光伏产业研究-电池片环节
(1) 铝背场电池(Al back surface filed, Al-BSF)是指在PN结制备完成后，在硅片的背光面沉积一层铝膜，提高光的反射率从而提高转换效率。其生产流程包括：清洗制绒、扩散制结、刻蚀/去PSG（Phospho Silicate Glass，磷硅玻璃）、正面沉积减反膜、背面印刷铝膜、丝网印刷、高温烧结。
清洗制绒：在硅片的切割生产过程中会形成损伤层，且可能引入一些金属杂质和油污。如果损伤层去除不足，残余缺陷在后续的高温处理过程中向硅片深处继续延伸，则会影响到太阳电池的性能。因此进行清洗的目的主要有三点，分别为：清除硅片表面的机械损伤层；清除表面油污和金属杂质；形成起伏不平的绒面，减小太阳光的反射。单晶硅片的清洗采用碱液腐蚀技术，碱液与硅反应生成可溶于水的化合物，同时在表面形成金字塔状的绒面结构；多晶硅片的清洗则采用酸液腐蚀技术，酸液与硅反应生成可溶于水的化合物，同时形成虫孔状无规则绒面结构。由于绒面结构的存在，入射光经绒面第一次反射后，反射光并非直接入射到空气中，而是遇到邻近绒面，经过邻近绒面的第二次甚至第三次反射后才入射到空气中，这样就能多次利用入射光，从而减小了反射率，增加了光的利用率。
扩散制结：即制备太阳电池的 PN 结。对于P型硅片，是要在其表面制备N层，即要采用磷扩散。首先先将P型硅片放在一个石英容器内，同时将含磷的气体通入该石英容器，并将此石英容器加热到一定的温度。此时施主杂质磷可以从化合物中分解出来，容器内充满着含磷的蒸气，硅片周围有着众多含磷的分子，磷化合物分子附着到硅片上可生成磷原子。由于硅片的原子之间存在空隙，使得磷原子可从四周进入硅片的表面层，并通过硅原子间的空隙向硅片内部渗透扩散。若扩散进去的磷原子浓度高于P型硅片原来受主杂质浓度，则 P型硅片靠近表面的薄层将转变成N型硅，N型硅和P型硅的交界处就形成了PN结。对于N型硅片，则与之相反，是要在N型硅片表面通过扩散硼元素B制备P层，从而形成PN结。
刻蚀/去PSG：由于在扩散工艺中采用的是背靠背的单面扩散方式，因此硅片的侧边和背面边缘将不可避免地存在扩散的磷原子，形成磷硅玻璃PSG。当电池片受到光源照射，PN结的正面收集到的光生电子将沿着边缘扩散到有磷的区域，再流到PN结的背面，从而造成短路。刻蚀工序可去除硅片边缘带有磷的部分，避免了PN结短路，同时也能降低并联电阻。背面以及周边刻蚀的目的有：去除硅片表面和周边的PN 结；在扩散过程中会产生磷硅玻璃，即一层含磷原子的二氧化硅，刻蚀可将表面的磷硅玻璃去除。湿法刻蚀工艺的方法为先用HNO3反应氧化生成SiO2，再用HF去除SiO2。干法刻蚀工艺有两种方法，一种是当气体以等离子体形式存在时，可通过选择合适的气体，让硅片更快速地进行反应，从而实现刻蚀。另一种方法是利用电场对等离子体进行引导和加速，使等离子体具有一定的能量。当用等离子体轰击硅片表面时，可将硅片材料中的原子击出，以达到物理上的能量转移来实现刻蚀的目的。
制备减反射膜：采用等离子体化学气相沉积，在真空及480°C 的环境下，通过对石墨舟的导电，使硅片的表面镀上一层SixNy薄膜，以此减小反射。入射光在SixNy薄膜表面发生一次反射，在SixNy薄膜和硅片界面发生第二次反射。通过适当选取SixNy薄膜的的厚度和折射率，可使一次和二次反射光相抵消，从而减小反射。另外在SixNy薄膜的沉积过程中，反应产物氢原子进入到 SixNy 薄膜及硅片内，能起到钝化缺陷的作用。使用 SixNy 薄膜的原因主要有：结构致密、硬度大；能抵御碱金属离子的侵蚀；介电强度高；耐湿性好；除氢氟酸（HF）和热磷酸（H3PO4）外能耐一般的酸碱；优良的表面钝化效果；高效的光学减反射性能（厚度和折射率匹配）；低温工艺，可有效降低成本。
