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    可疊加鈣鈦礦,與TOPCon、HJT結合為TBC、HBC,IBC或成最大贏家?
    全球光伏 | 來源:全球光伏 瀏覽次數:354 發布時間:2022年5月10日
    摘要:

    隨著PERC技術的成熟與不斷挖潛,逐步逼近其轉換效率的理論極限,業界開始尋求下一代技術,目前推進中的主流技術有TOPCon(Tunnel oxide passivated contact,隧穿氧化層鈍化接觸)、HJT(Heterojunction with Intrinsic Thinfilm,異質結)和IBC(Interdigitated back contact,交叉背接觸)等。

    隨著PERC技術的成熟與不斷挖潛,逐步逼近其轉換效率的理論極限,業界開始尋求下一代技術,目前推進中的主流技術有TOPCon(Tunnel oxide passivated contact,隧穿氧化層鈍化接觸)、HJT(Heterojunction with Intrinsic Thinfilm,異質結)和IBC(Interdigitated back contact,交叉背接觸)等。

    一、多種技術爭奇斗艷,IBC有望成為新的平臺型技術

    硅基光伏電池歷經三代變化,新的技術不斷涌現推動光伏發電的性價比不斷上升。光伏電池早期以BSF為主要技術路線,該電池技術于1973年提出,其特點是采用鋁背場鈍化技術,理論轉換效率上限約為20%;隨著光伏產業對于發電效率的不懈追求以及PERC技術的成熟,成本不斷下降,光伏電池轉向以PERC技術為主,該技術于1982年提出,其特點是采用氧化鋁局部鈍化技術,相較于BSF電池技術,PERC技術鈍化效果更優,將電池的極限效率提升至23%左右。

    TOPCon和HJT一般為采用了鈍化接觸技術的N型電池(也有技術采用P型硅片),不同點在于HJT是異質結類型的電池,是具有顛覆性的技術,對新進入廠商相對有利,TOPCon仍然是同質結電池,對存量的產線和技術積累較為友好,對行業內現有玩家較為有利。

    IBC的提效降本則是另外一種思路,與TOPCon、HJT采用新的鈍化接觸結構來提高鈍化效果從而提高轉換效率的思路不同,IBC則是將電池正面的電極柵線全部轉移到電池背面,通過減少柵線對陽光的遮擋來提高轉換效率,主要通過結構的改變來提高轉換效率,是一種較為純粹的單面電池,這種結構可以與PERC、TOPCon、HJT、鈣鈦礦等多種技術疊加,因此有望成為新一代的平臺型技術,與TOPCon技術的疊加被稱為“TBC”電池,而與HJT技術的疊加則被稱為“HBC”電池。

    IBC電池技術是指一種背結背接觸的太陽電池結構,其正負金屬電極呈叉指狀方式排列在電池背光面。由于對少子壽命的要求較高,IBC電池一般以N型硅片作為基底,前表面為N+前場區FSF,利用場鈍化效應降低表面少子濃度,從而降低表面復合速率,同時還可以降低串聯電阻,提升電子傳輸能力;背表面為采用擴散方式形成的叉指狀排列的P+發射極和N++背場BSF,發射極能夠與N型硅基底形成p-n結,有效分流載流子,n+背表面場區能夠與n型硅形成高低結,增強載流子的分離能力,是IBC電池的核心技術;前后表面均采用SiO2/SiNx疊層膜作為鈍化膜,抑制IBC太陽電池背表面的載流子復合;前表面常上減射層,提高發電效率;金屬接觸部分全都在背面的正負電極接觸區域,也呈叉指狀排列。

    BC技術由SunPower提出,SunPower已成立36年,累計出貨35億片IBC電池片,擁有1000多個晶硅電池專利。1975年,Schwartz和Lammert首提背接觸式光伏電池概念;1984年,斯坦福教授Swanson研發了IBC類似的點接觸(Point Contact Cell,PCC)太陽電池,在聚光系統下轉換效率19.7%;1985年Swanson教授創立SunPower,研發IBC電池;1993年,SunPower全背接觸電池幫助本田贏得澳洲太陽能汽車挑戰賽冠軍;2004年,SunPower菲律賓工廠(25MW產能)規模量產第一代IBC電池,轉換效率最高21.5%,組件價格5-6美金/瓦。

