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IBC电池

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］

HIT电池

HIT是Heterojunction with Intrinsic Thin-layer的缩写，意为本征薄膜异质结，因HIT已被日本***申请为注册商标，所以又被称为HJT或SHJ（Silicon Heterojunction solar cell）。该类型太阳能电池最早由日本***于1990年成功开发，当时转换效率可达到14.5%（4mm2的电池），后来在***的不断改进下，三洋HIT电池的转换效率于2015年已达到25.6%。2015年三洋的HIT专利保护结束，技术壁垒消除，是我国大力发展和推广HIT技术的大好时机。

下图是HIT太阳能电池的基本构造，其特征是以光照射侧的p-i型a-Si：H膜（膜厚5-l0nm）和背面侧的i-n型a-Si：H膜（膜厚5-l0nm）夹住晶体硅片，在两侧的顶层形成透明的电极和集电极，构成具有对称结构的HIT太阳能电池。

图表：HIT太阳能电池结构示意图

在电池正表面，由于能带弯曲，阻挡了电子向正面的移动，空穴则由于本征层很薄而可以隧穿后通过高掺杂的p+型非晶硅，构成空穴传输层。同样，在背表面，由于能带弯曲阻挡了空穴向背面的移动，而电子可以隧穿后通过高掺杂的n+型非晶硅，构成电子传输层。通过在电池正反两面沉积选择性传输层，使得光生载流子只能在吸收材料中产生富集然后从电池的一个表面流出，从而实现两者的分离。

2、HIT电池工艺流程

HIT电池的一大优势在于工艺步骤相对简单，总共分为四个步骤：制绒清洗、非晶硅薄膜沉积、TCO制备、电极制备。

图表2：HIT太阳能电池工艺流程

制备的核心工艺是非晶硅薄膜的沉积，其对工艺清洁度要求极高，量产过程中可靠性和可重复性是一大挑战，目前通常用PECVD法制备。

HIT电池的制备工艺步骤简单，且工艺温度低，可避免高温工艺对硅片的损伤，并有效降低排放，但是工艺难度大，且产线与传统电池不兼容，设备资产投资较大。

3、HIT电池优势和特点

HIT电池具有发电量高、度电成本低的优势，具体特点如下：

（1）低温工艺

HIT电池结合了薄膜太阳能电池低温（900℃）扩散工艺来获得p-n结。这种技术不仅节约了能源，而且低温环境使得a_Si：H基薄膜掺杂、禁带宽度和厚度等可以较精确控制，工艺上也易于优化器件特性；低温沉积过程中，单品硅片弯曲变形小，因而其厚度可采用本底光吸收材料所要求的最低值（约80μm）；同时低温过程消除了硅衬底在高温处理中的性能退化，从而允许采用“低品质”的晶体硅甚至多晶硅来作衬底。

高温环境下发电量高，在一天的中午时分，HIT电池的发电量比一般晶体硅太阳电池高出8-10%，双玻HIT组件的发电量高出20%以上，具有更高的用户附加值。

（2）双面电池

HIT是非常好的双面电池，正面和背面基本无颜色差异，且双面率（指电池背面效率与正面效率之比）可达到90%以上，最高可达96%，背面发电的优势明显。

（3）高效率

HIT电池独有的带本征薄层的异质结结构，在p-n结成结的同时完成了单某某的表面钝化，大大降低了表面、界面漏电流，提高了电池效率。目前HIT电池的实验室效率已达到23%，市售200W组件的电池效率达到19.5%。

（4）高稳定性

HIT电池的光照稳定性好，理论研究表明非品硅薄膜/晶态硅异质结中的非晶硅薄膜没有发现Staebler-Wronski效应，从而不会出现类似非晶硅太阳能电池转换效率因光照而衰退的现象；HIT电池的温度稳定性好，与单某某电池-0.5%/℃的温度系数相比，HIT电池的温度系数可达到-0.25%/℃，使得电池即使在光照升温情况下仍有好的输出。

