一文讀懂當(dāng)前晶硅電池（PERC、TOPCon、HJT、N-IBC、P-IBC）技術(shù)及工藝流程： ?

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P型電池：PERC占據(jù)主流，接近轉(zhuǎn)化效率極限

晶硅電池技術(shù)是以硅片為襯底，根據(jù)硅片的差異區(qū)分為P型電池和N型電池。兩種電池發(fā)電原理無本質(zhì)差異，都是依據(jù)PN結(jié)進(jìn)行光生載流子分離。在P型半導(dǎo)體材料上擴散磷元素，形成n+/p型結(jié)構(gòu)的太陽電池即為P型電池片；在N型半導(dǎo)體材料上注入硼元素，形成p+/n 型結(jié)構(gòu)的太陽電池即為N型電池片。

P型電池制作工藝相對簡單，成本較低，主要是BSF電池和PERC電池。2015年之前，BSF電池占據(jù)90%市場；2016年之后，PERC電池接棒起跑，到2020年，PERC電池在全球市場中的占比已經(jīng)超過85%，且目前以雙面PERC為主。

PERC（Passivated Emitter Rear Cell）——發(fā)射極及背面鈍化電池技術(shù)，與常規(guī)電池不同之處在于背面，PERC電池采用了鈍化膜來鈍 化背面，取代了傳統(tǒng)的全鋁背場，增強光線在硅基的內(nèi)背反射，降低了背面的復(fù)合速率，從而使電池的效率提升0.5%-1%。2020年，規(guī)?；a(chǎn)的單/多晶電池平均轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到22.7%和19.4%。P型單晶電池均已采用PERC技術(shù)，平均轉(zhuǎn)換效率同比提升 0.5個百分點。

由于P型單晶硅PERC電池理論轉(zhuǎn)換效率極限為24.5%，導(dǎo)致P型PERC單晶電池效率很難再有大幅度的提升；并且未能徹底解決以P型硅 片為基底的電池所產(chǎn)生的光衰現(xiàn)象，這些因素使得P型硅電池很難有進(jìn)一步的發(fā)展。與傳統(tǒng)的P型單晶電池和P型多晶電池相比，N型電池具有轉(zhuǎn)換效率高、雙面率高、溫度系數(shù)低、無光衰、弱光效應(yīng)好、載流子壽命更長 等優(yōu)點。



雙面P-PERC電池結(jié)構(gòu)

注釋：

1、Front metal grid（Ag）：前表面金屬銀電極

2、Front ARC and passivating coating（SiNx）：前表面氮化硅鈍化層

3、n+（phosphorous）emitter：磷層發(fā)射極，稱為n+層

4、p-type Si：P型基底硅層

5、p++local Al BSF：局部鋁背場，稱為p++層

6、Rear metal grid（Al）：金屬鋁背電極

7、Rear ARC and passivating coating（Al2O3/SiNx）：背鈍化層，Al2O3帶負(fù)電，可作為P型的背鈍化層，抑制電子



單雙面P-PERC電池工藝生產(chǎn)流程

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N型電池①：TOPCon，技術(shù)過渡最優(yōu)選擇

TOPCon（Tunnel Oxide Passivated Contact）——氧化層鈍化接觸。正面與常規(guī)N型太陽能電池或N-PERT太陽能電池沒有本質(zhì)區(qū)別，電池核心技術(shù)是背面鈍化接觸。電池背面由一層超薄氧化硅（1~2nm）與一層磷摻雜的微晶非晶混合Si薄膜組成，二者共同形成鈍化接觸結(jié)構(gòu)。鈍化性能通過退火過程進(jìn)行激活，Si薄膜在該退火過程中結(jié)晶性發(fā)生變化，由微晶非晶混合相轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑?。?50°C的退火溫度下退火，iVoc>710mV,J0在9-13fA/cm2，顯示了鈍化接觸結(jié)構(gòu)優(yōu)異的鈍化性能。

