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IBC电池: 新一代平台型技术

硅基光伏电池历经三代变化,新的技术不断涌现推动光伏发电的性价比不断上升。光伏电池早期以BSF(Aluminium Back Surface Field,铝背场电池)为主要技术路线,该电池技术于1973年提出,其特点是采用铝背场钝化技术,理论转换效率上限约为20%;随着光伏产业对于发电效率的不懈追求以及PERC(Passivated Emitter and Rear Contact,发射极钝化和背面接触)技术的成熟,成本不断下降,光伏电池转向以PERC技术为主,该技术于1982年提出,其特点是采用氧化铝局部钝化技术,相较于BSF电池技术,PERC技术钝化效果更优,将电池的极限效率提升至23%左右。

随着PERC技术的成熟与不断挖潜,逐步逼近其转换效率的理论极限,业界开始寻求下一代技术,目前推进中的主流技术有TOPCon(Tunnel oxide passivated contact,隧穿氧化层钝化接触)、HJT(Heterojunction with Intrinsic Thinfilm,异质结)和IBC(Interdigitated back contact,交叉背接触)等。TOPCon和HJT一般为采用了钝化接触技术的N型电池(也有技术采用P型硅片),不同点在于HJT是异质结类型的电池,是具有颠覆性的技术,对新进入厂商相对有利,TOPCon仍然是同质结电池,对存量的产线和技术积累较为友好,对行业内现有玩家较为有利。

IBC的提效降本则是另外一种思路,与TOPCon、HJT采用新的钝化接触结构来提高钝化效果从而提高转换效率的思路不同,IBC则是将电池正面的电极栅线全部转移到电池背面,通过减少栅线对阳光的遮挡来提高转换效率,主要通过结构的改变来提高转换效率,是一种较为纯粹的单面电池,这种结构可以与PERC、TOPCon、HJT、钙钛矿等多种技术叠加,因此有望成为新一代的平台型技术,与TOPCon技术的叠加被称为“TBC”电池,而与HJT技术的叠加则被称为“HBC”电池。

IBC电池技术是指一种背结背接触的太阳电池结构,其正负金属电极呈叉指状方式排列在电池背光面。由于对少子寿命的要求较高,IBC电池一般以N型硅片作为基底,前表面为N+前场区FSF,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;背表面为采用扩散方式形成的叉指状排列的P+发射极和N++背场BSF,发射极能够与N型硅基底形成p-n结,有效分流载流子,n+背表面场区能够与n型硅形成高低结,增强载流子的分离能力,是IBC电池的核心技术;前后表面均采用SiO2/SiNx叠层膜作为钝化膜,抑制IBC太阳电池背表面的载流子复合;前表面常镀上减反射层,提高发电效率;金属接触部分全都在背面的正负电极接触区域,也呈叉指状排列。

IBC技术由SunPower提出,SunPower已成立36年,累计出货35亿片IBC电池片,拥有1000多个晶硅电池专利。1975年,Schwartz和Lammert首提背接触式光伏电池概念;1984年,斯坦福教授Swanson研发了IBC类似的点接触(Point Contact Cell,PCC)太阳电池,在聚光系统下转换效率19.7%;1985年Swanson教授创立SunPower,研发IBC电池;1993年,SunPower全背接触电池帮助本田赢得澳洲太阳能汽车挑战赛冠军;2004年,SunPower菲律宾工厂(25MW产能)规模量产第一代IBC电池,转换效率最高21.5%,组件价格5-6美金/瓦。

虽然距离SunPower推出第一代IBC电池已经相当时间,但是初代电池奠定了该种电池技术路线基本的电池结构和工艺框架:

(1)前表面无栅线遮挡。电池前表面采用陷光绒面,且无栅线遮挡,避免了金属电极遮光损失,最大化吸收入射光子,实现良好的短路电流;

(2)背面为P区和N区的叉指状间隔排列。电池背面制备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,由于消除了前表面发射极,前表面复合损失减少;

(3)一般采用较高质量的N型硅片。由于前表面远离背面p-n结,为了抑制前表面复合,需要更好的前表面钝化方案,同时需要具有长扩散长度的高质量硅片(如N型硅片),以降低少数载流子在到达背结之前的复合;

(4)与钝化接触技术相结合来提高电池性能。采用钝化接触或减少接触面积,大幅减少背面p+区和n+区与金属电极的接触复合损失;