（5）无光致衰减

困扰晶硅太阳能电池最重要的问题之一就是光致衰减，而HIT电池天然无衰减，甚至在光照下效率有一定程度的增加，**_*在做HIT光致衰减实验时发现，光照后HIT电池转换效率增加了2.7%，在持续光照后同样没有出现衰减现象。日本CIC、瑞士EPFL、CSEM在APL上的联合发表也证实了HIT电池的光致增强特性。

（6）对称结构适于薄片化

HIT电池完美的对称结构和低温度工艺使其非常适于薄片化，**_*经过大量实验发现，硅片厚度在100-180μm范围内，平均效率几乎不变，100μm厚度硅片已经实现了23%以上的转换效率，目前正在进行90μm硅片批量制备。电池薄片化不仅可以降低硅片成本，其应用也可以更加多样化。

（6）低成本

HIT电池的厚度薄，可以节省硅材料；低温工艺可以减少能量的消耗，并且允许采用廉价衬底；高效率使得在相同输出功率的条件下可以减少电池的面积，从而有效降低了电池的成本。

4、HIT电池产业化现状

OFweek产业研究院数据显示，在大规模量产方面，首屈一指的当然是日本三洋，现有产能1GW，量产效率达23%。除此之外，具有较成熟HIT技术的还有Keneka、Sunpreme、Solarcity、福建均石、晋某某、新奥、汉能等企业。

图表：国内外HIT太阳能电池产业化情况（单位：%，MW）

目前HIT产品的量产难点主要包括以下几方面：

（1）高质量硅片：相较常规N型产品，HIT电池对硅片质量有更高的要求，需要谨慎选择硅片供应商。

（2）制绒后硅片表面洁净度的控制：HIT电池对硅片表面洁净度要求非常高，需要平衡硅片清洗洁净程度和相关化学品以及水的消耗。

（3）各工序Q-time控制：HIT电池在完成非晶硅镀膜之前，对硅片暴露在空气中的时间以及环境要求比较严苛，需要注意各工序Q-time的控制。

（4）生产连续性对于TCO镀膜设备的影响：TCO镀膜必须保证连续投料，否则良率和设备状况都会受到影响，尤其在产线刚投产时，保持生产连续性是一大挑战。

（5）高粘度浆料的连续印刷稳定性：在HIT电池制备过程中，浆料粘度大导致的虚印断栅现象较多，需要数倍于常规产线的关注。

（6）焊带拉力的稳定性：拉力稳定的窗口窄，双玻双面发电的组件结构进一步增加了电池串联的难度。

此外，影响HIT产业化的重要因素之一即成本问题，据杨某某博士介绍，HIT电池BOM成本前四项为硅片、导电银某某、靶材、制绒添加剂。针对这几个高成本部分，可进行专项降本，包括降低原材料的消耗量、关键设备的国产化、关键原材料的国产化、新技术的导入等。

5、HIT电池市场前景展望

降本增效始终是光伏行业永恒的主题，随着行业不断的技术进步和政策推动，大众的目光逐渐转移至度电成本上，高效电池因此备受瞩目。继PERC电池成为行业热点后，HIT电池技术初有突破，性价比优势开始显现，未来将是P型PERC电池与N型HIT电池争霸光伏产业的时代。

2.1钝化发射极背场点接触(PERC)电池家族

新南威尔士大学(UNSW)MartinGreen领导的小组提出PERC结构的单某某太阳电池，在P型FZ硅片上实现了22.8%的高转换效率[23]，其基本结构如图2a所示。1999年，UNSW的该团队再次宣布其PERL太阳电池(如图2b所示)转化效率达到24.7%[4-5]。与传统的单某某太阳电池相比，PERL太阳电池的主要特点和优势包括:(1)氧化硅作为PERL太阳电池背表面的钝化层，界面的复合速率显著降低。(2)背金属电极通过小孔接触到重掺杂的发射极，这种结构能够形成良好的欧姆接触，从而降低电阻损失[4]。(3)倒金字塔陷光结构提供了更好的陷光效果，以MgF2/ZnS作为双减反层减少了光的反射，两者共同显著提高了太阳电池的短路电流[23]。为了解决背部接触不足带来的等效串阻增大等问题，他们将整个硅片背面先采用轻硼掺杂，而后再采用定域重硼掺杂制备金属接触区，从而形成PERT电池，其结构如图2c所示。它可以实现高电导和低背表面复合速率，改善了开路电压和填充因子，在4cm2的P型MCZ硅片上取得24.5%的高效率[25]。而PERC太阳电池结构如图2a所示，它具有背表面钝化优异与其制备技术的优势，近年来得到产业界的广泛重视，成为产业界下一代高效率高端电池产品。