    雖然距離SunPower推出第一代IBC電池已經相當時間,但是初代電池奠定了該種電池技術路線基本的電池結構和工藝框架:

    (1)前表面無柵線遮擋。電池前表面采用陷光絨面,且無柵線遮擋,避免了金屬電極遮光損失,最大化吸收入射光子,實現良好的短路電流;

    (2)背面為P區和N區的叉指狀間隔排列。電池背面制備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,由于消除了前表面發射極,前表面復合損失減少;

    (3)一般采用較高質量的N型硅片。由于前表面遠離背面p-n結,為了抑制前表面復合,需要更好的前表面鈍化方案,同時需要具有長擴散長度的高質量硅片(如N型硅片),以降低少數載流子在到達背結之前的復合;

    (4)與鈍化接觸技術相結合來提高電池性能。采用鈍化接觸或減少接觸面積,大幅減少背面p+區和n+區與金屬電極的接觸復合損失;

    (5)增加前表面場FSF。利用前表面場FSF的場鈍化效應降低表面少子濃度,降低表面復合速率的同時還可以降低串聯電阻,提升電子傳輸能力。

    從SunPower官網披露的最新信息來看,其最新一代IBC電池已吸收了TOPCon電池鈍化接觸的技術優點,加入了隧穿氧化層(Tunnel Oxide)與多晶硅(N/P-Poly Silicon)的復合結構,并保留了銅電極工藝;從電池結構來看,量產工藝已經簡化,成本在可接受范圍,平均的轉換效率可以達到25%,第七代電池有望將平均轉換效率提高到26%的水平。

    IBC獨有的結構也使其具有獨特的優勢:

    (1)外形美觀。IBC電池發射區和基區的電極均處于背面,正面完全無柵線遮擋,尤其適用于光伏建筑一體化(BIPV)的應用場景以及對價格敏感度較低的家用場景,商業化前景較好。

    (2)具有高轉換效率的單面結構。IBC電池正面無遮擋結構消除了柵線遮擋造成的損失,實現了入射光子的最大化利用,較常規太陽能電池短路電流可提高7%左右,正負電極都在電池背面,不必考慮柵線遮擋問題,可適當加寬柵線比例,從而降低串聯電阻,提高FF;由于正面無需考慮柵線遮光、金屬接觸等因素,可對表面鈍化及表面陷光結構進行最優化設計,得到較低的前表面復合速率和表面射,從而提高Voc和Jsc;短路電流、FF、Voc的提高使得正面無遮擋的IBC電池擁有了高轉換效率;但是柵線都在背面的獨特結構犧牲了電池的雙面性,無法吸收經過地面射的陽光,因此適用于光伏建筑一體化等無法利用背面發射光的應用場景。

    由于IBC電池結構具有良好的兼容性,逐漸形成了三大工藝路線:

    (1)以SunPower為代表的經典IBC電池工藝;

    (2)以ISFH為代表的POLO-IBC(TBC)電池工藝;

    (3)以Kaneka為代表的HBC電池工藝(IBC-SHJ)。根據2017年Kaneka實驗結果,目前IBC-SHJ(HJT)電池的轉換效率最高可達到26.7%,高于TOPCon和HJT電池的實驗效率。

    將鈍化接觸技術與IBC相結合,研發出TBC(Tunneling oxide passivated contact Back Contact)太陽電池,也就是上文所稱的POLO-IBC;將非晶硅鈍化技術與IBC相結合,開發出HBC太陽電池,二者均是通過應用載流子選擇鈍化接觸可以抑制少數載流子在界面處的復合速度,進一步降低IBC電池的整體復合,從而有效提高IBC太陽電池表面鈍化效果。TBC電池主要是通過對IBC電池的背面進行優化設計,即用P+和N+的POLY-Si作為發射極和BSF,并在POLY-Si與層之間沉積一層隧穿氧化層SiO2,使其具有更低的復合,更好的接觸,更高的轉化效率。

