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一、前言
在全球“碳達峰”和“碳中和”大趨勢背景下，光伏產(chǎn)業(yè)迎來空前繁榮發(fā)展期。主流晶硅光伏已在全球絕大部分地區(qū)實現(xiàn)了發(fā)電側(cè)平價上網(wǎng)，光伏度電成本仍需要進一步降低到0.05-0.15元/kWh區(qū)間內(nèi)，在儲能的配合下，真正成為主力電力能源，光伏發(fā)電滲透率從3%提升至30%以上。在光伏平價時代，光伏轉(zhuǎn)換效率的提升，顯得尤為重要。一是因為高電價地區(qū)的土地和屋頂資源逐漸變得稀缺，二是因為光伏轉(zhuǎn)換效率提升，可攤薄建設(shè)光伏電站的非組件成本，及提升單位面積發(fā)電量，進而降低光伏度電成本。
業(yè)界異常關(guān)注PERC電池之后的下一代晶硅電池主流技術(shù)，到底TOPCon、HJT和IBC等哪一種技術(shù)路線會勝出。按照晶硅電池轉(zhuǎn)換效率每年進步0.5個百分點的規(guī)律，到2030年晶硅電池轉(zhuǎn)換效率將達到27.5%產(chǎn)業(yè)化極限，接近單結(jié)晶硅電池29.43%理論極限，從而進入到晶硅疊層電池發(fā)展時代。不像理論效率只有24.5%的PERC電池，TOPCon、HJT和IBC三種N型技術(shù)路線都擁有非常高的效率天花板。業(yè)界認(rèn)為，要勝出PERC電池，只需滿足：1）比PERC路線更低的度電成本（LCOE）；2）開創(chuàng)新的大應(yīng)用市場。
目前業(yè)界的眼光，主要聚焦在TOPCon和HJT這兩種鈍化接觸技術(shù)路線。高效晶硅電池技術(shù)演進的邏輯是，用更低成本的規(guī)模化工藝手段，減少電池載流子的復(fù)合，從而提高開路電壓和轉(zhuǎn)換效率。PERC電池勝出BSF鋁背場電池，關(guān)鍵在于在電池背面實行更好的鈍化技術(shù)，增強光線的內(nèi)背反射，降低了背面復(fù)合。從實驗室和產(chǎn)業(yè)化結(jié)果來看，TOPCon和HJT電池的鈍化接觸技術(shù)，能大幅減少金屬電極和電池的接觸復(fù)合，從而實現(xiàn)比PERC電池更高的轉(zhuǎn)換效率。在量產(chǎn)成本上，能兼容PERC生產(chǎn)線的TOPCon電池工藝比HJT領(lǐng)先一步。
而IBC（Interdigitated Back Contact，交叉指式背接觸）電池技術(shù)，作為歷史最悠久的晶硅電池技術(shù)，師出名門，自成體系，長期霸占晶硅電池轉(zhuǎn)換效率紀(jì)錄榜榜首，卻一直受限于較高的量產(chǎn)成本，發(fā)展較為曲折。IBC電池與其他晶硅電池最大的不同是，其發(fā)射極、表面場和金屬電極都做在電池背面，并交叉指式分布，電池正表面無任何柵線遮擋，吸光面積最大。
IBC電池技術(shù)能持續(xù)發(fā)展幾十年，并越來越受關(guān)注，除了擁有最高轉(zhuǎn)換效率潛力的電池結(jié)構(gòu)外，在于它能兼容并蓄，不斷吸收其他晶硅技術(shù)路線的工藝優(yōu)點和鈍化技術(shù)，來不斷提升轉(zhuǎn)換效率。IBC吸收了PERC技術(shù)發(fā)展階段的優(yōu)點，轉(zhuǎn)換效率提升到24%-25%；吸收TOPCon鈍化接觸技術(shù)，演變成POLO-IBC電池或TBC電池，轉(zhuǎn)換效率能到25%-26%；吸收HJT的非晶硅鈍化技術(shù)，演變成HBC電池，轉(zhuǎn)換效率能到26%-27%。
