1975年，Schwartz首次提出背接觸式太陽電池，最初應(yīng)用于高聚光系統(tǒng)中。經(jīng)過多年的發(fā)展，研發(fā)出了交叉指式背接觸(IBC，Interdigitated back contact)太陽電池。

IBC太陽電池最顯著的特點(diǎn)是PN結(jié)和金屬接觸都處于太陽電池的背部，前表面徹底避免了金屬柵線電極的遮擋，結(jié)合前表面的金字塔絨面結(jié)構(gòu)和減反層組成的陷光結(jié)構(gòu)，能夠最大限度地利用入射光，減少光學(xué)損失，具有更高的短路電流。同時(shí)，背部采用優(yōu)化的金屬柵線電極，降低了串聯(lián)電阻。通常前表面采用SiNx/SiOx雙層薄膜，不僅具有減反效果，而且對(duì)絨面硅表面有很好的鈍化效果。目前IBC電池是商品化晶體硅電池中工藝最復(fù)雜、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度最大的電池。采用IBC與HJ技術(shù)結(jié)合的HBC技術(shù)可以使電池效率進(jìn)一步提升，在2017年已經(jīng)得到26.6%的世界記錄效率。

IBC電池的結(jié)構(gòu)圖

美國SunPower公司已經(jīng)研發(fā)了三代IBC太陽電池。其中，2014年在N型CZ硅片上制備的第三代IBC太陽電池的最高效率達(dá)到25.2%。資料顯示，SunPower量產(chǎn)效率達(dá)25%，LG量產(chǎn)效率達(dá)24.5%。

國內(nèi)天合光能一直致力于IBC單晶硅電池的研發(fā)，2017年5月自主研發(fā)的大面積6英寸(243.2cm2)N型單晶硅IBC電池效率達(dá)到24.13%;2018年2月，該電池的效率進(jìn)一步提高到25.04%，開路電壓達(dá)到715.6mV，并經(jīng)過日本電氣安全與環(huán)境技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(JET)獨(dú)立測(cè)試認(rèn)證。這是迄今為止經(jīng)第三方權(quán)威認(rèn)證的中國本土效率首次超過25%的單結(jié)單晶硅太陽電池，也是目前世界上大面積6英寸晶體硅襯底上制備的單晶硅太陽電池的最高轉(zhuǎn)換效率，標(biāo)志著天合在高端光伏電池技術(shù)研究上邁出了重要的一步。

IBC電池技術(shù)的研究進(jìn)展(天合光能，2018，25.04%)

關(guān)鍵制備技術(shù)

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(shí)在前表面形成前表面場(chǎng)(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。

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(duì)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(duì)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(duì)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(jì)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(jì)。需要留意的是激光加工帶來的硅片損傷，以及對(duì)接觸電阻的影響;另外，精準(zhǔn)對(duì)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(shí)間往往較長，平均每片電池片的激光加工需耗時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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。

陷光與表面鈍化技術(shù)

對(duì)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(duì)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(jì)顯得尤其重要。McIntosh等人采用橢偏儀、量子相應(yīng)測(cè)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。

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?yàn)榇蟛糠值墓馍d流子在入射面產(chǎn)生，而這些載流子需要從前表面流動(dòng)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(duì)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(chǎng)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(chǎng)鈍化是利用薄膜中的固定正電荷或負(fù)電荷對(duì)少數(shù)載流子的屏蔽作用，比如帶正電的SiNx薄膜，會(huì)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(duì)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(duì)于電池背表面，由于同時(shí)有P，N兩種擴(kuò)散，理想的鈍化膜則是能同時(shí)鈍化P,N兩種擴(kuò)散界面，二氧化硅是一個(gè)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(gè)不錯(cuò)的選擇。

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(jì)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)(接觸電阻損失足夠小)接觸區(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(duì)準(zhǔn)，否則會(huì)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)。

IBC電池的核心技術(shù)之一是其背面電極的設(shè)計(jì)，因?yàn)樗粌H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(shè)計(jì)的不同，IBC電池包含三種主要類型。無主柵IBC電池。其特點(diǎn)是背面只印刷細(xì)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(shí)需要專門的設(shè)備配套，且有較高的精度要求，導(dǎo)致組件端成本較高。四主柵IBC電池。其特點(diǎn)是可使用常規(guī)焊接的方法制作組件，精度要求低，無需專門設(shè)備，適用性強(qiáng)。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(duì)復(fù)雜。點(diǎn)接式IBC電池。其特點(diǎn)是無需印刷絕緣膠，主細(xì)柵一次印刷，電池工序簡單;制作組件時(shí)，使用金屬箔進(jìn)行電池片互聯(lián)，精度要求低于無主柵式。

雖然IBC電池存在很多優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)它也面臨很多挑戰(zhàn)：1)對(duì)基體材料要求較高，需要較高的少子壽命。因?yàn)镮BC電池屬于背結(jié)電池，為使光生載流子在到達(dá)背面p-n結(jié)前盡可能少的或完全不被復(fù)合掉，就需要較高的少子擴(kuò)散長度。2)IBC電池對(duì)前表面的鈍化要求較高。如果前表面復(fù)合較高，光生載流子在未到達(dá)背面p-n結(jié)區(qū)之前，已被復(fù)合掉，將會(huì)大幅降低電池轉(zhuǎn)換效率。3)工藝過程復(fù)雜。背面指交叉狀的p區(qū)和n區(qū)在制作過程中，需要多次的掩膜和光刻技術(shù)，為了防止漏電，p區(qū)和n區(qū)之間的gap區(qū)域也需非常精準(zhǔn)，這無疑都增加了工藝難度。4)IBC復(fù)雜的工藝步驟使其制作成本遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)晶體硅電池。

HBC是方向?

采用IBC與HJ技術(shù)結(jié)合的HBC技術(shù)可以使電池效率進(jìn)一步提升。在硅片表面同時(shí)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)，在2017年已經(jīng)得到26.6%的世界記錄效率。其Voc可以達(dá)到0.740V，Jsc達(dá)到42.5 mA/cm2，F(xiàn)F達(dá)84.6%。而對(duì)于晶體硅太陽電池，Jsc的理論極限是43mA/cm2。HBC電池結(jié)構(gòu)如圖所示，與傳統(tǒng)IBC電池不同的是，背面的emitter和BSF區(qū)域?yàn)閜+非晶硅和n+非晶硅層，在異質(zhì)結(jié)接觸區(qū)域插入一層本征非晶硅鈍化層。IBC與非晶硅鈍化技術(shù)的結(jié)合無疑是未來IBC電池效率提升的方向。

26.6%效率的HBC電池結(jié)構(gòu)示意圖