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IBC电池技术介绍与产业化探索
责任编辑:Lillian 作者:中来股份 2019/5/27 10:38:22 浏览:597 干货

IBC电池简介及发展

1.1 IBC电池介绍

IBC(Interdigitated back contact指交叉背接触)电池是指正负金属电极呈叉指状方式排列在电池背光面的一种背结背接触的太阳电池结构,它的p-n结位于电池背面,电流属于二维传输模型。MWT、EWT也属于背接触太阳电池,但因其p-n结位于电池正面,故称之为前结背接触太阳电池。

IBC电池的结构如图1,一般以n型硅作为基底,前表面是n+的前场区FSF,背表面为叉指状排列的p+发射极Emitter和n+背场BSF。前后表面均采用SiO2/SiNx叠层膜作为钝化层。正面无金属接触,背面的正负电极接触区域也呈叉指状排列。

FSF的作用是利用场钝化效应降低表面少子浓度,从而降低表面复合速率,同时还可以降低串联电阻,提升电子传输能力,可通过磷扩散或离子注入等技术形成;背面Emitter的作用是与n型硅基底形成p-n结,有效地分离载流子,可以通过硼扩散或旋涂的方式制备;背面BSF主要是与n型硅形成高低结,诱导形成p-n结,增强载流子的分离能力,可通过磷扩散或离子注入形成;背面p/n交替的叉指状结构的形成是IBC电池的技术核心,可通过光刻、掩膜、激光等方法实现。

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图1. IBC电池结构示意图[1]

1.2 IBC电池发展过程

1975年Schwartz等人提出了背接触的概念,之后经过多年的研究发展,人们研发出了指交叉式的IBC太阳电池,最初此类电池主要应用于聚光系统。1984年,Swanson等人报道了与IBC类似的点接触(Point Contact Cell, PCC)太阳电池,并在88倍聚光系统下得到19.7%的转换效率,与正常IBC电池相比,工艺过程更为复杂,不易大规模推广。第二年,Verlinden等人在标准光照下,制备出效率21%的IBC太阳电池。1997年,SunPower公司和斯坦福大学开发的IBC电池,在1个光照下得到23.2%的转换效率。2004年,SunPower公司采用点接触和丝网印刷技术研发出第一代大面积(3725px2的IBC电池A-300,电池效率为21.5%。2007年,SunPower公司经过对原有A-300 IBC电池工艺的优化和改进,研发出可量产的平均效率22.4%的第二代IBC电池。2014年,SunPower公司在n型CZ硅片上制备的第三代IBC太阳电池,最高效率达到25.2%。目前在IBC电池的研究基础上,人们也在尝试将IBC电池与其它电池相融合的研发思路,如HBC(Heterojunction Back Contact)电池是将HIT异质结电池与IBC相结合的结构,在2017年已经报道出了26.6%的电池转换效率。

IBC电池的优势及挑战

2.1 优势

IBC电池发射区和基区的电极均处于背面,正面完全无栅线遮挡,因为这种特殊的结构设计,使它具有以下优势:

1)电池正面无栅线遮挡,可消除金属电极的遮光电流损失,实现入射光子的最大利用化,较常规太阳电池短路电流可提高7%左右;

2)正负电极都在电池背面,不必考虑栅线遮挡问题,可适当加宽栅线比例,从而降低串联电阻,提高FF;

3)由于正面不用考虑栅线遮光、金属接触等因素,可对表面钝化及表面陷光结构进行最优化的设计,可得到较低的前表面复合速率和表面反射,从而提高Voc和Jsc;

4)外形美观,尤其适用于光伏建筑一体化,具有较好的商业化前景。

2.2 挑战

虽然IBC电池存在很多优点,但同时它也面临很多挑战:

1)对基体材料要求较高,需要较高的少子寿命。因为IBC电池属于背结电池,为使光生载流子在到达背面p-n结前尽可能少的或完全不被复合掉,就需要较高的少子扩散长度。

2)IBC电池对前表面的钝化要求较高。如果前表面复合较高,光生载流子在未到达背面p-n结区之前,已被复合掉,将会大幅降低电池转换效率。

3)工艺过程复杂。背面指交叉状的p区和n区在制作过程中,需要多次的掩膜和光刻技术,为了防止漏电,p区和n区之间的gap区域也需非常精准,这无疑都增加了工艺难度。

4)IBC复杂的工艺步骤使其制作成本远高于传统晶体硅电池。

正是因为上述挑战,使得IBC电池的产业化之路充满阻碍。目前中来光电已经完成IBC电池核心技术的研发过程,正在积极探索IBC电池的产业化发展。

中来IBC电池产业化进展

IBC电池的核心技术之一是其背面电极的设计,因为它不仅影响电池性能,还直接决定了IBC组件的制作工艺。按照电极设计的不同,中来IBC电池包含三种主要类型,如图2所示。