FraunhoferISE采用一种无光刻、加工速度快、适用各种不同硅衬底的技术，获得的PERC电池效率超过21%，具有很好的产业化前景[27]。2017年，隆基乐叶和晶科***分别报道了效率达到23.26%[28]和23.45%[29]的单某某PERC电池。2018年，他们又先后报道了效率为23.6%和23.95%的电池[30]，成为光伏行业的里程碑。在PERC电池的制备工艺中，背部电极的设计和金属电极与硅基底之间形成良好的欧姆接触是两个关键的步骤[1-2]。目前实现金属电极与硅基底的欧姆接触技术越来越成熟，在生产线上已经得到普遍的运用。

2.2交叉指式背接触(IBC)太阳电池

1975年，Schwartz首次提出背接触式太阳电池[31]。经过多年的发展，人们研发出了交叉指式背接触(IBC)太阳电池，其结构示意图如图3所示。IBC太阳电池最显著的特点是PN结和金属接触都处于太阳电池的背部，前表面彻底避免了金属栅线电极的遮挡，结合前表面的金字塔绒面结构和减反层组成的陷光结构，能够最大限度地利用入射光，减少光学损失，具有更高的短路电流。同时，背部采用优化的金属栅线电极，降低了串联电阻[32]。通常前表面采用SiNx/SiOx双层薄膜，不仅具有减反效果，而且对绒面硅表面有很好的钝化效果。这种前面无遮挡的太阳电池不仅转换效率高，而且具有外形美观等优势，适合应用于光伏建筑一体化，具有极大的商业化前景。目前IBC电池是商品化晶体硅电池中工艺最复杂、结构设计难度最大的电池，标志着晶体硅研发制造的最高水平。

作为IBC电池产业化领导者的美国SunPower公司已经研发了三代IBC太阳电池。其中，2014年在N型CZ硅片上制备的第三代IBC太阳电池的最高效率达到25.2%[33]。天合***一直致力于IBC单某某电池的研发，2017年5月自主研发的大面积6英寸(243.2cm2)N型单某某IBC电池效率达到24.13%[30];2018年2月，该电池的效率进一步提高到25.04%，开路电压达到715.6mV，并经过日本电气安全与环境技术实验室(JET)独立测试认证。这是迄今为止经第三方权威认证的中国本土效率首次超过25%的单结单某某太阳电池，也是目前世界上大面积6英寸晶体硅衬底上制备的单某某太阳电池的最高转换效率，标志着天合在高端光伏电池技术研究上迈出了重要的一步[30]。

2.3硅异质结(SHJ)太阳电池

PERL电池和IBC电池虽然可以获得极高的效率，但都是基于同质PN结实现的[34]。AFORS-HET的理论计算表明，异质结有利于太阳电池获得更高的开路电压，从而获得较高的电池效率[17]。由于异质结中两种半导体材料的禁带宽度、导电类型、介电常数、折射率和吸收系数等不同，比同质结的应用更加广泛[1]。从20世纪80年代起，日本Sanyo公司及随后的Panasonic公司在单某某异质结太阳电池(HIT，也称SHJ)领域一直处于领先地位，经过对本征a-Si∶H钝化层、背部场结构、高导电与高某某ITO、陷光结构、金属化栅线和硅片厚度等关键技术的不断优化与调整[35-37]，2013年将面积为101.8cm2的SHJ太阳电池效率提高到24.7%[38]，开路电压(Voc)达到750mV，远高于同质结电池的开路电压，其基本结构如图4所示。

