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1．IBC電池
簡介及發(fā)展
1．1 IBC電池介紹
IBC（Interdigitated back contact指交叉背接觸）電池是指正負(fù)金屬電極呈叉指狀方式排列在電池背光面的一種背結(jié)背接觸的太陽電池結(jié)構(gòu)，它的p－n結(jié)位于電池背面，電流屬于二維傳輸模型。MWT、EWT也屬于背接觸太陽電池，但因其p－n結(jié)位于電池正面，故稱之為前結(jié)背接觸太陽電池。
IBC電池的結(jié)構(gòu)如圖1，一般以n型硅作為基底，前表面是n＋的前場區(qū)FSF，背表面為叉指狀排列的p＋發(fā)射極Emitter和n＋背場BSF。前后表面均采用SiO2／SiNx疊層膜作為鈍化層。正面無金屬接觸，背面的正負(fù)電極接觸區(qū)域也呈叉指狀排列。
IBC電池的結(jié)構(gòu)如圖1，一般以n型硅作為基底，前表面是n＋的前場區(qū)FSF，背表面為叉指狀排列的p＋發(fā)射極Emitter和n＋背場BSF。前后表面均采用SiO2／SiNx疊層膜作為鈍化層。正面無金屬接觸，背面的正負(fù)電極接觸區(qū)域也呈叉指狀排列。
FSF的作用是利用場鈍化效應(yīng)降低表面少子濃度，從而降低表面復(fù)合速率，同時(shí)還可以降低串聯(lián)電阻，提升電子傳輸能力，可通過磷擴(kuò)散或離子注入等技術(shù)形成；背面Emitter的作用是與n型硅基底形成p－n結(jié)，有效地分離載流子，可以通過硼擴(kuò)散或旋涂的方式制備；背面BSF主要是與n型硅形成高低結(jié)，誘導(dǎo)形成p－n結(jié)，增強(qiáng)載流子的分離能力，可通過磷擴(kuò)散或離子注入形成；背面p／n交替的叉指狀結(jié)構(gòu)的形成是IBC電池的技術(shù)核心，可通過光刻、掩膜、激光等方法實(shí)現(xiàn)。
▲圖1． IBC電池結(jié)構(gòu)示意圖［1］
1．2 IBC電池發(fā)展過程
1975年Schwartz等人提出了背接觸的概念，之后經(jīng)過多年的研究發(fā)展，人們研發(fā)出了指交叉式的IBC太陽電池，最初此類電池主要應(yīng)用于聚光系統(tǒng)。
1984年，Swanson等人報(bào)道了與IBC類似的點(diǎn)接觸（Point Contact Cell， PCC）太陽電池，并在88倍聚光系統(tǒng)下得到19．7％的轉(zhuǎn)換效率，與正常IBC電池相比，工藝過程更為復(fù)雜，不易大規(guī)模推廣。
第二年，Verlinden等人在標(biāo)準(zhǔn)光照下，制備出效率21％的IBC太陽電池。1997年，SunPower公司和斯坦福大學(xué)開發(fā)的IBC電池，在1個(gè)光照下得到23．2％的轉(zhuǎn)換效率。2004年，SunPower公司采用點(diǎn)接觸和絲網(wǎng)印刷技術(shù)研發(fā)出第一代大面積（149cm2）的IBC電池A－300，電池效率為21．5％。
2007年，SunPower公司經(jīng)過對原有A－300 IBC電池工藝的優(yōu)化和改進(jìn)，研發(fā)出可量產(chǎn)的平均效率22．4％的第二代IBC電池。2014年，SunPower公司在n型CZ硅片上制備的第三代IBC太陽電池，最高效率達(dá)到25．2％。
目前在IBC電池的研究基礎(chǔ)上，人們也在嘗試將IBC電池與其它電池相融合的研發(fā)思路，如HBC（Heterojunction Back Contact）電池是將HIT異質(zhì)結(jié)電池與IBC相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，在2017年已經(jīng)報(bào)道出了26．6％的電池轉(zhuǎn)換效率。
2．IBC電池的
優(yōu)勢及挑戰(zhàn)
2．1 優(yōu)勢
IBC電池發(fā)射區(qū)和基區(qū)的電極均處于背面，正面完全無柵線遮擋，因?yàn)檫@種特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使它具有以下優(yōu)勢：
1）電池正面無柵線遮擋，可消除金屬電極的遮光電流損失，實(shí)現(xiàn)入射光子的最大利用化，較常規(guī)太陽電池短路電流可提高7％左右；
2）正負(fù)電極都在電池背面，不必考慮柵線遮擋問題，可適當(dāng)加寬柵線比例，從而降低串聯(lián)電阻，提高FF；
3）由于正面不用考慮柵線遮光、金屬接觸等因素，可對表面鈍化及表面陷光結(jié)構(gòu)進(jìn)行最優(yōu)化的設(shè)計(jì)，可得到較低的前表面復(fù)合速率和表面反射，從而提高Voc和Jsc；
4）外形美觀，尤其適用于光伏建筑一體化，具有較好的商業(yè)化前景；
2．2 挑戰(zhàn)
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(zhàn)：
1）對基體材料要求較高，需要較高的少子壽命。因?yàn)镮BC電池屬于背結(jié)電池，為使光生載流子在到達(dá)背面p－n結(jié)前盡可能少的或完全不被復(fù)合掉，就需要較高的少子擴(kuò)散長度。
2）IBC電池對前表面的鈍化要求較高。如果前表面復(fù)合較高，光生載流子在未到達(dá)背面p－n結(jié)區(qū)之前，已被復(fù)合掉，將會大幅降低電池轉(zhuǎn)換效率。
3）工藝過程復(fù)雜。背面指交叉狀的p區(qū)和n區(qū)在制作過程中，需要多次的掩膜和光刻技術(shù)，為了防止漏電，p區(qū)和n區(qū)之間的gap區(qū)域也需非常精準(zhǔn)，這無疑都增加了工藝難度。
