【導(dǎo)讀】IBC電池最大的特點(diǎn)是高效率，這也是研究者們所追求的最大目標(biāo)。目前多家科研單位已分別實現(xiàn)了23%的高效IBC電池的制備，并且將開路電壓提升到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)越的實際發(fā)電能力。
1.IBC電池概述及研究進(jìn)展
IBC（Interdigitated back contact指交叉背接觸）電池，是指電池正面無電極，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，正面沒有金屬電極遮擋的影響因此具有更高的短路電流Jsc，同時背面可以容許較寬的金屬柵線來降低串聯(lián)電阻Rs從而提高填充因子FF；加上電池前表面場（Front Surface Field，F(xiàn)SF）以及良好鈍化作用帶來的開路電壓增益，使得這種正面無遮擋的電池不僅轉(zhuǎn)換效率高，而且看上去更美觀，同時，全背電極的組件更易于裝配。IBC電池是目前實現(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)過近四十年的發(fā)展，IBC電池在一個太陽標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到25%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其它所有的單結(jié)晶硅太陽電池。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，隨著光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，越來越多的光伏企業(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。2013年，海潤光伏報導(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能研究所及澳大利亞國立大學(xué)建立合作研究開發(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)國家863計劃“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”，展開了對IBC電池技術(shù)的系統(tǒng)研發(fā)。經(jīng)過科研人員的不懈努力，2014年，澳大利亞國立大學(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)國家重點(diǎn)實驗室獨(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，天合光能依托國家863項目建成中試生產(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
2.IBC電池結(jié)構(gòu)及工藝技術(shù)
IBC電池的常見結(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增強(qiáng)光的吸收，同時在前表面形成前表面場（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。
常見的定域摻雜的方法包括掩膜法，可以通過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)。相對低成本的方法有通過絲網(wǎng)印刷刻蝕漿料或者阻擋型漿料來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)散過程來分別形成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），一般可以通過化學(xué)氣相沉積的方法來形成摻雜的掩膜層。這樣在后續(xù)就只需要經(jīng)過高溫將雜質(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，絲網(wǎng)印刷方法本身的局限性，如對準(zhǔn)的精度問題，印刷重復(fù)性問題等，給電池結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了一定的要求，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)，更小的金屬接觸開孔和更靈活的設(shè)計。
需要留意的是激光加工帶來的硅片損傷，以及對接觸電阻的影響；另外，精準(zhǔn)對位是激光設(shè)備的必要條件，如果不采用Scanner方式的激光頭，其加工時間往往較長，平均每片電池片的激光加工需耗時幾分鐘到十幾分鐘，生產(chǎn)效率低，目前只適合研發(fā)應(yīng)用。
近年來，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首先開發(fā)了離子注入太陽電池技術(shù)，實現(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)行一步高溫退火過程來將雜質(zhì)激活并推進(jìn)到硅片內(nèi)部，同時修復(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)
對于晶體硅太陽電池，前表面的光學(xué)特性和復(fù)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(shè)計顯得尤其重要。McIntosh等人采用橢偏儀、量子相應(yīng)測試與數(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到電池背面直到接觸電極，因此，需要更好的表面鈍化來減少載流子的復(fù)合。
為了降低載流子的復(fù)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。
場鈍化是利用薄膜中的固定正電荷或負(fù)電荷對少數(shù)載流子的屏蔽作用，比如帶正電的SiNx薄膜，會吸引帶負(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。而對于電池背表面，由于同時有P，N兩種擴(kuò)散，理想的鈍化膜則是能同時鈍化P，N兩種擴(kuò)散界面，二氧化硅是一個較理想的選擇。如果背面Emitter/P+硅占的比例較大，帶負(fù)電的薄膜如AlOx也是一個不錯的選擇。
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)計柵線，降低串聯(lián)電阻。但是，由于IBC電池的正表面沒有金屬柵線的遮擋，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)對準(zhǔn)，否則會造成電池漏電失效。與形成交替相間的擴(kuò)散區(qū)的方法相同，可以通過絲網(wǎng)印刷刻蝕漿料、濕法刻蝕或者激光等方法來將接觸區(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的方法來形成金屬接觸。而SunPower更是采用電鍍Cu來形成電極。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電池的一大研究熱點(diǎn)。
3.HJ-IBC電池的發(fā)展
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IBC電池的重要方向。
圖4 IBC-HJ電池截面示意圖
4.IBC電池發(fā)展的展望
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)分別實現(xiàn)了23%的高效IBC電池的制備，并且將開路電壓提升到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)門檻高，成本和售價高，2014年僅有美國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，IBC太陽電池的商業(yè)化應(yīng)用和推廣，有著廣泛的前景。