該結(jié)構(gòu)可以阻擋少子空穴復(fù)合，提升電池開路電壓及短路電流。超薄氧化層可以使多子電子隧穿進(jìn)入多晶硅層同時阻擋少子空穴復(fù)合，超薄氧化硅和重?fù)诫s硅薄膜良好的鈍化效果使得硅片表面能帶產(chǎn)生彎曲，從而形成場鈍化效果，電子隧穿的幾率大幅增加，接觸電阻下降，提升了電池的開路電壓和短路電流，從而提升電池轉(zhuǎn)化效率。



N-TOPCon電池結(jié)構(gòu)



兩種工藝生產(chǎn)流程

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N型電池②：HJT（異質(zhì)結(jié)），降本利器

HJT（Heterojunction with Intrinsic Thin-film）——本征薄膜異質(zhì)結(jié)電池。具備對稱雙面電池結(jié)構(gòu)，中間為N型晶體硅。正面依次沉積本征非晶硅薄膜和P型非晶硅薄膜，從而形成P-N結(jié)。背面則依次沉積本征非晶硅薄膜和N型非晶硅薄膜，以形成背表面場。鑒于非晶硅的導(dǎo)電性比較差，因此在電池兩側(cè)沉積透明導(dǎo)電薄膜（TCO）進(jìn)行導(dǎo)電，最后采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)形成雙面電極。

主要得益于N型硅襯底以及非晶硅對基底表面缺陷的雙重鈍化作用。目前量產(chǎn)效率普遍已在24%以上；25%以上的技術(shù)路線已經(jīng)非常明確，即在前后表面使用摻雜納米晶硅、摻雜微晶硅、摻雜微晶氧化硅、摻雜微晶碳化硅取代現(xiàn)有的摻雜；HJT未來疊加IBC和鈣鈦礦轉(zhuǎn)換效率或可提升至30%以上。

由于HJT電池襯底通常為N型單晶硅，而N型單晶硅為磷摻雜，不存在P型晶硅中的硼氧復(fù)合、硼鐵復(fù)合等，所以HJT電池對于LID效應(yīng)是免疫的。HJT電池的表面沉積有TCO薄膜，無絕緣層，因此無表面層帶電的機會，從結(jié)構(gòu)上避免PID 發(fā)生。HJT電池首年衰減1-2%，此后每年衰減0.25%，遠(yuǎn)低于PERC電池?fù)芥壠乃p情況(首年衰減2%，此后每年衰減0.45%)，也因此HJT電池全生命周期每W發(fā)電量高出雙面PERC電池約1.9%-2.9%。



N-HJT電池結(jié)構(gòu)及工藝流程



N-HJT工藝生產(chǎn)流程

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N型電池③：IBC，潛力無限

IBC（Interdigitated Back Contact）——交叉指式背接觸電池技術(shù)。將P/N結(jié)、基底與發(fā)射區(qū)的接觸電極以交指形狀做在電池背面。核心技術(shù)：如何在電池背面制備出質(zhì)量較好、成叉指狀間隔排列的p區(qū)和n區(qū)。通過在電池背面印刷一層含硼的叉指狀擴散掩膜層，掩膜層上的硼經(jīng)擴散后進(jìn)入N型襯底形成p+區(qū)，而未印刷掩膜層的區(qū)域，經(jīng)磷擴散后形成n+區(qū)。前表面制備金字塔狀絨面來增強光的吸收， 同時在前表面形成前表面場（FSF）。使用離子注入技術(shù)可獲得均勻性好、結(jié)深精確可控的p區(qū)和n區(qū)，電池正面無柵線遮擋，可消除金屬電極的遮光電流損失，實現(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；由于背接觸結(jié)構(gòu)，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)電阻且有高的填充因子；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，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；外形美觀，尤其適用于光伏建筑一體化；但I(xiàn)BC電池成本較高尚未產(chǎn)業(yè)化，IBC電池制程工藝復(fù)雜，多次使用掩膜、光刻等半導(dǎo)體技術(shù)，成本幾乎為常規(guī)電池的兩倍。



N-IBC電池結(jié)構(gòu)