IBC電池，除了“比PERC路線更低的度電成本（LCOE）”的發(fā)展?jié)摿ν?，還擁有“開創(chuàng)新的大應(yīng)用市場”的巨大潛力，因為IBC電池表面純黑美觀，輕薄化后比其他光伏電池更適合應(yīng)用在蓬勃發(fā)展的光伏建筑（BIPV）市場、電子消費市場、軍工市場和航天航空市場。
本文梳理IBC電池演進到HBC電池的發(fā)展脈絡(luò)，試圖回答：
（1）IBC電池是否有機會成為新一代主流晶硅電池
（2）轉(zhuǎn)換效率最高的HBC電池，量產(chǎn)工藝難點在哪里
（3）HBC電池技術(shù)滿足什么條件，才具備商業(yè)價值
（4）是否存在比PERC更低成本的HBC電池量產(chǎn)工藝
二、IBC電池發(fā)展?jié)摿?/strong>
1、SunPower公司IBC電池發(fā)展歷程
談及IBC電池，SunPower是繞不過去的一座豐碑。SunPower已成立36年，累計出貨35億片IBC電池片（超過10GW），擁有1000多個晶硅電池專利。
1975年，Schwartz和Lammert首提背接觸式光伏電池概念；1984年，斯坦福教授Swanson研發(fā)了IBC類似的點接觸（Point Contact Cell，PCC）太陽電池，在聚光系統(tǒng)下轉(zhuǎn)換效率19.7％；1985年Swanson教授創(chuàng)立SunPower，研發(fā)IBC電池。1993年，SunPower全背接觸電池幫助本田贏得澳洲太陽能汽車挑戰(zhàn)賽冠軍。2004年，SunPower菲律賓工廠（25MW產(chǎn)能）規(guī)模量產(chǎn)第一代IBC電池（見下圖），轉(zhuǎn)換效率最高21.5%，組件價格5-6美金/瓦。同時期，無錫尚德（Suntech）拉開了中國低成本晶硅電池的規(guī)模量產(chǎn)序幕，尚德晶硅組件效率約13%，出廠價格2.8美金/瓦，還有20%毛利率。
SunPower第一代IBC電池基本奠定了IBC電池技術(shù)路線的電池結(jié)構(gòu)和工藝框架：
（1）電池前表面陷光絨面，無柵線遮擋，避免了金屬電極遮光損失，最大化吸收入射光子，實現(xiàn)良好短路電流；
（2）電池背面制備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；由于消除了前表面發(fā)射極，前表面復(fù)合損失減少；
（3）前表面遠離背面p-n結(jié)，為了抑制前表面復(fù)合，需要更好的前表面鈍化方案；同時需要具有長擴散長度的高質(zhì)量硅片（如N型硅片），以降低少數(shù)載流子在到達背結(jié)之前的復(fù)合；
（4）采用鈍化接觸或減少接觸面積，大幅減少背面p+區(qū)和n+區(qū)與金屬電極的接觸復(fù)合損失；
（5）增加前表面場FSF，利用場鈍化效應(yīng)降低表面少子濃度，降低表面復(fù)合速率的同時還可以降低串聯(lián)電阻，提升電子傳輸能力。
自推出一代IBC電池后，SunPower不斷往兩個方向升級IBC電池技術(shù)：1）更簡化的制程，及更低成本工藝；2）更好的鈍化技術(shù)。其IBC電池技術(shù)升級歷程見下表：
SunPower公司IBC電池發(fā)展歷程
從SunPower最新披露信息來看，其最新一代IBC電池，已吸收了TOPCon電池鈍化接觸的技術(shù)優(yōu)點，保留了銅電極工藝；從電池結(jié)構(gòu)來看，量產(chǎn)工藝已經(jīng)簡化，成本在可接受范圍，轉(zhuǎn)換效率達到25%以上。見下圖：
