【導讀】IBC電池最大的特點是高效率，這也是研究者們所追求的最大目標。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電池概述及研究進展
IBC（Interdigitated back contact指交叉背接觸）電池，是指電池正面無電極，正負兩極金屬柵線呈指狀交叉排列于電池背面。IBC電池最大的特點是PN結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方向之一。
IBC電池的概念最早于1975年由Lammert和Schwartz提出，最初應用于高聚光系統(tǒng)中。經過近四十年的發(fā)展，IBC電池在一個太陽標準測試條件下的轉換效率已達到25%，遠遠超過其它所有的單結晶硅太陽電池。表一中列出了近幾年IBC電池技術的研究進展。美國的SunPower公司是產業(yè)化IBC電池技術的領導者，他們已經研發(fā)了三代IBC電池，最新的MaxeonGen3電池應用145um厚度的N型CZ硅片襯底，最高效率已達25%。
SunPower目前擁有年產能為100MW的第三代（Gen3）電池生產線，并且還有年產能350MW的生產線在建。2014年該線生產的電池平均效率已高達23.62%，其中Voc高達724mV，Jsc達40.16mA/cm2，F(xiàn)F達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結構上，SunPower公司的研發(fā)遙遙領先，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與異質結（HJ）技術相結合，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技術結合在一起，研發(fā)的晶硅多結電池效率分別達到25.1%和25.6%。
在中國，隨著光伏產業(yè)規(guī)模的持續(xù)擴大，越來越多的光伏企業(yè)對IBC電池技術的研發(fā)進行投入，如天合、晶澳、海潤等。2013年，海潤光伏報導了研發(fā)的IBC電池效率達到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建立合作研究開發(fā)低成本可產業(yè)化的IBC電池技術和工藝。
2012年，天合光能承擔國家863計劃“效率20%以上低成本晶體硅電池產業(yè)化成套關鍵技術研究及示范生產線”，展開了對IBC電池技術的系統(tǒng)研發(fā)。經過科研人員的不懈努力，2014年，澳大利亞國立大學（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24.4%，創(chuàng)下了當時IBC結構的電池效率的世界紀錄。
同年，由常州天合光能光伏科學與技術國家重點實驗室獨立研發(fā)的6英寸大面積IBC電池效率已達22.9%，成為了6英寸IBC電池的最高轉換效率。同時，天合光能依托國家863項目建成中試生產線，進入2015年后，天合光能科研人員采用最新開發(fā)的工藝，在中試生產線做出了平均22.8%，最高23.15%（內部測試）的結果，大部分電池效率在22%以上，如圖1所示，達到了目前工業(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電池技術的研究進展
圖1 天合光能最新產業(yè)化IBC電池效率分布圖
2.IBC電池結構及工藝技術
IBC電池的常見結構如圖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+擴散區(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）。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電池的結構圖
2.1 擴散區(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雜得多。IBC電池工藝的關鍵問題，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。對擴散而言，爐管擴散是目前應用最廣泛的方法。普通太陽電池的擴散只需在P型襯底上形成N型的擴散區(qū)，而IBC電池既有形成背面N區(qū)（BSF）的磷擴散，還有形成PN結的硼擴散，即在N型襯底上進行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。相對低成本的方法有通過絲網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的擴散過程來分別形成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源（硼或磷源），一般可以通過化學氣相沉積的方法來形成摻雜的掩膜層。這樣在后續(xù)就只需要經過高溫將雜質源擴散到硅片內部即可，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散掩蔽層，掩蔽層上的硼經擴散后進入N型襯底形成P+區(qū)，而未印刷掩膜層的區(qū)域，經磷擴散后形成N+區(qū)。不過，絲網印刷方法本身的局限性，如對準的精度問題，印刷重復性問題等，給電池結構設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，絲網印刷的方法，需在工藝重復可靠性和電池效率之間找到平衡點。
激光是解決絲網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印刷更加細小的電池單位結構，更小的金屬接觸開孔和更靈活的設計。
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，精準對位是激光設備的必要條件，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，生產效率低，目前只適合研發(fā)應用。
近年來，不斷有從半導體工業(yè)轉移到光伏工業(yè)的技術，離子注入就是其中之一。離子注入的最大優(yōu)點是可以精確地控制摻雜濃度，從而避免了爐管擴散中存在的擴散死層（高濃度的擴散雜質與硅的晶格失配以及未激活的雜質引起的晶格缺陷使得擴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，實現(xiàn)了P型單晶電池>18.6%的轉換效率并將其推向商業(yè)化生產。當然，離子注入技術也可以被應用到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，需要進行一步高溫退火過程來將雜質激活并推進到硅片內部，同時修復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運用到IBC電池中，實現(xiàn)了22.1%和22.4%的轉換效率。當然，離子注入技術的量產化導入，設備和運行成本是考量的關鍵。
2.2 陷光與表面鈍化技術
對于晶體硅太陽電池，前表面的光學特性和復合至關重要。對于IBC高效電池而言，更好的光學損失分析和光學減反設計顯得尤其重要。McIntosh等人采用橢偏儀、量子相應測試與數(shù)值模擬相結合的方法，定量的確定了IBC電池的光學損失，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）的光學損失分布圖
在電學方面，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合。
為了降低載流子的復合，需要對電池表面進行鈍化，表面鈍化可以降低表面態(tài)密度，通常有化學鈍化和場鈍化的方式。化學鈍化中應用較多的是氫鈍化，比如SiNx薄膜中的H鍵，在熱的作用下進入硅中，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，會吸引帶負電的電子到達界面，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表面而被復合。
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兩種擴散，理想的鈍化膜則是能同時鈍化P，N兩種擴散界面，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)的復合通常都較大，所以在一定范圍內（接觸電阻損失足夠小）接觸區(qū)的比例越小，復合就越少，從而導致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)需要與各自的擴散區(qū)對準，否則會造成電池漏電失效。與形成交替相間的擴散區(qū)的方法相同，可以通過絲網印刷刻蝕漿料、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，且銀的自然資源遠不如其他金屬豐富，雖然目前還不至于成為太陽電池產業(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。
3.HJ-IBC電池的發(fā)展
采用IBC與HJ技術結合的HIBC技術可以使電池效率進一步提升，其結構如圖4所示，在硅片表面同時采用本征的非晶硅進行表面鈍化，在背面分別采用N型和P型的非晶硅薄膜形成異質結。其優(yōu)點是利用非晶硅優(yōu)越的表面鈍化性能，并結合IBC結構沒有金屬遮擋的結構優(yōu)點，采用相同的器件結構，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，也是研究者們追求的最大目標。目前多家科研單位已經分別實現(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)模應用。
IBC電池技術門檻高，成本和售價高，2014年僅有美國SunPower公司持有1.2GW的IBC電池年產能，包括年產能100MW的第三代高效IBC電池生產線。但隨著中國一線光伏制造商如天合光能的進入，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。我們預測，IBC太陽電池的商業(yè)化應用和推廣，有著廣泛的前景。