硅异质结(SHJ)太阳电池研究的迅速发展与其自身具备的优势密切相关，其优势如下[40-43]:低温制备工艺、异质结造就的高Voc、双面制绒结构实现的双面采光、全钝化层接触结构、无需光刻开孔、载流子的一维传输和低成本高效率等。日本Kaneka公司致力于单某某异质结太阳电池的研究，他们采用双面制绒的硅片，以本征a-Si∶H作为钝化层，能取得高的开路电压，这也是获得高效率的重要原因。该硅片采用了双面制绒技术，降低了光学损失，其两面都生长TCO，具有光学透明与导电双重功能。此外，他们还在Ag电极上电镀Cu，降低了成本且提高了导电性[44]，从而进一步优化了SHJ太阳电池的性能，其效率达到25.1%[9]。

近年来我国在SHJ电池上已取得长足的进步。杭州赛昂报道的SHJ电池转换效率达到23.1%(有效面积229.9cm2)[45]。中科院**_*自2015年在125mm×125mm的N-CZ硅片制备的电池取得22.5%的效率之后[46]，通过改善硅片质量与绒面陷光结构，2017年2月在大面积(156mm×156mm)的N-CZ硅片上制备的SHJ电池效率达到23.5%[47]。在工业化方面，国内外***已经在逐步推进其产业化链的发展。

2.4交叉指式背接触异质结(HBC)太阳电池

为了进一步提高单某某太阳电池转化效率，利用IBC电池高短路电流与SHJ电池高开路电压的优势，可结合成交叉指式背接触异质结(HBC)太阳电池，其结构示意图如图5所示。与IBC结构太阳电池相比，HBC太阳电池采用a-Si∶H作为双面钝化层，具有优异的钝化效果，能够取得更高的开路电压[6]。在生长PN结的工艺中，他们采用区域型掩膜掺杂，降低了载流子的复合损失。与SHJ结构的太阳电池相比，其前表面无电极遮挡，而且采用SiN减反层取代TCO，减少光学损失的优势更加显著(在短波长范围内)，结合前表面两点优势，HBC电池能够取得更高的短路电流。

2017年，日本Kaneka公司研发的电池先后取得了26.3%[14]、26.63%[15]的转化效率。该公司的HBC电池(SHJ+IBC)前表面无金属电极，背部P、N层呈现有序规则的交错排列，大大降低了串联电阻Rs，且与P、N层接触相间的金属电极能够形成很好的欧姆接触，增大了短路电流。另外，优异的本征钝化层能够获取高的开路电压。这两大优势也决定了Kaneka公司能够相继取得世界晶硅电池的最高效率。

2.5隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)太阳电池

德国Fraunhofer研究中心在电池背面利用化学方法制备一层超薄氧化硅(～1.5nm)，然后再沉积一层掺杂多晶硅，二者共同形成了钝化接触结构，这种技术被称为隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)[10]技术。由于n+多晶硅与吸收层的功函数存在差异，前者会在后者表面形成一个累积层。累积层或者能带弯曲会产生一个势垒阻挡空穴达到隧穿氧化层，而电子则能够轻易达到。相比于某某，超薄氧化层也会为空穴提供更高的势垒阻挡其隧穿，因而该层具有载流子选择性[48]。TOPCon太阳电池的隧穿氧化层钝化接触结构的能带图和其结构示意图如图6a、b所示。

Fraunhofer研究所采用N型FZ硅片，正面采用普通金字塔制绒，硼扩散，等离子体辅助的原子层沉积(ALD)氧化铝[11]与等离子体化学气相沉积(PECVD)氮化硅的叠层结构起到钝化和减反效果。背面采用上述TOPCon技术(基于硝酸热氧化化学工艺)，PECVD沉积n+掺杂的多晶硅，接着通过进行高温(70～900℃)退火和氢钝化改善硅薄膜的形貌与带隙，最后正、反金属化采用电子束蒸发的Ti/Pd/Ag叠层和热蒸发的Ag实现，最终效率达到25.1%[10](Voc=718mV，短路电流(Jsc)=42.1mA/cm2，填充因子(FF)=83.2%)。随后，他们使用最佳厚度、低电阻率的硅片，并改变前表面减反层(SiNx/MgF2)，进一步降低光学损失，使得电池效率进一步提高到25.7%[11]。