IBC電池超高的轉(zhuǎn)換效率表現(xiàn)，吸引了大批的研究機構(gòu)和太陽能企業(yè)，從新電池結(jié)構(gòu)、新鈍化技術(shù)、摻雜技術(shù)、金屬化工藝和封裝工藝等方面，作出了大量的實驗室研究成果和量產(chǎn)探索成果。IBC電池量產(chǎn)工藝的關(guān)鍵問題，是如何低成本的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。SunPower及后來者，曾嘗試過掩模光刻、離子注入、爐管擴散、CVD原位摻雜、激光摻雜等不同的設(shè)備和工藝，來制備IBC電池背面P區(qū)和N區(qū)。
隨著設(shè)備成本的下降和工藝的成熟，IBC電池慢慢形成了三大工藝路線：1）以SunPower為代表的經(jīng)典IBC電池工藝；2）以ISFH為代表的POLO-IBC電池工藝；由于POLO-IBC工藝復(fù)雜，業(yè)內(nèi)更看好低成本的同源技術(shù)TBC電池工藝（TOPCon-IBC）；3）以Kaneka為代表的HBC電池工藝（IBC-SHJ）。見下圖：
IBC電池轉(zhuǎn)換效率的進化
來源：中科院寧波材料所，2020
（1）經(jīng)典IBC電池工藝特點：
?掩模和爐管擴散制備背面PN區(qū)
?P區(qū)N區(qū)隔離，分別跟金屬電極接觸
?單面絲網(wǎng)印刷，無主柵或多主柵
?兼容部分PERC工序
?高溫制程，設(shè)備及工藝成熟、成本低
?量產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率23.5%-24.5%
由于主流PERC電池轉(zhuǎn)換效率已到23%，TOPCon電池和HJT電池也能輕松達到24.5%轉(zhuǎn)換效率，經(jīng)典IBC電池獲取的效率溢價，難以覆蓋增加的成本，該工藝路線慢慢變得沒有競爭力，業(yè)內(nèi)已將目光投向更有前景的TBC電池和HBC電池技術(shù)。
（2）TBC電池工藝特點：
?掩模和爐管擴散制備背面PN區(qū)，或掩模和CVD原位摻雜制備背面PN區(qū)
?PN區(qū)與基區(qū)之間沉積一層超薄隧穿氧化層
?P區(qū)N區(qū)隔離，分別跟金屬電極接觸
?單面絲網(wǎng)印刷，無主柵或多主柵
?兼容部分TOPCon工序
?高溫制程，工藝接近成熟、成本低
?量產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率24.5%-25.5%
由于TOPCon電池工藝已成熟，吸收了TOPCon電池關(guān)鍵技術(shù)工藝的TBC電池，成為了性價比最高的IBC電池工藝路線。SunPower和國內(nèi)嘗試量產(chǎn)IBC電池的企業(yè)，紛紛向該技術(shù)路線轉(zhuǎn)型。
（3）HBC電池工藝特點：
?掩模和CVD原位摻雜制備背面PN區(qū)
?電池正面沉積本征非晶硅鈍化層
?PN區(qū)與基區(qū)之間沉積本征非晶硅鈍化層
?PN區(qū)與金屬電極之間沉積TCO層
?單面絲網(wǎng)印刷，無主柵或多主柵
?兼容HJT設(shè)備和工藝
?低溫制程，工藝接近成熟、成本高
?量產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率25%-26.5%
吸收了非晶硅鈍化技術(shù)的HBC電池，開路電壓高達740mV，轉(zhuǎn)換效率最高達到26.63%，成為新一代最有發(fā)展?jié)摿Φ木Ч桦姵毓に嚶肪€。
3、IBC電池成本及市場潛力
