光伏电池结构与提效思路

1、从BSF到单晶PERC

晶硅电池的主要结构包括PN结、钝化膜及金属化电极等：PN结是光伏电池的心脏，由带负电荷的P型区域和带正电荷的N型区域组成，二者形成的内建电场使电子与空穴定向移动而产生电流；钝化膜的作用在于减少硅片表面的复合损失；金属电极栅线用于汇集电流并向外传导。

以PERC电池为例，在P型硅片基底上进行磷掺杂可以形成N型发射区，其与硅片共同构成PN结；电池背面沉积氧化铝与氮化硅膜，共同起到钝化与减少反射的作用；前表面的正银电极与背面的铝背场及背银电极共同构成电池的金属化结构。此外，电池前表面形成的“倒金字塔”陷光结构以及氮化硅膜，都是为了起到减少表面反射的作用。

在PERC电池出现之前，铝背场电池（Aluminium Back Surface Field，Al-BSF）是最早实现产业化的晶硅电池结构，于1973年被首次提出，2016年时市占率超过90%。BSF电池具有工艺流程简单、成本低廉、技术成熟等诸多优点，但由于电池背面的铝背场和硅片衬底全面积接触，造成较为严重的表面复合损失，使得电池效率始终无法突破20%的瓶颈。

PERC（Passivated Emitter and Rear Contact）中文全称钝化发射极和背面接触电池，最早于1989年由澳大利亚新南威尔士大学Martin Green所领导的研究小组提出。起初电池结构采用氧化硅作为钝化膜和减反层，导致技术复杂且成本较高，直到2010年前后，氧化铝（Al2O3）被用作钝化界面层，才使PERC电池正式走向产业化进程。与BSF电池相比，PERC电池的改进主要体现在两方面：一是增加背面氧化铝层作为钝化结构，二是将铝背场与硅片的接触方式由面接触改为线接触（LBSF）。

钝化作用的原理包括场效应钝化和化学钝化两种：前者是指在界面处产生一个电场，以同级相斥效应阻止类似极性的载流子靠近从而减少复合；后者是指通过释放游离氢，使晶硅基体内晶格缺陷处的悬空键被饱和从而弱化复合效应。

对于P型硅片表面而言，氧化铝是最佳的钝化材料：一方面，氧化铝薄膜本身带负电荷，恰好可在氧化铝与硅晶表面交接处产生高效的场钝化效果；另一方面，氧化铝薄膜在制备过程可提供充足的氢原子，饱和硅表面的悬挂键，起到良好的化学钝化效果。PERC电池在使用氧化铝膜作为钝化层后，电池效率较BSF电池高出1%以上。

在接触方式方面，金属电极与硅片接触会导致接触界面产生大量的少子复合，对转化效率产生负面影响。PERC电池将铝背场与硅基体的面接触改为线接触，通过缩小接触面积来降低复合损失。

在电池的前表面，PERC电池还进一步采用选择性发射极（Selcvtive Emitter，SE）技术以降低电阻及复合损失。SE技术是指在金属电极与PN结N型区域接触的位置，通过更高浓度的磷掺杂，在局部形成由同种杂质浓度梯度构成的高低场（N+/N或P+/P），从而提高载流子的有效收集，并起到降低电阻的作用。但是，高浓度掺杂也容易造成更高的表面复合损失，因此仅在局部进行高浓度掺杂就可以很好地平衡金属与半导体接触时电阻损失与复合损失之间的矛盾。产业界于2017年前后逐步完成SE技术的叠加，推动PERC电池的转换效率提升至23.5%左右。

随着PERC电池技术的效率提升及量产工艺的逐步成熟，PERC电池市占率从2017年开始大约以每年20%左右的速度提升，直到2019年实现对BSF电池的反超，2021年市占率达到91%左右。

在同时期，光伏电池还经历了单晶与多晶的硅片材料之争。与多晶硅片相比，单晶硅片具有完整的晶格排列，内部缺陷和杂质更少，在电学性能、转换效率等方面都更具优势。自2015年下半年行业逐步攻克单晶组件CTM、光衰等问题后，终端单晶渗透率进入稳步上行通道。2019年，单晶组件市占率首次过半达到60%，2020年进一步提升至86.9%，基本成为市场主流；与此同时，多晶组件开始退出市场，2021年基本停止销售和公开报价。

2、从P型硅片到N型硅片

在硅片中掺入杂质可以制成P型硅片或N型硅片，二者主要的区别在于掺杂的元素不同：P型硅片中主要掺入硼或镓，少子为电子；N型硅片中主要掺入磷，少子为空穴。与P型硅片相比，以N型硅片为基底的太阳电池在性能方面有诸多优势，包括更高的少子寿命和杂质容忍度、无光致衰减现象、更低的温度系数等。

P、N型硅片的性能差异主要是由于，金属杂质Fe、Cu、Ni等一般带正电荷，对电子的捕获能力更强，P型硅片中少子为电子，N型硅片中少子为空穴，因此P型硅片相对N型硅片的抗污特性更弱，在相同杂质金属的情况下，N型硅片的少子寿命明显高于P型硅片（研究表明相同电阻率的N型硅片的少子寿命比P型硅片高出1-2个数量级）；材料的少子寿命越高，光电转换效率越高，因此N型硅片具有更高的转换效率。