注釋：

1、SiNx Coating：氮化硅反層

2、N+FSF：N+前表面場

3、n-Cz Wafer：N型基底硅片

4、P+emitter：P+發(fā)射極

5、N++BSF：N+背場

6、Al2O3 passivation layer：氧化鋁鈍化層

7、SiNx Coating：氮化硅減反層

8、Ag Grid：銀電極



N-IBC工藝生產(chǎn)流程

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P型IBC（隆基有望主推，目前暫定位分布式）

P-IBC技術(shù)，是在隆基出來后大家才開始比較關(guān)注，隆基的P-IBC技術(shù)為HPBC，以P型硅片為基底。其實早在16-17年TNO宣傳P型IBC結(jié)構(gòu)。P-IBC加了個LPCVD其他的與PERC兼容，激光有點差別，90%兼容。P-IBC背結(jié)結(jié)構(gòu)，效率有優(yōu)勢，目前還是偏向于單面，雙面率不到50%，定位成分布式產(chǎn)品。P-IBC有機會成本與PERC接近，效率做上去就是24.5%-25%，實現(xiàn)1-3分人民幣/W成本差距。





兩種P-IBC電池結(jié)構(gòu)



工藝流程①：刻蝕掩膜



工藝流程②：全激光

其他企業(yè)P-IBC進(jìn)展：

江蘇日托于2021年3月申請的專利《一種P型IBC電池的制備方法》，采用P 型硅片作為襯底，正背面均無需硼摻雜，且不需要掩膜和光刻，工藝步驟簡單，將傳統(tǒng) IBC復(fù)雜的過程（18步）簡化為12步，生產(chǎn)成本明顯降低。

S01：對P型單晶硅基底進(jìn)行化學(xué)清洗和堿拋光，去除硅基底表面的機械損傷層和污 染物，且使硅基底正背表面形貌較為平坦。

S02雙面沉積氧化硅和非晶硅膜層：拋光后的基底正背面沉積氧化硅層和非晶硅 層。

S03背面P擴散、退火：對背面非晶硅層進(jìn)行磷摻雜處理，后高溫退火處理，非晶硅 轉(zhuǎn)化為多晶硅。

S04背面激光刻蝕：利用納秒級或皮秒激光對背面進(jìn)行圖案化處理。

S05去除正側(cè)面PSG：在S02和S03過程中，同時會在基底正面以及側(cè)面形成磷硅玻璃層，即PSG，采用HF酸去除；

S06堿制絨：利用KOH溶液使基底正面和背面局部區(qū)域構(gòu)造為金字塔絨面結(jié)構(gòu)。

S07雙面沉積AlOx膜層：以原子層沉積方式在基底正背面沉積一層致密的氧化鋁薄 膜。

S08背面沉積減反射膜層：以PECVD的方式在基底背面沉積氮化硅、氮氧化硅中的一 種或多種疊層膜。

S09正面沉積減反射膜層：以PECVD的方式在基底正面沉積氮化硅、氮氧化硅中的一 種或多種疊層膜。

S10背面激光開膜：利用納秒級或皮秒級激光對背面減反射層和鈍化膜疊層進(jìn)行開 膜處理

S11絲網(wǎng)印刷正負(fù)電極：N區(qū)印刷負(fù)電極Ag漿，P區(qū)印刷正電極Al漿。

S12燒結(jié)：正電極Al漿和負(fù)電極Ag漿共燒結(jié)，形成良好的歐姆接觸。

這種方法的變化在于（1）利用P型單晶硅襯底作為P區(qū)，正背面均無需硼摻雜，且無 需掩膜和光刻，工藝步驟簡單；（2）P區(qū)正電極采用Al漿，Ag漿使用量降低50%，且采用P 型單晶硅作為基底，明顯降低了生產(chǎn)成本。激光設(shè)備在此方法下得到比較好的應(yīng)用。設(shè)備環(huán)節(jié)省去了比較昂貴離子注入和光刻掩膜設(shè)備，金屬化環(huán)節(jié)采用高溫銀漿與鋁 漿，金屬化成本同步降低，增加設(shè)備僅為激光設(shè)備與部分清洗設(shè)備，初步估計改良后P 型IBC設(shè)備與PERC/TOPcon設(shè)備成本較為接近，龍頭企業(yè)規(guī)?；少彛档屯顿Y成本，預(yù)計單GW投資額約在1.9-2.1億元。

來源：口袋光伏

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