從整個光伏電池市場來看，目前IBC電池仍然處于曲高和寡的狀態(tài)?？聪卤恚?br />
表 晶硅光伏電池不同工藝路線的發(fā)展情況
制表：普樂科技（POPSOLAR®）
從設(shè)備成熟度、N型工藝發(fā)展趨勢和終端市場變化來看，IBC電池將迎來重大發(fā)展機遇：
(1)制備TOPCon電池的關(guān)鍵設(shè)備LPCVD（或PECVD），已經(jīng)成熟，推動TOPCon電池整套量產(chǎn)工藝成熟的同時，帶動了TBC電池工藝的成熟。TOPCon電池正表面存在較高的金屬接觸復(fù)合，TBC電池不存在該問題，從而擁有比TOPCon電池更高的轉(zhuǎn)換效率。
(2)HJT電池全套工藝設(shè)備，特別是板式PECVD設(shè)備，已接近成熟，將帶動HBC電池工藝的成熟。HBC電池，能避開HJT電池前表面的金屬電極光學(xué)遮擋和高電阻帶來的效率損失，從而擁有比HJT電池更高的轉(zhuǎn)換效率。
(3)效率更高的TBC/HBC電池，只需背面印刷銀漿，銀漿耗量比TOPCon/HJT電池低；且背面銀漿不必考慮柵線遮擋問題，可適當(dāng)加寬柵線，從而降低串聯(lián)電阻，提高FF。比TOPCon/HJT電池更低的銀漿成本，給TBC/HBC電池工藝帶來充分的技術(shù)迭代空間和降本空間。
(4)按照晶硅電池每年提高0.5個百分點轉(zhuǎn)換效率的進步速度，在3-4年左右時間，晶硅電池平均量產(chǎn)效率將達到25%，效率更高的TBC/HBC電池，迎來大規(guī)模發(fā)展階段。
(5)平價時代，異常注重單位發(fā)電功率的分布式屋頂、電動大巴、太陽能無人飛機、消費電子、軍工和航天航空等高端光伏應(yīng)用市場，更青睞于更加美觀、單面發(fā)電但效率更高的IBC電池。
(6)設(shè)備和工藝的成熟，使得量產(chǎn)IBC電池的非硅成本，只要低于0.3元/瓦，以TBC/HBC工藝為主要發(fā)展方向的IBC電池將蓬勃發(fā)展，有望成為新一代主流光伏電池。
三、HBC電池效率及工藝難點
1、HBC轉(zhuǎn)換效率表現(xiàn)
2014-2015年是BSF鋁背場電池發(fā)展到效率天花板的技術(shù)拐點期，當(dāng)時轉(zhuǎn)換效率22%以上的晶硅電池技術(shù)有：IBC電池、HJT電池和PERx（PERL/PERT/PERC）家族電池。結(jié)果，在BSF電池生產(chǎn)工藝上，只需增加背面氧化鋁鍍膜和激光開槽兩道工序就完成升級的PERC電池，依靠良好的工藝兼容性和較低的設(shè)備投入，迅速成為新一代主流晶硅電池技術(shù)。
而同期IBC電池，在HJT電池技術(shù)的加持下，成為太陽能電池領(lǐng)域新的創(chuàng)新熱點。2014年，受夏普研究成果啟發(fā)，松下在其HIT（即HJT）電池基礎(chǔ)上，結(jié)合了IBC電池結(jié)構(gòu)，研發(fā)出了轉(zhuǎn)換效率25.6%的HBC電池，刷新了世界紀(jì)錄。
HBC電池結(jié)構(gòu)
HBC電池具有最高轉(zhuǎn)換效率的發(fā)展?jié)摿Γ杆傥舜笈邪l(fā)機構(gòu)和企業(yè)的研究，成為最熱門的技術(shù)路線之一。見下表。
制表：普樂科技（POPSOLAR®）
2017年，Kaneka將HBC電池世界紀(jì)錄，刷新到了26.63%。這也是迄今為止晶硅太陽能電池研發(fā)效率的最高水平。見下圖及下表：
HBC電池轉(zhuǎn)換效率世界記錄表
來源：公開信息
HBC電池，即異質(zhì)結(jié)背接觸晶硅電池，高轉(zhuǎn)換效率的主要原因：