除此之外，由于硅片中的硼元素在光照或者电流的注入下，会与氧形成存在没有饱和化学键的硼氧复合体，该复合体会捕捉光照产生的载流子，降低少子寿命，造成光致衰减（LID）现象。目前产业界缓解P型硅片光衰的主要思路在于降低硼或氧含量，具体方法是使用高纯坩锅进行单晶生长，或是使用硼镓共掺降低硼含量，但是前者会增加硅片成本，后者会降低电池效率；而N型硅片由于硼含量极低，本身就可以有效减少光衰效应的发生。

过去由于工艺技术不成熟且成本较高，N型硅片的发展受到了限制。但是随着以N型硅片为衬底的新一代电池技术TOPCon和HJT的发展，以及硅片工艺本身的持续进步，N型硅片的市场份额有望持续提升，并逐步实现对P型硅片的替代。

3、N型电池技术：TOPCon与HJT

（1）TOPCon电池

TOPCon（Tunnel Oxide Passivated Contact）中文全称隧穿氧化层钝化接触技术，最早于2013年第28届欧洲PVSEC光伏大会上由德国太阳能研究所Fraunhofer提出，该所于2017年在4cm2的电池片上取得25.8%的实验室效率记录。根据Jan Schmidt等人2018年建立的理论模型，TOPCon电池的理论极限效率可达28.7%。

TOPCon电池的最大特征在于采用隧穿氧化硅层+掺杂多晶硅层的钝化接触技术。所谓钝化接触是指，采用超薄介质薄膜将金属电极与半导体隔离，在钝化硅片表面的同时实现载流子隧穿，从而有效降低因金属电极与硅片直接接触造成的复合损失，同时起到“钝化”与“接触”的效果。在TOPCon电池的钝化接触结构中，氧化硅层（SiO2）主要起钝化和隧穿作用；掺杂多晶硅层（poly-Si）一方面可以与N型硅片基底形成N+/N的高低结结构，减少硅基体界面处的复合损失，另一方面也可以为载流子提供良好的传导性能。

除此之外，TOPCon与PERC电池的主要区别还体现为：（1）由于TOPCon电池以N型硅片为衬底，因此PN结的形成方式由PERC电池的磷掺杂改为硼掺杂；（2）由于硼掺杂浓度较低，造成前表面发射极区域的电阻较大，因此电池采用银铝浆制备前表面的金属细栅，使其中的铝原子在烧结环节进入发射区形成P+区域，与硅片本身的P型区域构成高低结，从而起到降低电阻的作用；（3）由于背面的钝化接触结构解决了载流子的传导问题，金属电极不再需要与硅基体接触，因此相较PERC电池省去了制备铝背场+激光开槽的环节；（4）TOPCon电池沿用了PERC电池的钝化膜和减反层结构（氧化铝+氮化硅），但位置由背面移到了前表面。

目前已量产的TOPCon电池仅在背面采取了钝化接触结构，前表面仍然沿用了PERC电池氧化铝+氮化硅的钝化结构，造成一定程度的效率损失。事实上，TOPCon电池要实现28.7%的理论极限效率需要完成双面钝化接触结构，仅背面采用钝化接触结构的理论极限效率值约为27.1%。目前国内厂商取得的TOPCon最高实验室效率记录来自中来股份，其于今年4月在M10尺寸N型电池上获得26.7%的转换效率，打破了晶科能源于2022年12月在182N型电池上实现的26.4%的效率记录。此外，较早涉足TOPCon技术研究的国内头部厂商还包括天合光能、阿特斯、隆基绿能等。

（2）HJT电池

HJT（Heterojunction with Intrinsic Thinfilm）中文全称本征薄膜异质结电池，最早是由日本三洋公司的研究部门于20世纪80年代后期提出，并于1991年以HIT商标申请专利；2011年专利到期后，国内外厂商才逐步开启了有关异质结电池的实验室研究及规模化量产。2021年，隆基公司Wei Long等人根据理论模型测算HJT电池的极限效率为28.5%，与单面钝化接触结构的TOPCon电池相比具有效率优势。

PERC和TOPCon电池都是在硅基体（c-Si）上通过掺杂直接形成PN结结构，即P型区域和P型区域都是在同种半导体上形成，称为同质结；而HJT电池的PN结是由N型硅片基底（c-Si）与掺杂的非晶硅薄膜（a-Si）两种半导体材料构成，因此被称作异质结电池。

从电池结构来看，HJT电池以N型硅片为衬底，首先在前后表面沉积本征氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜作为钝化结构；之后在前表面沉积P型掺杂的氢化非晶硅层，与硅片衬底共同构成PN结，在背面沉积N型掺杂的氢化非晶硅层，与硅片衬底共同构成高低结（N+/N）结构；由于氢化非晶硅的接触电阻较大，因此需要制备金属氧化物层作为透明导电膜（TCO层），起到促进载流子穿过和减少反射（ARC）的作用；最后在金属化环节，由于氢化非晶硅对温度的要求十分苛刻（不超过200°C），因此HJT电池制备需采用低温路线，制备金属电极的浆料也由PERC和TOPCon的高温银浆改为低温银浆。

