IBC（Interdigitated back contact指交叉背接觸）電池，是指電池正面無(wú)電極，正負(fù)兩極金屬柵線呈指狀交叉排列于電池背面。IBC電池最大的特點(diǎn)是PN結(jié)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)（Front Surface Field，F(xiàn)SF）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)遮擋的電池不僅轉(zhuǎn)換效率高，而且看上去更美觀，同時(shí)，全背電極的組件更易于裝配。IBC電池是目前實(shí)現(xiàn)高效晶體硅電池的技術(shù)方向之一。

　　

IBC電池的概念最早于1975年由Lammert和Schwartz提出，最初應(yīng)用于高聚光系統(tǒng)中。經(jīng)過(guò)近四十年的發(fā)展，IBC電池在一個(gè)太陽(yáng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到25%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其它所有的單結(jié)晶硅太陽(yáng)電池。表一中列出了近幾年IBC電池技術(shù)的研究進(jìn)展。美國(guó)的SunPower公司是產(chǎn)業(yè)化IBC電池技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，他們已經(jīng)研發(fā)了三代IBC電池，最新的MaxeonGen3電池應(yīng)用145um厚度的N型CZ硅片襯底，最高效率已達(dá)25%。

　　

SunPower目前擁有年產(chǎn)能為100MW的第三代（Gen3）電池生產(chǎn)線，并且還有年產(chǎn)能350MW的生產(chǎn)線在建。2014年該線生產(chǎn)的電池平均效率已高達(dá)23.62%，其中Voc高達(dá)724mV，Jsc達(dá)40.16mA/cm2，F(xiàn)F達(dá)81.5%，電池的溫度系數(shù)低至-0.30%/℃，采用IBC電池的光伏組件效率超過(guò)21%。

　　

在IBC結(jié)構(gòu)上，SunPower公司的研發(fā)遙遙領(lǐng)先，其它研究成果如德國(guó)FraunhoferISE的23%，ISFH的23.1%，IMEC的23.3%等等。最近，日本的研發(fā)人員將IBC與異質(zhì)結(jié)（HJ）技術(shù)相結(jié)合，在2014年將晶體硅電池的效率突破到25%以上。其中日本Sharp和Panasonic公司將IBC與HJ技術(shù)結(jié)合在一起，研發(fā)的晶硅多結(jié)電池效率分別達(dá)到25.1%和25.6%。

　　

在中國(guó)，隨著光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，越來(lái)越多的光伏企業(yè)對(duì)IBC電池技術(shù)的研發(fā)進(jìn)行投入，如天合、晶澳、海潤(rùn)等。2013年，海潤(rùn)光伏報(bào)導(dǎo)了研發(fā)的IBC電池效率達(dá)到19.6%。2011年，天合光能與新加坡太陽(yáng)能研究所及澳大利亞國(guó)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(dān)國(guó)家863計(jì)劃“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”，展開(kāi)了對(duì)IBC電池技術(shù)的系統(tǒng)研發(fā)。經(jīng)過(guò)科研人員的不懈努力，2014年，澳大利亞國(guó)立大學(xué)（ANU）與常州天合光能有限公司合作研發(fā)的小面積IBC電池效率達(dá)24.4%，創(chuàng)下了當(dāng)時(shí)IBC結(jié)構(gòu)的電池效率的世界紀(jì)錄。

　　

同年，由常州天合光能光伏科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室獨(dú)立研發(fā)的6英寸大面積IBC電池效率已達(dá)22.9%，成為了6英寸IBC電池的最高轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，天合光能依托國(guó)家863項(xiàng)目建成中試生產(chǎn)線，進(jìn)入2015年后，天合光能科研人員采用最新開(kāi)發(fā)的工藝，在中試生產(chǎn)線做出了平均22.8%，最高23.15%（內(nèi)部測(cè)試）的結(jié)果，大部分電池效率在22%以上，如圖1所示，達(dá)到了目前工業(yè)級(jí)6英寸晶體硅電池效率的最高水平（SunPower電池均為5英寸）。

 

表一 IBC電池技術(shù)的研究進(jìn)展

 

圖1 天合光能最新產(chǎn)業(yè)化IBC電池效率分布圖

 

　　

IBC電池的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。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。

 

圖2 IBC電池的結(jié)構(gòu)圖

　　

2.1 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。

　　

2.2 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。

 

圖3 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。

　　

2.3 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?。┙佑|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)。

　　

　　

采用IBC與HJ技術(shù)結(jié)合的HIBC技術(shù)可以使電池效率進(jìn)一步提升，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，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)，日本松下和夏普公司目前取得了25.6%和25.1%的電池效率，這將成為未來(lái)IBC電池的重要方向。

 

圖4 IBC-HJ電池截面示意圖

　　

　　

高效率是IBC電池最大的特點(diǎn)，也是研究者們追求的最大目標(biāo)。目前多家科研單位已經(jīng)分別實(shí)現(xiàn)了23%的高效IBC電池的制備，并且將開(kāi)路電壓提升到700mV以上，有效降低了電池的溫度系數(shù)，使得IBC電池與常規(guī)電池相比具有更加優(yōu)越的實(shí)際發(fā)電能力。但是，目前IBC電池使用的N型硅片成本較高，電池制備過(guò)程中需要多步摻雜等復(fù)雜的工藝，使得其制造成本較高，制約了IBC電池的大規(guī)模應(yīng)用。

　　

IBC電池技術(shù)門(mén)檻高，成本和售價(jià)高，2014年僅有美國(guó)SunPower公司持有1.2GW的IBC電池年產(chǎn)能，包括年產(chǎn)能100MW的第三代高效IBC電池生產(chǎn)線。但隨著中國(guó)一線光伏制造商如天合光能的進(jìn)入，以及新型工藝和新型材料的開(kāi)發(fā)，IBC電池將沿著提高電池轉(zhuǎn)換效率，降低電池制造成本的方向，繼續(xù)向前發(fā)展。我們預(yù)測(cè)，IBC太陽(yáng)電池的商業(yè)化應(yīng)用和推廣，有著廣泛的前景。