4）IBC復(fù)雜的工藝步驟使其制作成本遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)晶體硅電池。
正是因?yàn)樯鲜鎏魬?zhàn)，使得IBC電池的產(chǎn)業(yè)化之路充滿阻礙。目前中來光電已經(jīng)完成IBC電池核心技術(shù)的研發(fā)過程，正在積極探索IBC電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
3．中來IBC電池
產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展
IBC電池的核心技術(shù)之一是其背面電極的設(shè)計(jì)，因?yàn)樗粌H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(shè)計(jì)的不同，中來IBC電池包含三種主要類型，如圖2所示。
▲圖2． 中來光電IBC電池背面電極設(shè)計(jì)圖
一、無主柵IBC電池
其特點(diǎn)是背面只印刷細(xì)柵線，無需印刷絕緣膠和主柵，相比主柵式IBC電池，制備工序簡單、成本較低。但該類型的IBC電池在制作組件時(shí)需要專門的設(shè)備配套，且有較高的精度要求，導(dǎo)致組件端成本較高。
二、四主柵IBC電池
其特點(diǎn)是可使用常規(guī)焊接的方法制作組件，精度要求低，無需專門設(shè)備，適用性強(qiáng)。但在電池制備過程中需要印刷絕緣膠和主柵，電池工序相對復(fù)雜。
三、點(diǎn)接式IBC電池
其特點(diǎn)是無需印刷絕緣膠，主細(xì)柵一次印刷，電池工序簡單；制作組件時(shí)，使用金屬箔進(jìn)行電池片互聯(lián)，精度要求低于無主柵式。
目前中來光電已完成上述三類IBC電池的技術(shù)開發(fā)，同時(shí)也積極開展IBC電池的產(chǎn)業(yè)化探索。2018年底，通過對n－PERT電池線的升級改造，中來光電實(shí)現(xiàn)了IBC電池的批量生產(chǎn)，年產(chǎn)能約150MW。圖3為量產(chǎn)線電池效率分布圖，平均效率約22．8％。
▲圖3． 中來光電IBC電池量產(chǎn)效率分布圖
4．IBC電池的
未來前景
IBC電池的未來發(fā)展主要有兩個(gè)方面：1）IBC電池的效率提升；2）IBC電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
對于IBC電池效率的提升，可以從以下幾個(gè)方面考慮：（1）優(yōu)化背電極接觸區(qū)域，降低接觸電阻；（2）為防止電池短路且性能最優(yōu)，需在電池背面p＋和n＋區(qū)域?qū)ふ液线m寬度的本征區(qū)域；（3）使用體壽命較高的n型硅片作為基體，對其前后表面制備良好的鈍化層，保持較高的少子壽命；（4）背面鈍化層的引入需考慮背反射器的作用。同時(shí)為了進(jìn)一步降低IBC電池的整體復(fù)合，已經(jīng)有研究報(bào)道將鈍化接觸技術(shù)與IBC相結(jié)合，研發(fā)出TBC（Tunneling oxide passivated contact Back Contact）太陽電池；也有將非晶硅鈍化技術(shù)與IBC相結(jié)合，開發(fā)出HBC太陽電池。
TBC電池主要是通過對傳統(tǒng)IBC電池的背面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，即用p＋和n＋的POLY－Si作為Emitter和BSF，并在POLY－Si與摻雜層之間沉積一層隧穿氧化層SiO2，使其具有更低的復(fù)合，更好的接觸，更高的轉(zhuǎn)化效率。目前已有報(bào)道出TBC電池轉(zhuǎn)換效率可達(dá)26％以上。同時(shí)，Paul Procel等人也對此種電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的模擬分析。
▲圖4． 中來光電TBC電池結(jié)構(gòu)示意圖
HBC電池也已取得較好的研發(fā)進(jìn)展，在2017年已經(jīng)得到26．6％的世界記錄效率。其Voc可以達(dá)到0．740V，Jsc達(dá)到42．5 mA／cm2，F(xiàn)F達(dá)84．6％。
而對于晶體硅太陽電池，Jsc的理論極限是43mA／cm2。HBC電池結(jié)構(gòu)如圖4所示，與傳統(tǒng)IBC電池不同的是，背面的emitter和BSF區(qū)域?yàn)閜＋非晶硅和n＋非晶硅層，在異質(zhì)結(jié)接觸區(qū)域插入一層本征非晶硅鈍化層。對比表1數(shù)據(jù)，IBC與非晶硅鈍化技術(shù)的結(jié)合無疑是未來IBC電池效率提升的方向。
▲圖5． 26．6％效率的HBC電池結(jié)構(gòu)示意圖［3］
精簡工藝步驟、降低制造成本，是實(shí)現(xiàn)IBC電池產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素。比如，在IBC電池的制作過程中，可用絲網(wǎng)印刷、激光等目前主流晶體硅的技術(shù)代替光刻、電鍍等高成本的貴族技術(shù)；同時(shí)，通過開發(fā)配套工藝和設(shè)備升級改造，以最小代價(jià)實(shí)現(xiàn)與目前規(guī)?；纳a(chǎn)線兼容的IBC工藝路線。
中來光電就是通過對原有n－PERT線的升級改造，實(shí)現(xiàn)了IBC電池的產(chǎn)業(yè)化。并且在后期的量產(chǎn)過程中，也會繼續(xù)優(yōu)化工藝， 以獲得更低的制造成本。