目前国内厂商取得的HJT最高实验室效率记录来自隆基绿能，其于2022年11月研发的微晶技术HJT电池转换效率达到26.81%，打破了迈为股份与sundrive于2022年9月联合开发的M6尺寸无种子层电镀HJT电池26.41%的效率记录，也创下了全球晶硅电池最高的实验室效率记录。此外，国内头部厂商通威股份、阿特斯、晶澳科技、天合光能等均有HJT技术储备，东方日升、华晟新能源、爱康科技、汉能集团等更是大举押注HJT电池路线。

4、平台型技术：XBC电池

IBC（Interdigitated Back Contact）中文全称叉指状背接触电池，最早由Schwartz和Lammert于1975年提出，其最大特点在于将原本分布在电池前表面和背面的金属电极全部呈叉指状间隔排列在电池背面，相应地，与电极相接触的PN结的P型区、高低结的N+区域也随之一起移动到电池背面并呈叉指状排布。这样做的目的在于避免传统电池结构中正面电极栅线对入射光的遮挡，从而最大限度地利用入射光，减少光学损失；同时，由于不用再考虑遮光的问题，金属栅线可以做得更宽，从而达到降低电阻的效果，PN结中掺杂区域的浓度也可以尽量降低，从而减少复合损失。为了使光生载流子在到达背面的PN结前，尽可能少的被复合掉，因此BC电池一般要求采用更高少子寿命的P型硅片或直接采用N型硅片，以保证更高的载流子收集率。

经典IBC电池以N型硅片为基底，在前表面进行磷掺杂形成N+/N前场区（FSF），降低表面复合损失；背面分别通过磷掺杂和硼掺杂形成叉指状排列的P+发射极和N+背场（BSF），其中，P+发射极与硅片基底共同构成PN结，N+背场与硅片基底共同构成N+/N高低结；接着在前后表面均采用氧化硅与氮化硅叠层膜作为钝化层；最后对准电池背面的P+及N+区域分别制备正负电极。根据相关文献研究，P+发射极和N+背场的宽度以及二者之间间隔的宽度会对电池性能造成较大影响，一般而言N+背场和间隔宽度都应该尽量窄小，相应提高了制备工艺的难度。

由于IBC电池采取了与TOPCon、HJT等完全不同的提效思路，不仅能够发挥自身的优势，还能与其他电池技术进行兼容，也被称作BC电池或XBC电池；理论上，BC结构可将电池的转换效率提升0.6-0.7%，因此作为一种具备高成长潜力的平台型技术，有望成为下一代主流技术路线。具体而言：

（1）与TOPCon路线结合形成TBC电池：以N型硅片为衬底，前表面通过磷掺杂形成N+前表面场，沉积氧化铝+氮化硅作为钝化层和减反层；背面沉积隧穿氧化硅层，制作间隔排列的P型掺杂多晶硅层和N型掺杂多晶硅层，最后在其上沉积氮化硅钝化层，并对准P+和N+区域开孔并制作正负电极；隆基公司以P型硅片为基底研发的HPBC电池，在结构上吸收了IBC、PERC与TOPCon电池的特征，与TBC电池类似，主要区别在于将前表面的磷掺杂改为硼掺杂。

（2）与HJT路线结合形成HBC电池：以N型硅片为衬底，在前表面沉积氢化非晶硅薄膜作为钝化层，采用氮化硅减反层取代透明导电膜；在背面沉积氢化非晶硅薄膜作为钝化层，制作间隔排列的P型掺杂非晶硅层和N型掺杂非晶硅层，最后在其上沉积透明导电薄膜，并对准P+和N+区域制作正负电极。

美国公司Sunpower是IBC电池的领军者和开拓者，其在2015年推出的第三代IBC电池已经可以实现25%的量产效率，分拆子公司Maxeon拟推出的第七代产品，结合了TOPCon电池的钝化接触结构，量产效率预计可达26%以上，相较同时期主流的PERC电池领先2-3个百分点，较TOPCon、HJT等N型电池技术也高出1个百分点左右。目前BC电池实验室效率最高记录为日本公司Kaneka于2017年采用HBC路线取得的26.7%；国内厂商方面，隆基绿能及爱旭股份均已实现量产，隆基绿能HPBC产品量产效率可达25.3%，爱旭股份ABC产品（路线暂未公开）量产效率可达26.5%。

除了在效率方面的优势，BC电池由于正面完全没有栅线遮挡，外形更加美观，若将电池边框也改为黑色材料，可得到全黑组件产品。但是，背面栅线的结构也一定程度上使BC电池牺牲了部分的双面性，无法达到与双面电池同等的吸收地面反射光并增加发电量的效果。

来源：光伏那些事儿

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