（1）高Voc。HBC電池采用氫化非晶硅(a-Si:H)作為雙面鈍化層,在背面形成局部a-Si/c-Si異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，基于高質(zhì)量的非晶硅鈍化，獲得高Voc。充分吸收了HJT電池非晶硅鈍化技術(shù)的優(yōu)點。
（2）高Jsc。HBC電池采用了IBC電池結(jié)構(gòu)，前表面無遮光損失和減少了電阻損失，從而擁有較高的Jsc。充分吸收了IBC電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。
2、HBC電池量產(chǎn)工藝難點
HBC電池代表晶硅電池最高效率水平，然而，HBC電池在繼承了IBC和HJT兩者優(yōu)點的同時，也保留了兩者各自生產(chǎn)工藝的難點：
?設(shè)備昂貴，工序長，投資成本高
?需要掩模、開槽、摻雜和清洗才能完成制備背面PN區(qū)，制程復(fù)雜
?本征和摻雜非晶硅鍍膜工藝，工藝窗口窄，對工藝清潔度要求極高
?正負(fù)電極都處于背面，電極印刷和電極隔離工藝對設(shè)備精度要求高
?低溫銀漿導(dǎo)電性弱，需要跟TCO配合良好，壁壘高供給少
?低溫電池制程，客戶端需要低溫組件封裝工藝配合
從各晶硅電池工藝制程對比來看，HBC電池工藝是復(fù)雜而昂貴的。見下表：
晶硅電池工藝制程對比
制表：普樂科技（POPSOLAR®）
（1）關(guān)鍵工藝：制備背面P區(qū)（摻硼非晶硅）和N區(qū)（摻磷非晶硅）
如何用低成本工藝，來制備HBC電池背面PN區(qū)，是決定HBC電池是否有產(chǎn)業(yè)競爭力的關(guān)鍵一步。按照經(jīng)典HBC電池制備PN區(qū)的工藝，繞不開“掩模-開槽-沉積-刻蝕”等工藝，比如Kaneka的方案，就高達8個工序，涉及5個不同設(shè)備，制程復(fù)雜而昂貴（見下表）。而主流PERC電池只需一道爐管擴散工藝就完成p-n結(jié)的制備。
制表：普樂科技（POPSOLAR®）
按照目前PECVD、PVD、濕法設(shè)備和金屬化設(shè)備等設(shè)備的成熟度，經(jīng)典HBC電池工藝已經(jīng)走得通，但生產(chǎn)成本會比較高。HBC電池的規(guī)模量產(chǎn)，還需要低成本的工藝方案，特別是低成本的PN區(qū)摻雜方案。業(yè)內(nèi)在探索低成本PN區(qū)摻雜工藝，并在以下幾個方向有了積極的成果：
?簡化摻雜非晶硅薄膜的工序
?降低關(guān)鍵設(shè)備PECVD的設(shè)備成本
?采用更低成本的非晶硅沉積設(shè)備
（2）關(guān)鍵設(shè)備：非晶硅薄膜沉積設(shè)備
非晶硅薄膜沉積設(shè)備，主要有板式PECVD、HWCVD和LPCVD設(shè)備。見下表：
非晶硅薄膜沉積設(shè)備比較
制表：普樂科技（POPSOLAR®）
LPCVD設(shè)備，是隨著TOPCon電池工藝發(fā)展成熟的新電池設(shè)備，目前僅應(yīng)用在TOPCon和TBC工藝的非晶硅鍍膜上。HWCVD是日本松下/三洋選擇的方案，優(yōu)點是沉積非晶硅質(zhì)量較好，缺陷更少；缺點是鍍膜均勻性較差，碎片率較高，電耗偏高。而PECVD，憑借良好的質(zhì)量和穩(wěn)定性成為主流非晶硅薄膜沉積設(shè)備，特別在制備氫化非晶硅方面。