丝网印刷：利用丝网图案部分网孔透浆料，非图案部分网孔不透浆料的基本原理进行印刷，使电池的电极成形。正面印刷银浆正极细栅与主栅，背面印刷电极主栅和铝背场，其目的是用于电池的电极成形。在丝网印刷过程中， 在丝网一端倒入浆料，用刮刀在丝网的浆料部位施加一定压力，同时朝丝网另一端移动，浆料在移动过程中被刮板从图案部分的网孔中挤压到基片上；同时， 在此过程中刮板始终与丝网印版和承印物呈线接触，接触线随刮刀移动而移动，而丝网其它部分与承印物为脱离状态，保证了印刷尺寸精度和避免蹭脏承印物；当刮板刮过整个印刷区域后抬起，同时丝网脱离基片，并通过回墨刀将浆料轻刮回初始位置，工作台返回到上料位置。
高温烧结：将印刷好的上下电极和背场的硅片，经过丝网印刷机的传送带传到烧结炉中，经过烘干排焦、烧结和冷却过程来完成烧结工艺，最终达到上下电极和电池片的欧姆接触。当电极里金属材料和半导体单晶硅加热到共晶温度时，单晶硅原子将会以一定比例融入到熔融的合金电极材料里，当烧结的温度越高，电极金属材料体积越大，融入的硅原子数目越多。此时若温度降低，系统开始冷却形成结晶层，则原先融入到金属电极材料中的硅原子将以固态形式结晶出来，即金属和晶体的接触界面生长出了一层外延层。若外延层中存在足量的与原先晶体材料导电类型相同的杂质成分，则获得了用合金法工艺形成的欧姆接触， 从而可提高电池片的开路电压和填充因子， 使电极的接触具有电阻特性，并因此达到较高的转化率；若存在的是导电类型不同的杂质成分，则获得了用合金法工艺形成的 PN 结。
测试分选：由于电池片生产出来的电池性能参数不尽相同，为了有效地将性能一致或相近的电池片结合在一起，应根据其性能参数进行分类。具体方法为通过模拟太阳光光谱光源，对电池片的相关电参数进行测量，根据测量结果将电池片进行分类。测试分选的操作过程为太阳电池在一定温度下接受一定辐照度的太阳光照射，在接受照射的同时变化外电路负载，而负载电流和电池端电压将会形成数据及相关曲线，最后电脑将根据数据和曲线计算出各电池片的电性能参数。
图1. BSF电池与PERC电池结构对比
资料来源：Taiyang News
BSF铝背场技术有其一定的作用，如通过表面钝化可降低背表面复合速率；作为背反射器，铝背场电池增加了光程，提高了短路电流；以及铝背场电池可作为电极输出端。但常规铝背场电池由于背表面的金属铝膜层中的复合速度无法降至 200cm/s 以下， 因此到达铝背层的红外辐射光只有 60%-70%能被反射，造成了较多的光电损失。因此在光电转换效率方面有先天的局限。
(2) 钝化发射极与背面接触电池（Passivated Emitterand Rear Cell，PERC）的原理是在BSF电池背面附上介质钝化叠层（ Al2O3+SiNx），通过产生更多反射光以增加额外电流，从而较大程度减少光电损失。该技术路线的生产流程主要在常规BSF电池生产环节中增加两道额外工序，一是背面沉积钝化膜（增强背面钝化反射能力），二是背面开槽（打通钝化叠层形成电学通路），无需另开生产线。需要增加的设备是背部钝化设备和激光开槽设备。
制备背面沉积钝化膜主要有 PECVD AlOx+盖层和 ALD AlOx+盖层等方法，前者沉积技术相对成熟，2020 年市场占比在 50.4%左右，后者沉积技术有更精确的层厚控制和更好的钝化效果，2020 年市场占比约 45.9%。除 PECVD 和 ALD 背钝化技术外，目前市场上应用的还有氮氧化硅（ SiON）背钝化技术。受知识产权等非技术因素的影响，SiON 沉积技术的市场占比或有望提升。
PERC 技术日趋成熟，“PERC+”成为 PERC 工艺升级，提升光电转换效率的重要方向，PERC 工艺升级路线主要包括 PERC+SE、 PERC+MWT、双面 PERC 等。
双面PERC 电池与 PERC 单面电池相比，其背面由铝背场改为了铝栅线，使光可从背面透过进入电池，从而带来了发电增益。PERC 双面电池与现有 PERC 产线的兼容度较高，仅需对丝网印刷设备进行改进。通过将背面全铝层印刷工艺改为背面局部铝层印刷工艺，即可实现双面光电转换功能。但双面 PERC 对背面铝浆提出了一些特殊的工业要求，如背面印刷精度较单面 PERC 电池略高；背面需丝网印刷铝栅线，因此对铝浆也提出了更高的要求，即需具备良好接触处局域填充效果及厚度适合的铝背场；另外，铝栅线烧结后需具有一定的高宽比。
