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電池技術(shù)迭代驅動(dòng)光伏降本增效，N型電池步入產(chǎn)業(yè)化元年。

當前P型PERC電池效率平均2* %以上迫近其瓶頸，且電池環(huán)節盈利能力較差，亟待發(fā)展下一代高效電池技術(shù)，目前主流的TOPCON、HJT、IBC等電池均具備較好發(fā)展前景。三者之中，TOPCON現階段成本相對較低，未來(lái)效率具備潛力，且可基于現有龐大產(chǎn)能改造，頭部企業(yè)將會(huì )持續探索，明年將迎來(lái)產(chǎn)業(yè)化量產(chǎn)元年。HJT電池參數性能最優(yōu)、降本增效路徑最為清晰，較大概率成為下一代主流技術(shù)。但考慮到HJT降本仍需上下游、供應商全產(chǎn)業(yè)鏈的配套，滲透率提升還將循序漸進(jìn)，預計未來(lái)* 年TOPCON將會(huì )與HJT并存。而IBC電池具備最高的轉化效率，并可疊加工藝繼續擴大優(yōu)勢，預計技術(shù)領(lǐng)先的企業(yè)也會(huì )布局。

TOPCON挖掘現有產(chǎn)線(xiàn)生命周期，工藝優(yōu)化持續推進(jìn)。

TOPCON的核心優(yōu)勢在于可基于現有PERC產(chǎn)線(xiàn)升級改造，且在高效電池技術(shù)中非硅成本相對較低，國內PERC產(chǎn)能* 0%可改造為T(mén)OPCON，因此面臨大規模折舊計提壓力，改造成TOPCON是拉長(cháng)設備應用周期較優(yōu)選擇。TOPCON量產(chǎn)難點(diǎn)在于良率相對較低，但目前頭部電池組件已提升至接近PERC水平，并有望于2022年實(shí)現大規模量產(chǎn)。建議關(guān)注主材企業(yè)：隆基股份、中來(lái)股份、天合光能、晶澳科技；設備企業(yè)：奧特維、連城數控（拉普拉斯）。

HJT性能優(yōu)異降本清晰，有望成為下一代主流技術(shù)。

HJT電池優(yōu)勢一方面體現在其高轉化效率，有效降低發(fā)電端成本；更重要的是，考慮到衰減率低、雙面率高、溫度系數低、弱光效應等諸多優(yōu)勢，HJT雙面電池相較于PERC全生命周期每W發(fā)電量高* ~11.* %。隨著(zhù)硅片、非硅、產(chǎn)能成本持續降低，我們預計2022、202* 年底HJT成本可達到0.79、0.* * 元/W，其中2022年與TOPCON成本相當，202* 年與PERC成本相當。建議關(guān)注主材企業(yè)：東方日升、金剛玻璃；設備企業(yè)：邁為股份、捷佳偉創(chuàng )、金辰股份、京山輕機（晟成光伏） 、高測股份。

IBC技術(shù)難度及成本極高，疊加工藝具備潛力。

IBC電池由于其叉指式背接觸的優(yōu)良結構，早期效率就超過(guò)了2* %。但IBC也是商業(yè)化晶體硅電池中工藝更復雜、結構難度更大、成本更高的技術(shù)，短期量產(chǎn)存在一定難度。但由于可以與HJT/TOPCON電池技術(shù)相結合，制備HBC/POLO-IBC電池，能夠繼續提升效率至2* %以上，代表晶硅電池最高效率水平，在特定應用場(chǎng)景具備較強優(yōu)勢，需要繼續關(guān)注產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。建議關(guān)注主材企業(yè)：愛(ài)旭股份；設備企業(yè)：帝爾激光。

IBC電池介紹

IBC（Interdigitated back contact指交叉背接觸）電池是指正負金屬電極呈叉指狀方式排列在電池背光面的一種背結背接觸的太陽(yáng)電池結構，它的p-n結位于電池背面，電流屬于二維傳輸模型。MWT、EWT也屬于背接觸太陽(yáng)電池，但因其p-n結位于電池正面，故稱(chēng)之為前結背接觸太陽(yáng)電池。