图6c体现出背部全钝化接触与载流子一维传输特征，其中蓝色箭头表示电子传输。TOPCon最关键的技术就是超薄氧化层的制备。目前研究人员探索出一系列超薄氧化层的制备方法[10，49-50]，如紫外臭氧氧化、等离子体辅助氧化(N2和O2混合气氛)、湿化学方法氧化(硝酸热氧化、盐酸热氧化)、高温热氧化(Ar与O2混合氛围下快速热氧化、超高真空热氧化)、高温中性氧原子等离子体氧化、场诱导阳极氧化等。

采用TOPCon技术的高效晶硅太阳电池虽然还处于研发阶段，但是该技术的运用也取得了一定的进展。实验室中，Yamamoto等将前表面SHJ的技术与背部采用TOPCon的技术结合，使得新型结构的电池(SHJ+TOPCon)效率接近于25%[51]。基于IBC电池的优异结构，Reichel等通过离子注入的形式将IBC结构与TOPCon技术结合，制备出新型的电池(IBC+TOPCon)，其Voc为682mV，伪填充因子(pFF)为82.2%[52]。而Tao等以大面积(239cm2)的N-CzSi为衬底制备出了效率为21.2%的TOPCon电池，他们采用在室温和100℃环境下的湿化学硝酸氧化技术制备隧穿氧化层，并说明前表面发射极的复合影响电池性能，具有工业化生产的应用前景[48，53]。随着TOPCon电池的超薄氧化层制备技术不断成熟，其不仅在实验室中得到了广泛的应用，而且具有很大的市场产业化空间。TOPCon太阳电池具有的工业化应用前景在于TOPCon技术的多样性，晶硅太阳电池的PN结、金属电极、减反层等工业技术已经成熟，为工业化生产高效晶硅太阳电池提供了一种选择。

2.6多晶硅氧化物选择钝化接触(POLO)太阳电池

德国哈梅林研究所(ISFH)Peibst等致力于P型单某某太阳电池的研究，结合多晶硅和氧化从而形成全钝化接触，称之为POLO结构，其对应的POLO太阳电池结构如图7所示[54]。POLO电池与TOPCon电池都是采用了多晶硅加氧化层结构设计，且其对应的氧化层的生长方法相近，不同点在于[11，54]:(1)前者先采用低压化学气相沉积(LPD)法沉积本征多晶硅，然后采用离子注入形成n+/p+多晶硅，后者则采用PECVD法沉积n+多晶硅。(2)前者需要两面都生长氧化层，并分别生长n+、p+多晶硅;后者只需背部生长氧化层，并沉积n+多晶硅。(3)前 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 伏电站风险，为光伏电站收益提供可靠保障。

结语

多晶黑硅电池和N型单晶双面电池在光致衰减率、破片率和机械载荷衰减率等方面均明显好于PERC单晶电池。因此相比于PERC单晶电池，多晶黑硅电池和N型单晶电池将为光伏电站带来更为稳定的发电量，光伏电站业主的投资回报也可以得到更好的保障。光伏电站作为预期运营25年、30年乃至更长时间的投资项目，除了组件初始功率外，还需要关注组件功率在整个电站生命周期的稳定性和衰减率，以保证稳定的投资回报。

技术类型

光致衰减率

隐裂率

机械载荷衰减率

单片电池成本



PERC单晶单面

高

高

高

高



PERC单晶双面

高

高

高

高



N型单晶双面

无

低

低

高



多晶黑硅

低

低

低

低



近期，行业逐渐有企业开始宣传PERC单晶双面电池和组件。据悉，晶***在2013年已经申请并取得了PERC双面电池和组件的相关专利。光伏电站业主如使用PERC单晶双面组件，除了光致衰减率高、组件隐裂率高和机械载荷衰减率高等风险外，可能会面临专利纠纷和法律风险，这也是业主需要注意的方面。

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