(5)增加前表面场FSF。利用前表面场FSF的场钝化效应降低表面少子浓度,降低表面复合速率的同时还可以降低串联电阻,提升电子传输能力。

SunPower不断改进该技术来提高其性价比,大体可以分为两个方向:(1)更简化的制程,以及采用更低成本的工艺;(2)与更好的钝化技术相结合。

从SunPower官网披露的最新信息来看,其最新一代IBC电池已吸收了TOPCon电池钝化接触的技术优点,加入了隧穿氧化层(Tunnel Oxide)与多晶硅(N/P-Poly Silicon)的复合结构,并保留了铜电极工艺;从电池结构来看,量产工艺已经简化,成本在可接受范围,平均的转换效率可以达到25%,第七代电池有望将平均转换效率提高到26%的水平。

IBC独有的结构也使其具有独特的优势:

(1)外形美观。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,尤其适用于光伏建筑一体化(BIPV)的应用场景以及对价格敏感度较低的家用场景,商业化前景较好。

(2)具有高转换效率的单面结构。IBC电池正面无遮挡结构消除了栅线遮挡造成的损失,实现了入射光子的最大化利用,较常规太阳能电池短路电流可提高7%左右,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;由于正面无需考虑栅线遮光、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设计,得到较低的前表面复合速率和表面反射,从而提高Voc和Jsc;短路电流、FF、Voc的提高使得正面无遮挡的IBC电池拥有了高转换效率;但是栅线都在背面的独特结构牺牲了电池的双面性,无法吸收经过地面反射的阳光,因此适用于光伏建筑一体化等无法利用背面发射光的应用场景。

由于IBC电池结构具有良好的兼容性,逐渐形成了三大工艺路线:

(1)以SunPower为代表的经典IBC电池工艺;

(2)以ISFH为代表的POLO-IBC(TBC)电池工艺;

(3)以Kaneka为代表的HBC电池工艺(IBC-SHJ)。

根据2017年Kaneka实验结果,目前IBC-SHJ(HJT)电池的转换效率最高可达到26.7%,高于TOPCon和HJT电池的实验效率。

产业内提高IBC电池转化效率的主要方向有:

(1)优化背电极接触区域,降低接触电阻;

(2)防止电池短路且性能最优,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。

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,也就是上文所称的POLO-IBC;将非晶硅钝化技术与IBC相结合,开发出HBC太阳电池,二者均是通过应用载流子选择钝化接触可以抑制少数载流子在界面处的复合速度,进一步降低IBC电池的整体复合,从而有效提高IBC太阳电池表面钝化效果。

TBC电池主要是通过对IBC电池的背面进行优化设计,即用P+和N+的POLY-Si作为发射极和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。

2018年,ISFH采用区熔法(FZ)制备的P型硅片将POLO技术应用于IBC电池,在4cm2的电池面积上获得了26.1%的POLO-IBC太阳电池光电转换效率,但该结构制备流程相对复杂,使用了多次光刻和自对准的工艺;为了简化工艺,ISFH公司在P型PERC电池的技术上叠加多晶硅沉积,在常规CZ法获得的P型单晶硅片上制备POLO-IBC电池,利用原位掺杂制备掺杂多晶硅层,采用丝网印刷和共烧结形成金属接触,获得21.8%的转换效率,该技术路径与现有产线兼容度较高,但转换效率较低。

在N型硅片基底上,2019年天合光能采用LPCVD(低压化学气相沉积)法对IBC电池的BSF进行多晶硅隧穿氧化,只通过调节湿法工艺使其与原始IBC电池工艺相兼容,在6英寸硅片上将转换效率由24.1%提高到25%。

与传统IBC电池不同的是,HBC电池结构背面的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。

HBC电池结构能够获得较高转换效率的原因在于:(1)高Voc。HBC电池采用氢化非晶硅(a-Si:H)作为双面钝化层,在背面形成局部a-Si/c-Si异质结结构,基于高质量的非晶硅钝化,获得高Voc。充分吸收了HJT电池非晶硅钝化技术的优点。(2)高Jsc。HBC电池采用了IBC电池结构,前表面无遮光损失和减少了电阻损失,从而拥有较高的Jsc,充分结合了HJT电池技术与IBC电池结构的优点。

HBC电池主要是由Kaneka在推动,已取得较好的研发进展,2017年日本化学公司和太阳能电池制造商Kaneka通过背接触异质结技术实现的的最高效率26.63%,国内则主要是爱旭股份在推动N型ABC电池技术。

IBC目前大规模产业化面临的问题是工序多、量产难度大导致成本高。根据普乐新能源的披露,IBC电池技术的生产成本和产线投入仍然不占优势,非硅成本的差异主要来源于良率、银浆成本和折旧成本,成熟的PERC电池在现阶段还具有较为明显的性价比。随着TOPCon技术以及HJT技术的不断进步和成熟,与其相结合的TBC、HBC电池有望受益。

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