IBC電池的結構如圖1，一般以n型硅作為基底，前表面是n+的前場(chǎng)區FSF，背表面為叉指狀排列的p+發(fā)射極Emitter和n+背場(chǎng)BSF。前后表面均采用SiO2/SiNx疊層膜作為鈍化層。正面無(wú)金屬接觸，背面的正負電極接觸區域也呈叉指狀排列。

IBC電池的結構如圖1，一般以n型硅作為基底，前表面是n+的前場(chǎng)區FSF，背表面為叉指狀排列的p+發(fā)射極Emitter和n+背場(chǎng)BSF。前后表面均采用SiO2/SiNx疊層膜作為鈍化層。正面無(wú)金屬接觸，背面的正負電極接觸區域也呈叉指狀排列。

FSF的作用是利用場(chǎng)鈍化效應降低表面少子濃度，從而降低表面復合速率，同時(shí)還可以降低串聯(lián)電阻，提升電子傳輸能力，可通過(guò)磷擴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，有效地分離載流子，可以通過(guò)硼擴散或旋涂的方式制備；背面BSF主要是與n型硅形成高低結，誘導形成p-n結，增強載流子的分離能力，可通過(guò)磷擴散或離子注入形成；背面p/n交替的叉指狀結構的形成是IBC電池的技術(shù)核心，可通過(guò)光刻、掩膜、激光等方法實(shí)現。

▲圖1. IBC電池結構示意圖[1]

1.2 IBC電池發(fā)展過(guò)程

197* 年Schwartz等人提出了背接觸的概念，之后經(jīng)過(guò)多年的研究發(fā)展，人們研發(fā)出了指交叉式的IBC太陽(yáng)電池，最初此類(lèi)電池主要應用于聚光系統。19* * 年，Swanson等人報道了與IBC類(lèi)似的點(diǎn)接觸(Point Contact Cell, PCC)太陽(yáng)電池，并在* * 倍聚光系統下得到19.7%的轉換效率，與正常IBC電池相比，工藝過(guò)程更為復雜，不易大規模推廣。第二年，Verlinden等人在標準光照下，制備出效率21%的IBC太陽(yáng)電池。

1997年，SunPower公司和斯坦福大學(xué)開(kāi)發(fā)的IBC電池，在1個(gè)光照下得到2* .2%的轉換效率。200* 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(1* 9cm2)的IBC電池A-* 00，電池效率為21.* %。2007年，SunPower公司經(jīng)過(guò)對原有A-* 00 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.* %的第二代IBC電池。 201* 年，SunPower公司在n型CZ硅片上制備的第三代IBC太陽(yáng)電池，最高效率達到2* .2%。

效率提升歷程

IBC電池最早是由Lammert和Schwartz在197* 年提出了這種概念，最初應用在高聚光系統中。經(jīng)過(guò)近四十年的發(fā)展，IBC電池在一個(gè)太陽(yáng)標準測試條件下的轉換效率已達到2* %，遠遠超過(guò)其它所有的單結晶硅太陽(yáng)電池。

最早實(shí)現量產(chǎn)IBC電池的是美國SunPower公司，它是產(chǎn)業(yè)化的領(lǐng)導者，201* 年美國SunPower公司就持有了年產(chǎn)能1.2GW的IBC電池，包括年產(chǎn)能100MW的第三代高效IBC電池生產(chǎn)線(xiàn)。該線(xiàn)生產(chǎn)的電池平均效率已高達2* .* 2%。

另外，日本的研發(fā)人員將IBC與異質(zhì)結（HJ）技術(shù)相結合，在201* 年將晶體硅電池的效率突破到2* %以上。其中日本Sharp和Panasonic公司將IBC與HJ技術(shù)結合在一起，研發(fā)的晶硅多結電池效率分別達到2* .1%和2* .* %。

