IBC太陽(yáng)電池最顯著(zhù)的特點(diǎn)是PN結和金屬接觸都處于太陽(yáng)電池的背部，前表面徹底避免了金屬柵線(xiàn)電極的遮擋，結合前表面的金字塔絨面結構和減反層組成的陷光結構，能夠最大限度地利用入射光，減少光學(xué)損失，具有更高的短路電流。同時(shí)，背部采用優(yōu)化的金屬柵線(xiàn)電極，降低了串聯(lián)電阻。通常前表面采用SiNx/SiOx雙層薄膜，不僅具有減反效果，而且對絨面硅表面有很好的鈍化效果。目前IBC電池是商品化晶體硅電池中工藝最復雜、結構設計難度最大的電池。采用IBC與HJ技術(shù)結合的HBC技術(shù)可以使電池效率進(jìn)一步提升，在2017年已經(jīng)得到26.6%的世界記錄效率。
IBC電池的結構圖
美國SunPower公司已經(jīng)研發(fā)了三代IBC太陽(yáng)電池。其中，2014年在N型CZ硅片上制備的第三代IBC太陽(yáng)電池的最高效率達到25.2%。資料顯示，SunPower量產(chǎn)效率達25%，LG量產(chǎn)效率達24.5%。
國內天合光能一直致力于IBC單晶硅電池的研發(fā)，2017年5月自主研發(fā)的大面積6英寸(243.2cm2)N型單晶硅IBC電池效率達到24.13%;2018年2月，該電池的效率進(jìn)一步提高到25.04%，開(kāi)路電壓達到715.6mV，并經(jīng)過(guò)日本電氣安全與環(huán)境技術(shù)實(shí)驗室(JET)獨立測試認證。這是迄今為止經(jīng)第三方權威認證的中國本土效率首次超過(guò)25%的單結單晶硅太陽(yáng)電池，也是目前世界上大面積6英寸晶體硅襯底上制備的單晶硅太陽(yáng)電池的最高轉換效率，標志著(zhù)天合在高端光伏電池技術(shù)研究上邁出了重要的一步。
IBC電池技術(shù)的研究進(jìn)展(天合光能，2018，25.04%)
關(guān)鍵制備技術(shù)
在高壽命的N型硅片襯底的背面形成相間的P+和N+擴散區，前表面制備金字塔狀絨面來(lái)增強光的吸收，同時(shí)在前表面形成前表面場(chǎng)(FSF)。前表面多采用SiNx的疊層鈍化減反膜，背面采用SiO2、AlOx、SiNx等鈍化層或疊層。最后在背面選擇性地形成P和N的金屬接觸。
擴散區的定義及形成
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)。對擴散而言，爐管擴散是目前應用最廣泛的方法。普通太陽(yáng)電池的擴散只需在P型襯底上形成N型的擴散區，而IBC電池既有形成背面N區(BSF)的磷擴散，還有形成PN結的硼擴散，即在N型襯底上進(jìn)行P型摻雜。
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)。相對低成本的方法有通過(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，從而形成需要的圖形。這種方法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。另外，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)。
激光是解決絲網(wǎng)印刷局限性的一條途徑。無(wú)論是間接刻蝕掩膜(利用激光的高能量使局部固體硅升華成為氣相，從而使附著(zhù)在該部分硅上的薄膜脫落)，還是直接刻蝕(如SiNx吸收紫外激光能量而被刻蝕)，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。需要留意的是激光加工帶來(lái)的硅片損傷，以及對接觸電阻的影響;另外，精準對位是激光設備的必要條件，如果不采用Scanner方式的激光頭，其加工時(shí)間往往較長(cháng)，平均每片電池片的激光加工需耗時(shí)幾分鐘到十幾分鐘，生產(chǎn)效率低，目前只適合研發(fā)應用。
近年來(lái)，不斷有從半導體工業(yè)轉移到光伏工業(yè)的技術(shù)，離子注入就是其中之一。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(高濃度的擴散雜質(zhì)與硅的晶格失配以及未激活的雜質(zhì)引起的晶格缺陷使得擴散層表面載流子壽命極低)。2011年，Suniva首先開(kāi)發(fā)了離子注入太陽(yáng)電池技術(shù)，實(shí)現了P型單晶電池>18.6%的轉換效率并將其推向商業(yè)化生產(chǎn)。當然，離子注入技術(shù)也可以被應用到IBC電池的制備中。同樣，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。博世和三星都成功將離子注入技術(shù)運用到IBC電池中，實(shí)現了22.1%和22.4%的轉換效率。當然，離子注入技術(shù)的量產(chǎn)化導入，設備和運行成本是考量的關(guān)鍵。