板式PECVD通過微波或射頻波使腔室內(nèi)的反應(yīng)氣體分子電離，形成的高化學(xué)活性等離子體，在基片表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，沉積成膜。管式PECVD在傳統(tǒng)晶硅電池中沉積的薄膜厚度均大于100nm，而在HBC電池中板式PECVD 在硅片正反面先后沉積兩層非晶硅薄膜用作鈍化層，鈍化層的厚度需控制在5-10nm，薄膜均勻性、致密度、容錯率等直接影響電池片的轉(zhuǎn)換效率，因此板式PECVD設(shè)備對真空度、潔凈度、設(shè)備頻率、壓力、沉積速率等各項影響鍍膜質(zhì)量的指標(biāo)，要求比較高，從而導(dǎo)致板式PECVD是HBC電池制程里技術(shù)難度最大同時也是最昂貴的設(shè)備。見下表：
制表：普樂科技（POPSOLAR®）
從目前主流廠商實際表現(xiàn)來看，板式PECVD在工藝控制和成本控制方面，還有較大的提升空間。
（3）TCO和低溫銀漿
TCO透明導(dǎo)電膜
制備TCO透明導(dǎo)電膜，采用PVD或RPD設(shè)備。PVD工藝較為成熟，國際領(lǐng)頭羊公司的PVD設(shè)備產(chǎn)能可達8000片/小時，國產(chǎn)PVD設(shè)備產(chǎn)能也達到了8000片/小時，未來有望提升至10000片/小時，可進一步降低TCO成本；RPD設(shè)備方面，國產(chǎn)RPD設(shè)備每小時產(chǎn)能達到5500片，還在進一步提高。
制備良好的TCO膜，需要合適的薄膜材料。這種薄膜材料的特性要求為：1) 透明性要好；2) 電導(dǎo)率要盡量高；3) 要與其接觸的硅薄膜的功函數(shù)相匹配；4) 在迎光面的TCO膜需要載流子濃度低，以避免紅外吸收；5) 靶材料成本要足夠低；6) 鍍成的薄膜應(yīng)較為穩(wěn)定，不容易在氣氛中分解。
制備HJT電池的TCO膜，一般選用應(yīng)用廣泛但成本較高的ITO膜，而HBC電池，只需背面鍍TCO膜，可以選用較低成本的AZO膜。
低溫銀漿
跟HJT電池工藝一樣，經(jīng)典HBC電池整段工藝都是在200℃左右制備，因此金屬化工藝需要使用低溫漿料；但由于HBC電池只需單面印刷銀漿，銀漿成本始終會低于HJT（同理，TBC銀漿成本低于TOPCon）。低溫銀漿為絲網(wǎng)印刷增加了難度和成本，主要在于低溫聚合物必須在-20℃下儲存，一旦打開聚合物就開始反應(yīng)，這意味著必須立刻使用漿料；同時低溫銀漿的導(dǎo)電性能弱于高溫銀漿，需要提高銀的含量來提高導(dǎo)電性。目前低溫銀漿由于對原料要求高，90%的低溫銀漿由日本一家供應(yīng)商供應(yīng)，成本比常規(guī)高溫銀漿高出不少。目前國產(chǎn)廠商在積極量產(chǎn)低溫銀漿。
四、低成本HBC電池工藝
現(xiàn)階段，若HBC電池①非硅成本降低到0.3元/瓦以下，②或非硅成本比PERC電池僅高出0.15元/瓦以內(nèi)，③或生產(chǎn)成本比PERC電池低，HBC電池將迎來極佳的發(fā)展期。
降低HBC電池生產(chǎn)成本，有幾大工藝方向：
(1)簡化工藝，縮短制程，減少工藝設(shè)備。關(guān)鍵在于減少制備背面PN區(qū)的工序
(2)選用更低成本的非晶硅沉積設(shè)備。比如選用HWCVD或LPCVD，或板式PECVD進一步降本
(3)選用更低成本的TCO膜和靶材。比如選用AZO或其他低成本TCO膜
(4)選用更低成本的金屬電極工藝。比如采用銅電極工藝，或配合微晶工藝采用中高溫銀漿方案
不少研究機構(gòu)和創(chuàng)新企業(yè)，從以上幾大降本方向，提出了若干個低成本HBC電池量產(chǎn)工藝。
1、Tunnel-HBC電池工藝
