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IBC電池技術介紹與產業化探索
責任編輯:Lillian 作者:中來股份 2019/5/27 10:38:22 瀏覽:578 干貨

IBC電池簡介及發展

1.1 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也屬于背接觸太陽電池,但因其p-n結位于電池正面,故稱之為前結背接觸太陽電池。

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

FSF的作用是利用場鈍化效應降低表面少子濃度,從而降低表面復合速率,同時還可以降低串聯電阻,提升電子傳輸能力,可通過磷擴散或離子注入等技術形成;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電池的技術核心,可通過光刻、掩膜、激光等方法實現。

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圖1. IBC電池結構示意圖[1]

1.2 IBC電池發展過程

1975年Schwartz等人提出了背接觸的概念,之后經過多年的研究發展,人們研發出了指交叉式的IBC太陽電池,最初此類電池主要應用于聚光系統。1984年,Swanson等人報道了與IBC類似的點接觸(Point Contact Cell, PCC)太陽電池,并在88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太陽電池。1997年,SunPower公司和斯坦福大學開發的IBC電池,在1個光照下得到23.2%的轉換效率。2004年,SunPower公司采用點接觸和絲網印刷技術研發出第一代大面積(3725px2的IBC電池A-300,電池效率為21.5%。2007年,SunPower公司經過對原有A-300 IBC電池工藝的優化和改進,研發出可量產的平均效率22.4%的第二代IBC電池。2014年,SunPower公司在n型CZ硅片上制備的第三代IBC太陽電池,最高效率達到25.2%。目前在IBC電池的研究基礎上,人們也在嘗試將IBC電池與其它電池相融合的研發思路,如HBC(Heterojunction Back Contact)電池是將HIT異質結電池與IBC相結合的結構,在2017年已經報道出了26.6%的電池轉換效率。

IBC電池的優勢及挑戰

2.1 優勢

IBC電池發射區和基區的電極均處于背面,正面完全無柵線遮擋,因為這種特殊的結構設計,使它具有以下優勢:

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

2)正負電極都在電池背面,不必考慮柵線遮擋問題,可適當加寬柵線比例,從而降低串聯電阻,提高FF;

3)由于正面不用考慮柵線遮光、金屬接觸等因素,可對表面鈍化及表面陷光結構進行最優化的設計,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;

4)外形美觀,尤其適用于光伏建筑一體化,具有較好的商業化前景。

2.2 挑戰

雖然IBC電池存在很多優點,但同時它也面臨很多挑戰:

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,將會大幅降低電池轉換效率。

3)工藝過程復雜。背面指交叉狀的p區和n區在制作過程中,需要多次的掩膜和光刻技術,為了防止漏電,p區和n區之間的gap區域也需非常精準,這無疑都增加了工藝難度。

4)IBC復雜的工藝步驟使其制作成本遠高于傳統晶體硅電池。

正是因為上述挑戰,使得IBC電池的產業化之路充滿阻礙。目前中來光電已經完成IBC電池核心技術的研發過程,正在積極探索IBC電池的產業化發展。

中來IBC電池產業化進展

IBC電池的核心技術之一是其背面電極的設計,因為它不僅影響電池性能,還直接決定了IBC組件的制作工藝。按照電極設計的不同,中來IBC電池包含三種主要類型,如圖2所示。

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圖2. 中來光電IBC電池背面電極設計圖

一、無主柵IBC電池

其特點是背面只印刷細柵線,無需印刷絕緣膠和主柵,相比主柵式IBC電池,制備工序簡單、成本較低。但該類型的IBC電池在制作組件時需要專門的設備配套,且有較高的精度要求,導致組件端成本較高。

二、四主柵IBC電池

     其特點是可使用常規焊接的方法制作組件,精度要求低,無需專門設備,適用性強。但在電池制備過程中需要印刷絕緣膠和主柵,電池工序相對復雜。

三、點接式IBC電池

其特點是無需印刷絕緣膠,主細柵一次印刷,電池工序簡單;制作組件時,使用金屬箔進行電池片互聯,精度要求低于無主柵式。

目前中來光電已完成上述三類IBC電池的技術開發,同時也積極開展IBC電池的產業化探索。2018年底,通過對n-PERT電池線的升級改造,中來光電實現了IBC電池的批量生產,年產能約150MW。圖3為量產線電池效率分布圖,平均效率約22.8%。

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圖3. 中來光電IBC電池量產效率分布圖

IBC電池的未來前景

IBC電池的未來發展主要有兩個方面:1)IBC電池的效率提升;2)IBC電池的產業化發展。

對于IBC電池效率的提升,可以從以下幾個方面考慮:(1)優化背電極接觸區域,降低接觸電阻;(2)為防止電池短路且性能最優,需在電池背面p+和n+區域尋找合適寬度的本征區域;(3)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;(4)背面鈍化層的引入需考慮背反射器的作用。同時為了進一步降低IBC電池的整體復合,已經有研究報道將鈍化接觸技術與IBC相結合,研發出TBC(Tunneling oxide passivated contact Back Contact)太陽電池;也有將非晶硅鈍化技術與IBC相結合,開發出HBC太陽電池。

TBC電池主要是通過對傳統IBC電池的背面進行優化設計,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26%以上。同時,Paul Procel等人也對此種電池結構進行了詳細的模擬分析。

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圖4. 中來光電TBC電池結構示意圖

HBC電池也已取得較好的研發進展,在2017年已經得到26.6%的世界記錄效率。其Voc可以達到0.740V,Jsc達到42.5 mA/cm2,FF達84.6%。而對于晶體硅太陽電池,Jsc的理論極限是43mA/cm2。HBC電池結構如圖4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與非晶硅鈍化技術的結合無疑是未來IBC電池效率提升的方向。

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圖5. 26.6%效率的HBC電池結構示意圖[3]

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精簡工藝步驟、降低制造成本,是實現IBC電池產業化的關鍵因素。比如,在IBC電池的制作過程中,可用絲網印刷、激光等目前主流晶體硅的技術代替光刻、電鍍等高成本的貴族技術;同時,通過開發配套工藝和設備升級改造,以最小代價實現與目前規模化的生產線兼容的IBC工藝路線。中來光電就是通過對原有n-PERT線的升級改造,實現了IBC電池的產業化。并且在后期的量產過程中,也會繼續優化工藝, 以獲得更低的制造成本。

參考文獻

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