陷光與表面鈍化技術(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。McIntosh等人采用橢偏儀、量子相應測試與數值模擬相結合的方法，定量的確定了IBC電池的光學(xué)損失，包括前表面發(fā)射、減反膜寄生吸收、長(cháng)波段不完美光陷阱、自由載流子吸收的影響等，如圖3所示。
IBC電池單層膜(a,c)及多層膜(b,d)的光學(xué)損失分布圖
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。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。
金屬化接觸和柵線(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(接觸電阻損失足夠小)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。
另外，蒸鍍和電鍍也被應用于高效電池的金屬化。ANU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更是采用電鍍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電池的核心技術(shù)之一是其背面電極的設計，因為它不僅影響電池性能，還直接決定了IBC組件的制作工藝。按照電極設計的不同，IBC電池包含三種主要類(lèi)型。無(wú)主柵IBC電池。其特點(diǎn)是背面只印刷細柵線(xiàn)，無(wú)需印刷絕緣膠和主柵，相比主柵式IBC電池，制備工序簡(jiǎn)單、成本較低。但該類(lèi)型的IBC電池在制作組件時(shí)需要專(zhuān)門(mén)的設備配套，且有較高的精度要求，導致組件端成本較高。四主柵IBC電池。其特點(diǎn)是可使用常規焊接的方法制作組件，精度要求低，無(wú)需專(zhuān)門(mén)設備，適用性強。但在電池制備過(guò)程中需要印刷絕緣膠和主柵，電池工序相對復雜。點(diǎn)接式IBC電池。其特點(diǎn)是無(wú)需印刷絕緣膠，主細柵一次印刷，電池工序簡(jiǎn)單;制作組件時(shí)，使用金屬箔進(jìn)行電池片互聯(lián)，精度要求低于無(wú)主柵式。
雖然IBC電池存在很多優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)它也面臨很多挑戰：1)對基體材料要求較高，需要較高的少子壽命。因為IBC電池屬于背結電池，為使光生載流子在到達背面p-n結前盡可能少的或完全不被復合掉，就需要較高的少子擴散長(cháng)度。2)IBC電池對前表面的鈍化要求較高。如果前表面復合較高，光生載流子在未到達背面p-n結區之前，已被復合掉，將會(huì )大幅降低電池轉換效率。3)工藝過(guò)程復雜。背面指交叉狀的p區和n區在制作過(guò)程中，需要多次的掩膜和光刻技術(shù)，為了防止漏電，p區和n區之間的gap區域也需非常精準，這無(wú)疑都增加了工藝難度。4)IBC復雜的工藝步驟使其制作成本遠高于傳統晶體硅電池。
HBC是方向?
采用IBC與HJ技術(shù)結合的HBC技術(shù)可以使電池效率進(jìn)一步提升。在硅片表面同時(shí)采用本征的非晶硅進(jìn)行表面鈍化，在背面分別采用N型和P型的非晶硅薄膜形成異質(zhì)結。其優(yōu)點(diǎn)是利用非晶硅優(yōu)越的表面鈍化性能，并結合IBC結構沒(méi)有金屬遮擋的結構優(yōu)點(diǎn)，采用相同的器件結構，在2017年已經(jīng)得到26.6%的世界記錄效率。其Voc可以達到0.740V，Jsc達到42.5 mA/cm2，FF達84.6%。而對于晶體硅太陽(yáng)電池，Jsc的理論極限是43mA/cm2。HBC電池結構如圖所示，與傳統IBC電池不同的是，背面的emitter和BSF區域為p+非晶硅和n+非晶硅層，在異質(zhì)結接觸區域插入一層本征非晶硅鈍化層。IBC與非晶硅鈍化技術(shù)的結合無(wú)疑是未來(lái)IBC電池效率提升的方向。
26.6%效率的HBC電池結構示意圖
