IBC太陽(yáng)電池最顯著的特點(diǎn)是PN結(jié)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電極的遮擋，結(jié)合前表面的金字塔絨面結(jié)構(gòu)和減反層組成的陷光結(jié)構(gòu)，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(duì)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(fù)雜、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度最大的電池。采用IBC與HJ技術(shù)結(jié)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(jié)構(gòu)圖
美國(guó)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(dá)到25.2%。資料顯示，SunPower量產(chǎn)效率達(dá)25%，LG量產(chǎn)效率達(dá)24.5%。
國(guó)內(nèi)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(dá)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(dá)到715.6mV，并經(jīng)過(guò)日本電氣安全與環(huán)境技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(JET)獨(dú)立測(cè)試認(rèn)證。這是迄今為止經(jīng)第三方權(quán)威認(rèn)證的中國(guó)本土效率首次超過(guò)25%的單結(jié)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(zhuǎn)換效率，標(biāo)志著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(kuò)散區(qū)，前表面制備金字塔狀絨面來(lái)增強(qiáng)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(kuò)散區(qū)的定義及形成
較之傳統(tǒng)太陽(yáng)電池，IBC電池的工藝流程要復(fù)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(qū)和N區(qū)，以及在其上面分別形成金屬化接觸和柵線。對(duì)擴(kuò)散而言，爐管擴(kuò)散是目前應(yīng)用最廣泛的方法。普通太陽(yáng)電池的擴(kuò)散只需在P型襯底上形成N型的擴(kuò)散區(qū)，而IBC電池既有形成背面N區(qū)(BSF)的磷擴(kuò)散，還有形成PN結(jié)的硼擴(kuò)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(guī)模生產(chǎn)。相對(duì)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(dú)的擴(kuò)散過(guò)程來(lái)分別形成P型區(qū)和N型區(qū)。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(xù)就只需要經(jīng)過(guò)高溫將雜質(zhì)源擴(kuò)散到硅片內(nèi)部即可，從而節(jié)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(kuò)散掩蔽層，掩蔽層上的硼經(jīng)擴(kuò)散后進(jìn)入N型襯底形成P+區(qū)，而未印刷掩膜層的區(qū)域，經(jīng)磷擴(kuò)散后形成N+區(qū)。不過(guò)，絲網(wǎng)印刷方法本身的局限性，如對(duì)準(zhǔn)的精度問(wèn)題，印刷重復(fù)性問(wèn)題等，給電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了一定的要求，在一定的參數(shù)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(fù)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(xì)小的電池單位結(jié)構(gòu)，更小的金屬接觸開(kāi)孔和更靈活的設(shè)計(jì)。需要留意的是激光加工帶來(lái)的硅片損傷，以及對(duì)接觸電阻的影響;另外，精準(zhǔn)對(duì)位是激光設(shè)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(zhǎng)，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(yīng)用。
近年來(lái)，不斷有從半導(dǎo)體工業(yè)轉(zhuǎn)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(kuò)散中存在的擴(kuò)散死層(高濃度的擴(kuò)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(kuò)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(xiàn)了P型單晶電池>18.6%的轉(zhuǎn)換效率并將其推向商業(yè)化生產(chǎn)。當(dāng)然，離子注入技術(shù)也可以被應(yīng)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(nèi)部，同時(shí)修復(fù)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(yùn)用到IBC電池中，實(shí)現(xiàn)了22.1%和22.4%的轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)然，離子注入技術(shù)的量產(chǎn)化導(dǎo)入，設(shè)備和運(yùn)行成本是考量的關(guān)鍵。
陷光與表面鈍化技術(shù)
對(duì)于晶體硅太陽(yáng)電池，前表面的光學(xué)特性和復(fù)合至關(guān)重要。對(duì)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(shè)計(jì)顯得尤其重要。McIntosh等人采用橢偏儀、量子相應(yīng)測(cè)試與數(shù)值模擬相結(jié)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(zhǎng)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(guī)電池相比，IBC電池的性能受前表面的影響更大，因?yàn)榇蟛糠值墓馍d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(fù)合。為了降低載流子的復(fù)合，需要對(duì)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(yīng)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(fù)電荷對(duì)少數(shù)載流子的屏蔽作用，比如帶正電的SiNx薄膜，會(huì)吸引帶負(fù)電的電子到達(dá)界面，在N型硅中，少數(shù)載流子是空穴，薄膜中的正電荷對(duì)空穴具有排斥作用，從而阻止了空穴到達(dá)表面而被復(fù)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(duì)于電池背表面，由于同時(shí)有P，N兩種擴(kuò)散，理想的鈍化膜則是能同時(shí)鈍化P,N兩種擴(kuò)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(fù)電的薄膜如AlOx也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。
金屬化接觸和柵線
IBC電池的柵線都在背面，不需要考慮遮光，所以可以更加靈活地設(shè)計(jì)柵線，降低串聯(lián)電阻。但是，由于IBC電池的正表面沒(méi)有金屬柵線的遮擋，電流密度較大，在背面的接觸和柵線上的外部串聯(lián)電阻損失也較大。金屬接觸區(qū)的復(fù)合通常都較大，所以在一定范圍內(nèi)(接觸電阻損失足夠小)接觸區(qū)的比例越小，復(fù)合就越少，從而導(dǎo)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/線的步驟。另外，N和P的接觸孔區(qū)需要與各自的擴(kuò)散區(qū)對(duì)準(zhǔn)，否則會(huì)造成電池漏電失效。與形成交替相間的擴(kuò)散區(qū)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(qū)的鈍化膜去除，形成接觸區(qū)。
另外，蒸鍍和電鍍也被應(yīng)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(yuǎn)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(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，IBC電池包含三種主要類型。無(wú)主柵IBC電池。其特點(diǎn)是背面只印刷細(xì)柵線，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。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(wú)需專門設(shè)備，適用性強(qiáng)。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(duì)復(fù)雜。點(diǎn)接式IBC電池。其特點(diǎn)是無(wú)需印刷絕緣膠，主細(xì)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(zhàn)：1)對(duì)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(zhǎng)度。2)IBC電池對(duì)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(huì)大幅降低電池轉(zhuǎn)換效率。3)工藝過(guò)程復(fù)雜。背面指交叉狀的p區(qū)和n區(qū)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(qū)和n區(qū)之間的gap區(qū)域也需非常精準(zhǔn)，這無(wú)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。
HBC是方向?
采用IBC與HJ技術(shù)結(jié)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(jié)。其優(yōu)點(diǎn)是利用非晶硅優(yōu)越的表面鈍化性能，并結(jié)合IBC結(jié)構(gòu)沒(méi)有金屬遮擋的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，采用相同的器件結(jié)構(gòu)，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(duì)于晶體硅太陽(yáng)電池，Jsc的理論極限是43mA/cm2。HBC電池結(jié)構(gòu)如圖所示，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。IBC與非晶硅鈍化技術(shù)的結(jié)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(jié)構(gòu)示意圖