看到IBC電池技術(shù)開(kāi)始占領(lǐng)光伏市場(chǎng)，越來(lái)越多的光伏企業(yè)對IBC電池技術(shù)的研發(fā)進(jìn)行投入，如天合、晶澳、海潤等。201* 年，海潤光伏研發(fā)的IBC電池效率達到19.* %。

2011年，天合光能也加入了該項技術(shù)的研發(fā)之中，與新加坡太陽(yáng)能研究所及澳大利亞國立大學(xué)建立合作研究開(kāi)發(fā)低成本可產(chǎn)業(yè)化的IBC電池技術(shù)和工藝。2012年，天合光能承擔了國家* * * 計劃quot效率20%以上低成本晶體硅電池產(chǎn)業(yè)化成套關(guān)鍵技術(shù)研究及示范生產(chǎn)線(xiàn)quot，展開(kāi)了對IBC電池技術(shù)的系統研發(fā)。

經(jīng)過(guò)科研人員的不懈努力，201* 年，澳大利亞國立大學(xué)（ANU）與常州天合光能吉印通 合作研發(fā)的小面積IBC電池效率達2* .* %，創(chuàng )下了當時(shí)IBC結構的電池效率的世界紀錄。

此外，常州天合光能光伏科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室還獨立研發(fā)的* 英寸大面積IBC電池，效率達到22.9%，成為* 英寸IBC電池的最高轉換效率。之后，天合光能依托國家* * * 項目建成中試生產(chǎn)線(xiàn)，采用最新開(kāi)發(fā)的工藝，1* 次打破IBC電池的世界紀錄。

另外，201* 年* 月澳大利亞新南威爾士大學(xué)（UNSW）使用天合光能的IBC高效電池再次打破光伏電池的能效記錄，將太陽(yáng)能轉換效率提升到了驚人的* * .* %，震驚業(yè)內。

技術(shù)特色：

IBC電池發(fā)射區和基區的電極均處于背面，正面完全無(wú)柵線(xiàn)遮擋，因為這種特殊的結構設計，使它具有以下優(yōu)勢：

1） 電池正面無(wú)柵線(xiàn)遮擋，可消除金屬電極的遮光電流損失，實(shí)現入射光子的最大利用化，較常規太陽(yáng)電池短路電流可提高7%左右；

2）正負電極都在電池背面，不必考慮柵線(xiàn)遮擋問(wèn)題，可適當加寬柵線(xiàn)比例，從而降低串聯(lián)電阻，提高FF；

* ） 由于正面不用考慮柵線(xiàn)遮光、金屬接觸等因素，可對表面鈍化及表面陷光結構進(jìn)行最優(yōu)化的設計，可得到較低的前表面復合速率和表面反射，從而提高Voc和Jsc；

* ）外形美觀(guān)，尤其適用于光伏建筑一體化，具有較好的商業(yè)化前景；

技術(shù)難點(diǎn)：

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。

* ）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。

* ）IBC復雜的工藝步驟使其制作成本遠高于傳統晶體硅電池。

IBC電池技術(shù)優(yōu)勢

光伏技術(shù)競爭的核心是什么？答案是提高轉化效率！ 不管是那種技術(shù)，首先轉化效率才是決勝未來(lái)的根本。

過(guò)去幾年，無(wú)論單晶還是多晶電池，都保持了每年約0.* %～0.* %的效率提升。目前，我國光伏設備行業(yè)已經(jīng)全面進(jìn)入拼質(zhì)量、拼效率的時(shí)代，轉換效率的提升已經(jīng)非常之難，每零點(diǎn)幾個(gè)百分點(diǎn)的提升都需要極大的技術(shù)突破。