瑞士電子與微技術(shù)中心CSEM，聯(lián)合設(shè)備廠商Meyer Burger和EPFL，提出了低成本的Tunnel-HBC電池工藝，Voc達到了745mV，電池轉(zhuǎn)換效率高達25.35%。見下圖：
Tunnel-HBC電池結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換效率
來源：CSEM，EPFL，Meyer Burger Research，2019
Tunnel-HBC電池關(guān)鍵工藝是在背面采用n/i/n+/p+/TCO/Ag結(jié)構(gòu)構(gòu)成隧道結(jié)，在簡化工藝制程的同時，還擁有較高的轉(zhuǎn)換效率。Tunnel-HBC電池工藝主要有以下創(chuàng)新點：
(1)只需要N區(qū)（電子收集區(qū)）圖形化，設(shè)備自帶mask，省略了原掩模工序
(2)P區(qū)（空穴收集區(qū)）直接覆蓋整個背面，不需要對準(zhǔn)，省略了原開槽和刻蝕工序
(3)從雙面本征非晶硅到背面兩層摻雜納米晶硅層，可用一個設(shè)備連續(xù)沉積，適合大規(guī)模生產(chǎn)
(4)整個工藝制程大幅縮減到10步，工藝簡潔，生產(chǎn)成本低
(5)只需背面沉積單層且便宜的無銦TCO膜（Al:ZnO）
Tunnel-HBC電池工藝解決了經(jīng)典HBC最復(fù)雜的多步非晶硅沉積工藝，非常適合產(chǎn)業(yè)化。但還有若干新問題需要進一步優(yōu)化：
(1)P區(qū)和N區(qū)沒有隔離，為防止短路，空穴收集材料必須具有低橫向電導(dǎo)性能；
(2)使用nc-Si:H(n)/nc-Si:H(p)代替a-Si:H(n)/a-Si:H(p)可以獲得更好的Voc和FF，但沉積nc-Si:H會降低PECVD產(chǎn)能；
(3)自帶mask的PECVD設(shè)備，造價昂貴，且需要適配電池片尺寸變化；尚無國產(chǎn)設(shè)備廠商跟進；
(4)印刷銀漿后采用濕法刻蝕工藝完成TCO膜和電極的隔離，工藝難度大。
2、基于LPCVD的HBC電池工藝
普樂科技（POPSOLAR®）充分結(jié)合了目前成熟且低成本的工藝和設(shè)備，在先進設(shè)備廠商和材料廠商的幫助下，提出了低成本的“基于LPCVD的HBC電池工藝”（簡稱L-HBC），Voc可達730mV以上，電池轉(zhuǎn)換效率高達25%以上。見下圖。
普樂科技（POPSOLAR®）L-HBC電池結(jié)構(gòu)
與經(jīng)典HBC電池工藝技術(shù)相比，L-HBC電池工藝的創(chuàng)新在于：
(1)充分利用了成熟的LPCVD摻雜非晶硅工藝和掩膜開槽工藝，來制備背面PN區(qū)（硼摻雜和磷摻雜非晶硅）
(2)用低成本的氧化層沉積工藝替代了本征非晶硅沉積工藝。正面用氧化鋁或氧化硅替代本征非晶硅鈍化膜；背面用超薄隧穿氧化硅替代本征非晶硅層，保持了鈍化接觸能力和高Voc
(3)用LPCVD設(shè)備利用BCl3氣態(tài)源實現(xiàn)了低溫硼摻雜非晶層，摻雜濃度容易控制，且降低了制造成本
(4)制備了摻雜非晶硅和微晶硅的混合結(jié)構(gòu)，保持高Voc和高Jsc的同時，能經(jīng)受較高溫度的工藝
(5)用常規(guī)低成本氮化硅工藝替代了低溫TCO工藝，能承受溫度較高的金屬化工藝，并可采用低成本銀漿方案
(6)采用創(chuàng)新激光燒結(jié)工藝，按圖形局部燒結(jié)出銀電極，不破壞非晶硅/微晶硅結(jié)構(gòu)；避免了常規(guī)高溫?zé)Y(jié)放大硅片內(nèi)部缺陷問題，從而進一步提高轉(zhuǎn)換效率
