光伏“轉化效率之王”IBC電池有多牛？
光伏技術(shù)競爭的核心是什么？答案是提高轉化效率！
光伏技術(shù)競爭上，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，我國光伏設備行業(yè)已經(jīng)全面進(jìn)入拼質(zhì)量、拼效率的時(shí)代，轉換效率的提升已經(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。目前在這項技術(shù)研究中，天合光能取得的成績(jì)最為領(lǐng)先。
2016年4月26日，天合光能光伏科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室宣布，經(jīng)第三方權威機構JET獨立測試，以23.5%的光電轉換效率創(chuàng )造了156×156 mm2大面積N型單晶硅IBC電池的世界紀錄。公司已15次打破IBC電池的世界紀錄。
IBC電池技術(shù)到底牛在哪里？我們特別將IBC電池的結構原理、工藝技術(shù)以及發(fā)展狀況做了細致的梳理。
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，完全看不到多數光伏電池正面呈現的金屬線(xiàn)。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(guān)上也更加美觀(guān)。
IBC電池最大的特點(diǎn)是PN結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(xiàn)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換效率。
IBC電池的工藝技術(shù)
較之傳統太陽(yáng)電池，IBC電池的工藝流程要復雜得多。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區和N區，以及在其上面分別形成金屬化接觸和柵線(xiàn)。
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，需要兩步單獨的擴散過(guò)程來(lái)分別形成P型區和N型區。
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。這樣在后續就只需要經(jīng)過(guò)高溫將雜質(zhì)源擴散到硅片內部即可，從而節省一步高溫過(guò)程。
而且，也可在電池背面印刷一層含硼的叉指狀擴散掩蔽層，掩蔽層上的硼經(jīng)擴散后進(jìn)入N型襯底形成P+區，而未印刷掩膜層的區域，經(jīng)磷擴散后形成N+區。
不過(guò)，絲網(wǎng)印刷方法本身的局限性，如對準的精度問(wèn)題，印刷重復性問(wèn)題等，給電池結構設計提出了一定的要求，在一定的參數條件下，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)印刷更加細小的電池單位結構，更小的金屬接觸開(kāi)孔和更靈活的設計。
離子注入也從半導體工業(yè)轉移到了光伏工業(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，從而避免了爐管擴散中存在的擴散死層。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)到硅片內部，同時(shí)修復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)化導入的關(guān)鍵是設備和運行成本。
2.表面鈍化技術(shù)
對于晶體硅太陽(yáng)電池，前表面的光學(xué)特性和復合至關(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)減反設計顯得尤其重要。在電學(xué)方面，和常規電池相比，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(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)減少載流子的復合。
為了降低載流子的復合，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(chǎng)鈍化的方式?；瘜W(xué)鈍化中應用較多的是氫鈍化，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電荷對少數載流子的屏蔽作用，比如帶正電的SiNx薄膜，會(huì )吸引帶負電的電子到達界面，在N型硅中，少數載流子是空穴，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表面而被復合。
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(shí)有P，N兩種擴散，理想的鈍化膜則是能同時(shí)鈍化P,N兩種擴散界面，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，帶負電的薄膜如AlOx也是一個(gè)不錯的選擇。
3.金屬柵線(xiàn)
IBC電池的柵線(xiàn)都在背面，不需要考慮遮光，所以可以更加靈活地設計柵線(xiàn)，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(xiàn)的遮擋，電流密度較大，在背面的接觸和柵線(xiàn)上的外部串聯(lián)電阻損失也較大。金屬接觸區的復合通常都較大，所以在一定范圍內接觸區的比例越小，復合就越少，從而導致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(xiàn)的步驟。
另外，N和P的接觸孔區需要與各自的擴散區對準，否則會(huì )造成電池漏電失效。與形成交替相間的擴散區的方法相同，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)將接觸區的鈍化膜去除，形成接觸區。
而且，蒸鍍和電鍍也被應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，最初應用在高聚光系統中。經(jīng)過(guò)近四十年的發(fā)展，IBC電池在一個(gè)太陽(yáng)標準測試條件下的轉換效率已達到25%，遠遠超過(guò)其它所有的單結晶硅太陽(yáng)電池。
最早實(shí)現量產(chǎn)IBC電池的是美國SunPower公司，它是產(chǎn)業(yè)化的領(lǐng)導者，2014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(xiàn)。該線(xiàn)生產(chǎn)的電池平均效率已高達23.62%。
另外，日本的研發(fā)人員將IBC與異質(zhì)結（HJ）技術(shù)相結合，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)結合在一起，研發(fā)的晶硅多結電池效率分別達到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IBC電池技術(shù)的研發(fā)進(jìn)行投入，如天合、晶澳、海潤等。2013年，海潤光伏研發(fā)的IBC電池效率達到19.6%。
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(yáng)能研究所及澳大利亞國立大學(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，天合光能承擔了國家863計劃"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(xiàn)"，展開(kāi)了對IBC電池技術(shù)的系統研發(fā)。
經(jīng)過(guò)科研人員的不懈努力，2014年，澳大利亞國立大學(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24.4%，創(chuàng )下了當時(shí)IBC結構的電池效率的世界紀錄。
此外，常州天合光能光伏科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室還獨立研發(fā)的6英寸大面積IBC電池，效率達到22.9%，成為6英寸IBC電池的最高轉換效率。之后，天合光能依托國家863項目建成中試生產(chǎn)線(xiàn)，采用最新開(kāi)發(fā)的工藝，15次打破IBC電池的世界紀錄。
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)能轉換效率提升到了驚人的34.5%，震驚業(yè)內。
不過(guò)，IBC電池雖然轉換效率高，與常規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電池的大規模應用。隨著(zhù)中國一線(xiàn)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(zhù)提高電池轉換效率，降低電池制造成本的方向繼續向前發(fā)展。IBC太陽(yáng)電池的商業(yè)化應用和推廣，有著(zhù)廣泛的前景。