IBC電池最大的特點(diǎn)是PN結和金屬接觸都處于電池的背面，正面沒(méi)有金屬電極遮擋的影響，因此具有更高的短路電流Jsc，同時(shí)背面可以容許較寬的金屬柵線(xiàn)來(lái)降低串聯(lián)電阻Rs從而提高填充因子FF；加上電池前表面場(chǎng)（FrontSurfaceField,FSF）以及良好鈍化作用帶來(lái)的開(kāi)路電壓增益，使得這種正面無(wú)遮擋的電池就擁有了高轉換效率。

IBC電池的工藝技術(shù)

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)。

1.掩膜法

IBC電池的工藝有很多種，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)。不過(guò)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，形成需要的圖形，這種方法成本較低，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。

而且，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)。

此外，激光也是解決絲網(wǎng)印刷局限性的一條途徑。無(wú)論是間接刻蝕掩膜，還是直接刻蝕，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。

離子注入也從半導體工業(yè)轉移到了光伏工業(yè)上，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。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。所以，離子注入技術(shù)的量產(chǎn)化導入的關(guān)鍵是設備和運行成本。

2.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。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。

其中，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。

而且，蒸鍍和電鍍也被應用于高效電池的金屬化。例如，ANU公司的2* .* %的IBC電池即采用蒸鍍Al的方法來(lái)形成金屬接觸。而SunPower公司則是采用電鍍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電池技術(shù)的過(guò)去、現在與未來(lái)

不過(guò)，IBC電池雖然轉換效率高，與常規電池相比也更具有優(yōu)越的實(shí)際發(fā)電能力。但其制造工藝復雜、使用的N型高質(zhì)量單晶硅片成本較高，使得其技術(shù)門(mén)檻高、制造成本高。

目前，IBC電池成本是普通電池成本的2倍左右，這制約了IBC電池的大規模應用。隨著(zhù)中國一線(xiàn)光伏制造商的進(jìn)入，以及新型工藝和新型材料的開(kāi)發(fā)，IBC電池將沿著(zhù)提高電池轉換效率，降低電池制造成本的方向繼續向前發(fā)展。IBC太陽(yáng)電池的商業(yè)化應用和推廣，有著(zhù)廣泛的前景。

IBC電池的未來(lái)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+區域尋找合適寬度的本征區域；（* ）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；（* ）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電池的整體復合，已經(jīng)有研究報道將鈍化接觸技術(shù)與IBC相結合，研發(fā)出TBC（Tunneling oxide passivated contact Back Contact）太陽(yáng)電池；也有將非晶硅鈍化技術(shù)與IBC相結合，開(kāi)發(fā)出HBC太陽(yáng)電池。

TBC電池主要是通過(guò)對傳統IBC電池的背面進(jìn)行優(yōu)化設計，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，使其具有更低的復合，更好的接觸，更高的轉化效率。目前已有報道出TBC電池轉換效率可達2* %以上。同時(shí)，Paul Procel等人也對此種電池結構進(jìn)行了詳細的模擬分析。

▲圖* . 中來(lái)光電TBC電池結構示意圖

HBC電池也已取得較好的研發(fā)進(jìn)展，在2017年已經(jīng)得到2* .* %的世界記錄效率。其Voc可以達到0.7* 0V，Jsc達到* 2.* mA/cm2，FF達* * .* %。而對于晶體硅太陽(yáng)電池，Jsc的理論極限是* * mA/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。對比表1數據，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。

▲圖* . 2* .* %效率的HBC電池結構示意圖[* ]

精簡(jiǎn)工藝步驟、降低制造成本，是實(shí)現IBC電池產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素。比如，在IBC電池的制作過(guò)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(guò)開(kāi)發(fā)配套工藝和設備升級改造，以最小代價(jià)實(shí)現與目前規?；纳a(chǎn)線(xiàn)兼容的IBC工藝路線(xiàn)。中來(lái)光電就是通過(guò)對原有n-PERT線(xiàn)的升級改造，實(shí)現了IBC電池的產(chǎn)業(yè)化。并且在后期的量產(chǎn)過(guò)程中，也會(huì )繼續優(yōu)化工藝， 以獲得更低的制造成本。

來(lái)源：AIOT大數據

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