    2018年,ISFH采用區熔法(FZ)制備的P型硅片將POLO技術應用于IBC電池,在4cm2的電池面積上獲得了26.1%的POLO-IBC太陽電池光電轉換效率,但該結構制備流程相對復,使用了多次光刻和自對準的工藝;為了簡化工藝,ISFH公司在P型PERC電池的技術上疊加多晶硅沉積,在常規CZ法獲得的P型單晶硅片上制備POLO-IBC電池,利用原位制備多晶硅層,采用絲網印刷和共燒結形成金屬接觸,獲得21.8%的轉換效率,該技術路徑與現有產線兼容度較高,但轉換效率較低。在N型硅片基底上,2019年天合光能采用LPCVD(低壓化學氣相沉積)法對IBC電池的BSF進行多晶硅隧穿氧化,只通過調節濕法工藝使其與原始IBC電池工藝相兼容,在6英寸硅片上將轉換效率由24.1%提高到25%。

    與傳統IBC電池不同的是,HBC電池結構背面的Emitter和BSF區域為p+非晶硅和n+非晶硅層,在異質結接觸區域插入一層本非晶硅鈍化層。HBC電池結構能夠獲得較高轉換效率的原因在于:

    (1)高Voc。HBC電池采用化非晶硅(a-Si:H)作為雙面鈍化層,在背面形成局部a-Si/c-Si異質結結構,基于高質量的非晶硅鈍化,獲得高Voc。充分吸收了HJT電池非晶硅鈍化技術的優點。

    (2)高Jsc。HBC電池采用了IBC電池結構,前表面無遮光損失和減少了電阻損失,從而擁有較高的Jsc,充分結合了HJT電池技術與IBC電池結構的優點。

    HBC電池主要是由Kaneka在推動,已取得較好的研發進展,2017年日本化學公司和太陽能電池制造商Kaneka通過背接觸異質結技術實現的的最高效率26.63%,國內則主要是愛旭股份在推動N型ABC電池技術。

    IBC目前大規模產業化面臨的問題是工序多、量產難度大導致成本高。根據普樂新能源的披露,IBC電池技術的生產成本和產線投入仍然不占優勢,非硅成本的差異主要來源于良率、銀漿成本和折舊成本,成熟的PERC電池在現階段還具有較為明顯的性價比。隨著TOPCon技術以及HJT技術的不斷進步和成熟,與其相結合的TBC、HBC電池有望受益。

    二、IBC電池的制備:與現有產線兼容度較高,激光設備或為主要增量

    IBC主要是一種電機結構的改變,涉及到的內部結構的改變較少,因此對PERC、TOPCon、HJT等各種電池制備技術的兼容度較好,包括非晶硅膜的制備(PECVD、Cat-CVD)、TCO膜的制備(PECVD、RPD)、POLY層的制備(PECVD、LPCVD、ICP)、鈍化層的制備(PECVD、ALD)等;IBC電池的變化主要體現在電池的背面,一般有p++(發射極,收集空穴載流子)和n++(背表面場,捕獲電子)兩個重區,兩個區的中間一般還有一個間隙(gap),由于中等區域中電子的遷移率是空穴的3倍,因此IBC電池一般采用較大面積的發射極。

    (一)經典IBC電池的工藝流程

    IBC的電池制備工序主要分為表面制絨、表面鈍化、以及背電極的制備等過程,與傳統的PERC等電池工藝路線相比,工藝的改變以及增量工藝主要體現在背電極的構型,而背電極的構型則可利用絲網印刷、光刻法、噴墨打印等技術獲得。