PERC+选择性发射极（ PERC+SE，Selective Emitter）是以扩散后的 PSG 层为磷源，利用激光可选择性加热的特性，在电池正表面电极位置进行磷的二次掺杂，形成选择性重点掺电子N++层，从而降低硅片与电极之间的接触电阻，降低表面复合，提高少子寿命，同时还能改善光线短波光谱响应，提高短路电流与开路电压，进一步提升电池效率。相比常规PERC，SE技术可带来 0.2%~0.3%的转换效率提升。PERC+SE 技术与现有 PERC 产线具备良好的兼容性，通过增加激光掺杂工艺即可实现，对应到设备端，仅需在原有PERC 产线上增加激光掺杂设备。当前，SE 技术与现有 PERC 产线兼容性较高，已成为主流标配技术。
PERC+金属穿孔卷绕（PERC+MWT，Metallization Wrap-Through）采用激光打孔、背面布线的技术消除正面电极的主栅线，细栅线搜集的电流通过孔洞中的银浆引到背表面，使得正负电极均分布在背表面，有效减少正面栅线的遮光，降低金属电极-发射极界面的载流子复合损失，提高光电转化效率，同时降低银浆消耗量，从而进一步降低成本， MWT 技术可实现约 0.4%的转换效率提升。由于 MWT 电池正负电极点均分布于背表面，且不在一条直线上，常规焊带焊接互联方式无法适用，因此， MWT 组件采用金属箔作为导电背板，在金属箔上进行电路设计，每片电池片通过导电胶和金属箔电路互联形成完整的电流回路，再利用胶膜等封装材料封装，省去了复杂的高温焊接过程，避免了焊接应力和微裂导致的性能衰减，更容易实现自动化和高产能，降低了破片率。MWT 工艺同样具备良好的产线兼容性，额外增加的关键步骤为在硅片、铜箔及封装材料中精确打孔，通过在前端增加激光镭射打孔设备即可实现。MWT 工艺可实现 0.4%的效率提升。
前面所说的BSF及PERC类太阳能电池均基于P型硅。P型硅通过在纯净硅晶体中掺入硼元素形成，空穴为多子，电子为勺子。而N 型单晶硅通过在纯净硅晶体中掺入磷元素形成，自由电子为多子，空穴为少子。相比于 P 型单晶硅，N 型单晶硅由于存在相对较多的自由电子，少子复合速率低、寿命高，且以磷为掺杂元素，无硼氧复合体，因此光致衰减小，具备更大的效率提升空间，因而N型硅成为高效电池的未来选项。
（5）异质结HJT电池(Hetero-junction with Intrinsic Thin-layer）是晶硅太阳能电池技术和薄膜光伏技术的融合体并且兼具两者的优点，具有标准硅基太阳能电池优异的光吸收性能和非晶硅薄膜的钝化特性。传统的晶体硅太阳能电池是一种同质结电池，即PN结是在同一种半导体材料上形成的，而异质结电池的PN结采用不同的半导体材料构成。异质结形成于掺杂的晶体硅衬底 (N型或P型，目前N型使用得更为广泛 ) 和导电性相反的非晶硅层 (P型或N型)之间。在经过清洗制绒的N型晶硅(c-Si，c=crystalline)正面依次沉积厚度为5~10nm 的本征氢化非晶硅薄膜（i-a-Si:H，intrinsic amorphous-Si:H）、p型氢化非晶硅薄膜（p-a-Si:H），从而形成PN异质结。在硅片背面依次沉积厚度为5~10nm的i-a-Si:H薄膜、N型非晶硅薄膜（n-a-Si:H）形成背表面场。在掺杂a-Si:H薄膜的两侧，再沉积透明导电氧化物薄膜（TCO，Transparent Conductive Oxide），最后通过丝网印刷技术在两侧的顶层形成金属集电极。
