲圖1. IBC電池結(jié)構(gòu)示意圖[1]

1.2 IBC電池發(fā)展過程

197* 年Schwartz等人提出了背接觸的概念，之后經(jīng)過多年的研究發(fā)展，人們研發(fā)出了指交叉式的IBC太陽電池，最初此類電池主要應(yīng)用于聚光系統(tǒng)。19* * 年，Swanson等人報道了與IBC類似的點接觸(Point Contact Cell, PCC)太陽電池，并在* * 倍聚光系統(tǒng)下得到19.7%的轉(zhuǎn)換效率，與正常IBC電池相比，工藝過程更為復(fù)雜，不易大規(guī)模推廣。第二年，Verlinden等人在標(biāo)準(zhǔn)光照下，制備出效率21%的IBC太陽電池。

1997年，SunPower公司和斯坦福大學(xué)開發(fā)的IBC電池，在1個光照下得到2* .2%的轉(zhuǎn)換效率。200* 年，SunPower公司采用點接觸和絲網(wǎng)印刷技術(shù)研發(fā)出第一代大面積(1* 9cm2)的IBC電池A-* 00，電池效率為21.* %。2007年，SunPower公司經(jīng)過對原有A-* 00 IBC電池工藝的優(yōu)化和改進(jìn)，研發(fā)出可量產(chǎn)的平均效率22.* %的第二代IBC電池。 201* 年，SunPower公司在n型CZ硅片上制備的第三代IBC太陽電池，最高效率達(dá)到2* .2%。

效率提升歷程

IBC電池最早是由Lammert和Schwartz在197* 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2* %，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，201* 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)2* .* 2%。

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201* 年將晶體硅電池的效率突破到2* %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2* .1%和2* .* %。

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。201* 年，海潤光伏研發(fā)的IBC電池效率達(dá)到19.* %。

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* * * 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，201* 年，澳大利亞國立大學(xué)（ANU）與常州天合光能吉印通 合作研發(fā)的小面積IBC電池效率達(dá)2* .* %，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* 英寸大面積IBC電池，效率達(dá)到22.9%，成為* 英寸IBC電池的最高轉(zhuǎn)換效率。之后，天合光能依托國家* * * 項目建成中試生產(chǎn)線，采用最新開發(fā)的工藝，1* 次打破IBC電池的世界紀(jì)錄。

另外，201* 年* 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* * .* %，震驚業(yè)內(nèi)。

技術(shù)特色：

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，因為這種特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使它具有以下優(yōu)勢：

1） 電池正面無柵線遮擋，可消除金屬電極的遮光電流損失，實現(xiàn)入射光子的最大利用化，較常規(guī)太陽電池短路電流可提高7%左右；

2）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；

* ） 由于正面不用考慮柵線遮光、金屬接觸等因素，可對表面鈍化及表面陷光結(jié)構(gòu)進(jìn)行最優(yōu)化的設(shè)計，可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；

* ）外形美觀，尤其適用于光伏建筑一體化，具有較好的商業(yè)化前景；

技術(shù)難點：

雖然IBC電池存在很多優(yōu)點，但同時它也面臨很多挑戰(zhàn)：

1）對基體材料要求較高，需要較高的少子壽命。因為IBC電池屬于背結(jié)電池，為使光生載流子在到達(dá)背面p-n結(jié)前盡可能少的或完全不被復(fù)合掉，就需要較高的少子擴(kuò)散長度。

2）IBC電池對前表面的鈍化要求較高。如果前表面復(fù)合較高，光生載流子在未到達(dá)背面p-n結(jié)區(qū)之前，已被復(fù)合掉，將會大幅降低電池轉(zhuǎn)換效率。

* ）工藝過程復(fù)雜。背面指交叉狀的p區(qū)和n區(qū)在制作過程中，需要多次的掩膜和光刻技術(shù)，為了防止漏電，p區(qū)和n區(qū)之間的gap區(qū)域也需非常精準(zhǔn)，這無疑都增加了工藝難度。

* ）IBC復(fù)雜的工藝步驟使其制作成本遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)晶體硅電池。

IBC電池技術(shù)優(yōu)勢

光伏技術(shù)競爭的核心是什么？答案是提高轉(zhuǎn)化效率！ 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.* %～0.* %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。

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(yùn)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?；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。

* .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2* .* %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

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。

IBC電池的未來發(fā)展主要有兩個方面：

1）IBC電池的效率提升；2）IBC電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

對于IBC電池效率的提升，可以從以下幾個方面考慮：（1）優(yōu)化背電極接觸區(qū)域，降低接觸電阻；（2）為防止電池短路且性能最優(yōu)，需在電池背面p+和n+區(qū)域?qū)ふ液线m寬度的本征區(qū)域；（* ）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；（* ）背面鈍化層的引入需考慮背反射器的作用。同時為了進(jìn)一步降低IBC電池的整體復(fù)合，已經(jīng)有研究報道將鈍化接觸技術(shù)與IBC相結(jié)合，研發(fā)出TBC（Tunneling oxide passivated contact Back Contact）太陽電池；也有將非晶硅鈍化技術(shù)與IBC相結(jié)合，開發(fā)出HBC太陽電池。

TBC電池主要是通過對傳統(tǒng)IBC電池的背面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，即用p+和n+的POLY-Si作為Emitter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。目前已有報道出TBC電池轉(zhuǎn)換效率可達(dá)2* %以上。同時，Paul Procel等人也對此種電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的模擬分析。

▲圖* . 中來光電TBC電池結(jié)構(gòu)示意圖

HBC電池也已取得較好的研發(fā)進(jìn)展，在2017年已經(jīng)得到2* .* %的世界記錄效率。其Voc可以達(dá)到0.7* 0V，Jsc達(dá)到* 2.* mA/cm2，F(xiàn)F達(dá)* * .* %。而對于晶體硅太陽電池，Jsc的理論極限是* * mA/cm2。HBC電池結(jié)構(gòu)如圖* 所示，與傳統(tǒng)IBC電池不同的是，背面的emitter和BSF區(qū)域為p+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。對比表1數(shù)據(jù)，IBC與非晶硅鈍化技術(shù)的結(jié)合無疑是未來IBC電池效率提升的方向。

▲圖* . 2* .* %效率的HBC電池結(jié)構(gòu)示意圖[* ]

精簡工藝步驟、降低制造成本，是實現(xiàn)IBC電池產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素。比如，在IBC電池的制作過程中，可用絲網(wǎng)印刷、激光等目前主流晶體硅的技術(shù)代替光刻、電鍍等高成本的貴族技術(shù)；同時，通過開發(fā)配套工藝和設(shè)備升級改造，以最小代價實現(xiàn)與目前規(guī)?；纳a(chǎn)線兼容的IBC工藝路線。中來光電就是通過對原有n-PERT線的升級改造，實現(xiàn)了IBC電池的產(chǎn)業(yè)化。并且在后期的量產(chǎn)過程中，也會繼續(xù)優(yōu)化工藝， 以獲得更低的制造成本。

來源：AIOT大數(shù)據(jù)

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