    (1)絲網印刷技術

    絲網印刷技術現在已經非常成熟,廣泛地應用于太陽能電池電極的制備過程中,國產廠商在該方面也已經較為領先,產生了邁為股份這種在絲網印刷領域市占率領先、技術領先的優秀廠商。2010年,Bock等使用絲網印刷并結合激光刻蝕的方法對IBC太陽電池的背面進行了,絲網印刷技術用來在電池背面制備Al-p+發射極,通過絲網印刷技術取代高溫擴散,避免了高溫擴散對晶體硅的破壞,應用了激光刻蝕技術簡化生產步驟,使用PECVD技術進行鈍化降低了工藝溫度。絲網印刷技術工藝成熟,成本低廉,但由于IBC電池背部圖形的特點,需經過多次絲網印刷和精確的對準工藝,從而增加了工藝難度和成本。

    (2)激光刻蝕技術

    激光刻蝕是利用激光束對硅片表面或者其表面的涂層進行刻蝕,可以避免傳統的掩膜工藝,簡化生產步驟,而且激光技術可以和其他技術結合用于電極制備和局部等過程。德國ISFH提出的RISE工藝(rear interdigitated contact scheme,metalized by a single evaporation)即使用到了刻蝕技術。首先用PECVD在硅片上沉積一層SiNx作為保護層,再使用激光在硅片上刻蝕出溝槽,之后對其進行。經過前表面的單面制絨后,在背面加上一層有機保護層,再使用激光刻蝕與化學刻蝕形成條形接觸開孔并移去有機保護層,之后通過PECVD在正面沉積一層SiNx鈍化層,最后通過單面蒸發金屬鋁,形成背電極。對于正負電極在凹槽側壁上的分離,ISFH采用了自對準分離法,即在形成金屬電極之前經過一個退火過程在溝槽的側壁上生成一層多孔氧化層,形成鋁電極后在電極上再覆蓋一層很的SiOx,然后使用濕化學腐蝕就可分離側壁上的金屬電極。RISE工藝的優點在于,激光刻蝕定位較為準確,減少了工藝步驟,對降低生產成本有較為積極的作用。

    (3)離子注入技術

    IBC硅太陽電池的制備過程中,對硅表面進行是一個重要的流程,區域的濃度、深度及均勻性等都會直接影響到硅太陽電池的性能。傳統的高溫方式是熱化學應和熱擴散運動的結合,使用高溫擴散比較容易獲得高濃度、深結深的區域,但是其效果受化學結合力、擴散系數和材料固溶度等因素的限制,長時間的高溫過程不但會對硅片晶格結構造成損傷,還會造成離子的側向擴散,使相鄰區域相互滲;除了傳統的高溫方式,還可以使用PECVD先在晶體硅表面形成一層磷硅玻璃(PSG)作為磷源,再通過高溫擴散實現。

    離子注入是另外一種的方式,真空中一束離子束射向一塊固體材料,受到固體材料的抵抗而速度慢慢降低,并最終停留在固體材料中。離子注入可以克服傳統高溫的缺點,又可以進行精準、高純度的,同時還能減少太陽能電池的工藝步驟,而且所得到的區域界面平整,減少側向擴散;但是離子注入過程中,高能粒子會對硅材料造成一定程度的損傷,可以通過高溫退火的方法消除,而且高溫退火還能在硅片兩面形成一層SiO2層,起到鈍化的效果,而且不會產生PSG或BSG層。離子注入具有控制精度高、擴散均勻性好等特點,但是設備較為昂貴,且易造成晶格損傷,2017年Y.S.Kim等應用離子注入進行硼和磷,制備的IBC獲得了22.9%的轉化效率。