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图2. 中来光电IBC电池背面电极设计图

一、无主栅IBC电池

其特点是背面只印刷细栅线,无需印刷绝缘胶和主栅,相比主栅式IBC电池,制备工序简单、成本较低。但该类型的IBC电池在制作组件时需要专门的设备配套,且有较高的精度要求,导致组件端成本较高。

二、四主栅IBC电池

     其特点是可使用常规焊接的方法制作组件,精度要求低,无需专门设备,适用性强。但在电池制备过程中需要印刷绝缘胶和主栅,电池工序相对复杂。

三、点接式IBC电池

其特点是无需印刷绝缘胶,主细栅一次印刷,电池工序简单;制作组件时,使用金属箔进行电池片互联,精度要求低于无主栅式。

目前中来光电已完成上述三类IBC电池的技术开发,同时也积极开展IBC电池的产业化探索。2018年底,通过对n-PERT电池线的升级改造,中来光电实现了IBC电池的批量生产,年产能约150MW。图3为量产线电池效率分布图,平均效率约22.8%。

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图3. 中来光电IBC电池量产效率分布图

IBC电池的未来前景

IBC电池的未来发展主要有两个方面:1)IBC电池的效率提升;2)IBC电池的产业化发展。

对于IBC电池效率的提升,可以从以下几个方面考虑:(1)优化背电极接触区域,降低接触电阻;(2)为防止电池短路且性能最优,需在电池背面p+和n+区域寻找合适宽度的本征区域;(3)使用体寿命较高的n型硅片作为基体,对其前后表面制备良好的钝化层,保持较高的少子寿命;(4)背面钝化层的引入需考虑背反射器的作用。同时为了进一步降低IBC电池的整体复合,已经有研究报道将钝化接触技术与IBC相结合,研发出TBC(Tunneling oxide passivated contact Back Contact)太阳电池;也有将非晶硅钝化技术与IBC相结合,开发出HBC太阳电池。

TBC电池主要是通过对传统IBC电池的背面进行优化设计,即用p+和n+的POLY-Si作为Emitter和BSF,并在POLY-Si与掺杂层之间沉积一层隧穿氧化层SiO2,使其具有更低的复合,更好的接触,更高的转化效率。目前已有报道出TBC电池转换效率可达26%以上。同时,Paul Procel等人也对此种电池结构进行了详细的模拟分析。

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图4. 中来光电TBC电池结构示意图

HBC电池也已取得较好的研发进展,在2017年已经得到26.6%的世界记录效率。其Voc可以达到0.740V,Jsc达到42.5 mA/cm2,FF达84.6%。而对于晶体硅太阳电池,Jsc的理论极限是43mA/cm2。HBC电池结构如图4所示,与传统IBC电池不同的是,背面的emitter和BSF区域为p+非晶硅和n+非晶硅层,在异质结接触区域插入一层本征非晶硅钝化层。对比表1数据,IBC与非晶硅钝化技术的结合无疑是未来IBC电池效率提升的方向。

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图5. 26.6%效率的HBC电池结构示意图[3]

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精简工艺步骤、降低制造成本,是实现IBC电池产业化的关键因素。比如,在IBC电池的制作过程中,可用丝网印刷、激光等目前主流晶体硅的技术代替光刻、电镀等高成本的贵族技术;同时,通过开发配套工艺和设备升级改造,以最小代价实现与目前规模化的生产线兼容的IBC工艺路线。中来光电就是通过对原有n-PERT线的升级改造,实现了IBC电池的产业化。并且在后期的量产过程中,也会继续优化工艺, 以获得更低的制造成本。

参考文献

[1] Granek F. High-efficiency back-contact back-junction silicon solar cells[M]. Dr. Hut, 2010.

[2] Kerschaver E V, Beaucarne G. Back‐contact solar cells: A review[J]. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2006, 14(2): 107-123.

[3] Yoshikawa K, Kawasaki H, Yoshida W, et al. Silicon heterojunction solar cell with interdigitated back contacts for a photoconversion efficiency over 26%[J]. Nature Energy, 2017, 2(5): 17032.

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[6] Yoshikawa K, Yoshida W, Irie T, et al. Exceeding conversion efficiency of 26% by heterojunction interdigitated back contact solar cell with thin film Si technology[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2017, 173: 37-42.


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