HJT工艺主要分为制绒清洗、非晶硅薄膜沉积、TCO薄膜制备、电极制备，步骤相对简单，但是工艺难度大，产线与传统电池不兼容，新增设备投资较大，主要包括非晶硅薄膜沉积环节的PECVD(等离子增强化学气相沉积，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)、HWCVD(热丝化学气相沉积，Hot Wire Chemical Vapor Deposition)等设备、TCO制备环节的RPD(反应等离子体沉积，Reactive Plasma Deposition)、PVD(Physical Vapor Deposition)设备。
（6）IBC（Interdigitated Back Contact）交叉指式背接触太阳能电池以 N 型硅为衬底， PN 结和金属接触均位于背表面，成叉指状排列，避免了金属栅线电极对光线的遮挡，前背表面均采用氧化硅/氮化硅叠层作为钝化层，结合前表面金字塔绒面结构能够减少光学损失，最大程度地利用入射光，具有更高的短路电流。在正面无栅线遮光和金属接触的条件下，可对表面钝化及陷光结构进行最优化设计，降低前表面复合速率。背表面采用扩散法形成 p+和 n+交错间隔的交叉式电极接触高掺杂区，通过在钝化膜上开孔，实现金属电极与发射区的点接触连接，降低载流子的背表面复合速率。由于采用背接触结构，串联电阻低于传统电池，具有较高的填充因子。
图8. IBC电池结构
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PN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。目前，IBC仅用于特定场景，尚未看到大规模应用趋势。
根据中国光伏产业协会数据，我国2020年电池片产量为134.8GW，同比增长22.2%。电池片出口额约9.9亿美元，出口量约9GW。2020年，规模化生产的P型单晶电池均采用PERC技术，平均转换效率达到22.8%，较2019年提高0.5个百分点；采用PERC技术的多晶黑硅电池片转换效率达到20.8%，较2019年提高0.3个百分点；常规多晶黑硅电池的效率提升动力不强，未来提升空间有限；N型TOPCon电池平均转换效率达到23.5%，HJT电池平均转换效率达到23.8%，较2019年均表现出较大提升。未来随着生产成本的降低及良率的增加，N型太阳能电池将是主要发展方向之一。2020年新建产线仍以PERC为主，占比86.4%；常规BSF电池占比下降至8.8%；N型电池（主要是TOPCon和HJT）由于成本尚高，量产规模有限，占比为3.5%。
➢ PERC电池：目前技术比较成熟、性价比比较高，技术相对容易，设备完成了国产化，最高效率达到 22%，成为这两年高效电池主要扩产的技术，叠加 SE（选择性发射极)技术以及双面技术，目前依然是光伏电池主流技术。通过进一步优化，PERC+电池转换效率仍有进一步提升空间。
➢ N-PERT电池：可实现量产，技术难度容易，设备投资较少。但与双面 P-PERC 相比没有性价比优势，已经证明为不经济的技术路线。
➢ TOPCon电池：主流量产转换效率绝对值较 PERC 高出 1%， 但成本较高， 性价比优势尚不明显；技术路线多样，电池厂商对于技术路线的选择尚处于观望状态。
➢ HJT电池：转换效率高，工序少、可实现量产，但是其设备贵、投资成本高，成为阻碍其大规模产业化的一点，但工艺降本路径基本清晰，未来将成为光伏电池技术的发力方向。
➢ P-PERC新增设备：用于氧化铝镀膜的PECVD、ALD设备、激光开槽设备。
➢ PERC+新增设备：用于激光掺杂的SE激光掺杂设备、丝网印刷设备改进。
➢ N-PERT、 TOPCon新增设备：硼扩散设备、离子注入设备、薄膜沉积环节的LPCVD或PECVD设备。
➢ HJT新增设备：非晶硅薄膜沉积环节的PECVD等设备、TCO制备环节的RPD或PVD设备。
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