    (二)HBC電池的工藝流程

    HBC電池集齊了IBC與HJT的優勢,但同時也面臨二者各自的生產工藝問題。HBC制備工藝流程相較于HJT增加了掩膜、激光開槽、刻蝕步驟以完成背面PN區的制備,制程有所增長;與HJT相同的是,本和非晶硅膜工藝窗口窄,對工藝清潔度要求極高;同時由于IBC的特殊結構,正負電極都處于背面,電極印刷和電極隔離工藝對設備精度要求高;在金屬化環節,低溫銀漿導電性弱,需要跟TCO配合良好,壁壘高供給少;對于組件端,低溫電池制程需要客戶端的低溫組件封裝工藝配合。因此目前HBC整體設備昂貴,工序長,投資成本高。HBC太陽電池不僅需要解決HJT技術存在的TCO靶材和低溫銀漿成本高等問題,還需要解決IBC技術嚴格的電極隔離、制程復及工藝窗口窄等問題。因此,盡管HBC太陽電池光電轉換效率優勢明顯,但其至今實現產業化,在HJT電池技術還完全成熟的大背景下,HBC的成熟預計還將有一定的過程。

    與經典IBC電池相同,HBC的關鍵工藝為制備背面P區(硼非晶硅)和N區(磷非晶硅),其核心在于“掩模-開槽-沉積-刻蝕”等工藝。根據2017年日本Kaneka的方案,其制備HBC電池涉及8個工序,5個不同設備,制程復而昂貴。目前產業內針對該工藝流程核心的降本方向是簡化非晶硅膜的工序、降低關鍵設備PECVD的設備成本、采用更低成本的非晶硅沉積設備。

    和HJT電池類似,在非晶硅膜沉積設備方面,主要有板式PECVD、HWCVD和LPCVD設備;制備TCO明導電膜,采用PVD或RPD設備,設備方面以及各種工藝路線的比較和HJT基本一致,本文不再贅述。跟HJT電池工藝一樣,經典HBC電池整段工藝都是在200℃左右制備,因此金屬化工藝需要使用低溫漿料,但是由于HBC電池只需單面印刷銀漿,銀漿成本始終會低于HJT,HBC來或許會成為HJT技術降低銀漿成本一個很重要的手段。

    (三)TBC電池的工藝流程

    同樣的,TBC(或稱POLO-IBC)電池集齊了IBC與TOPCon的優勢,但同時也面臨二者各自的生產工藝問題。相較于TOPCon,TBC所增加的工藝也主要是背面電極的相關工藝,包括掩膜、激光開槽、刻蝕以及PN區的制備;與TOPCon類似,TBC也面臨著良率、成本、技術路線不確定等問題,好在進入22年之后,多家廠商加快了TOPCon投產的腳步,將有效推動TOPCon技術的進步。

    (四)IBC、TBC、HBC的比較與總結

    IBC、TBC、HBC三種電池工藝各有特點,各自繼承了一定的優點和缺點,共同點在于背面電極的處理,屬于增量工藝與設備,激光是其中較為重要的部分。經典IBC電池工藝特點:

    (1)用掩模和爐管擴散制備背面PN區;

    (2)P區N區隔離,分別跟金屬電極接觸;

    (3)單面絲網印刷,無主柵或多主柵;

    (4)兼容部分PERC工序;

    (5)高溫制程,設備及工藝成熟、成本低。

    TBC電池工藝特點:

    (1)掩模和爐管擴散制備背面PN區,或掩模和CVD原位制備背面PN區;

    (2)PN區與基區之間沉積一層隧穿氧化層;

    (3)P區N區隔離,分別跟金屬電極接觸;

    (4)單面絲網印刷,無主柵或多主柵;

    (5)兼容部分TOPCon工序;

    (6)高溫制程,工藝接近成熟、成本低。SunPower和國內嘗試量產IBC電池的企業,紛紛向該技術路線轉型,諸如隆基推動的HPBC,可能就是一種TBC電池技術的變形。

    HBC電池工藝特點:

    (1)掩模和CVD原位制備背面PN區;

    (2)電池正面沉積本非晶硅鈍化層;

    (3)PN區與基區之間沉積本非晶硅鈍化層;

    (4)PN區與金屬電極之間沉積TCO層;

    (5)單面絲網印刷,無主柵或多主柵;

    (6)兼容HJT設備和工藝;

    (7)低溫制程,工藝接近成熟、成本高。吸收了非晶硅鈍化技術的HBC電池,與HJT電池技術一道,成為新一代最有發展潛力的晶硅電池工藝路線。

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