當(dāng)然，L-HBC電池工藝面臨著新問題挑戰(zhàn)：1）非晶硅原位摻雜速率需要進一步提高，氫含量和晶化率需要進一步優(yōu)化；2）整線制程要求較高，需要水平較高的工藝團隊和廠務(wù)設(shè)施；3）激光燒結(jié)設(shè)備需要進一步完善；4）適配L-HBC電池工藝的中高溫銀漿，需要進一步優(yōu)化。
普樂科技L-HBC電池工藝，整線制程充分兼容了主流低成本成熟工藝，適合大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化；若實現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率25.5%和良率95%以上的制程目標(biāo)，生產(chǎn)成本有望低于主流PERC電池。
此外，L-HBC電池工藝有極強的工藝柔性，1）若增加退火設(shè)備，可兼容更低成本的TOPCon電池工藝和TBC電池工藝；2）若將氮化硅工藝改為TCO工藝，則工藝路線跟經(jīng)典HBC接近，但成本低一些。L-HBC電池生產(chǎn)線能為組件客戶提高更多電池產(chǎn)品選項。
3、極簡HBC電池工藝
成本最低的極簡HBC電池工藝，必然是在制備背面PN區(qū)方面做出了重大創(chuàng)新，采用非掩模非化學(xué)沉積工藝完成了背后PN摻雜。那極簡HBC電池工藝是否存在呢？答案是肯定的。
普樂科技（POPSOLAR®）在L-HBC電池工藝基礎(chǔ)上，進一步提出了更簡潔的iHBC電池工藝。iHBC電池工藝采用非掩模非化學(xué)沉積工藝完成了電池背面非晶硅層的硼磷摻雜，不僅大幅縮短了工藝流程，大幅降低了設(shè)備投資成本（約2億元/GW），還比PERC電池工藝降低了30%-40%水電氣耗量，銀漿單耗低于PERC電池，從而使得HBC電池在生產(chǎn)成本和商業(yè)價值上有挑戰(zhàn)主流PERC電池的巨大潛力。
（詳細工藝流程，另文待續(xù)…）
五、總結(jié)與展望
本文梳理IBC電池演進到HBC電池的最新發(fā)展脈絡(luò)，總結(jié)如下：
（1）隨著高價值光伏應(yīng)用市場的蓬勃發(fā)展，既美觀又效率更高IBC電池，越來越受歡迎；阻礙IBC電池發(fā)展的高成本問題，逐漸被新工藝化解，IBC電池已到了規(guī)模發(fā)展的臨界點。
（2）TOPCon和HJT等N型電池設(shè)備和工藝的成熟，帶動了低成本IBC量產(chǎn)工藝的成熟；只要量產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率在25%以上，①非硅成本降低到0.3元/瓦以下，②或非硅成本比PERC電池僅高出0.15元/瓦以內(nèi)，③或生產(chǎn)成本比PERC電池低，IBC電池將迎來極佳的發(fā)展期，甚至有機會成為新一代主流晶硅電池。
（3）在業(yè)內(nèi)紛紛從經(jīng)典IBC電池工藝升級到TBC電池工藝的同時，轉(zhuǎn)換效率最高的HBC電池，迎來了新的發(fā)展階段，并出現(xiàn)了多個低成本HBC電池量產(chǎn)工藝路線，有望讓IBC電池技術(shù)路線重現(xiàn)輝煌。
（4）量產(chǎn)HBC電池的最大挑戰(zhàn)，仍然在于如何發(fā)展和選用低成本的非晶硅沉積設(shè)備，來制備背面PN區(qū)；更激進的工藝方案是，采用更低成本的非化學(xué)沉積設(shè)備來完成背后PN摻雜。
（5）低成本量產(chǎn)工藝的成熟，不僅讓HBC電池仍保持較高的Voc和轉(zhuǎn)換效率，更重要的是，使得HBC電池在生產(chǎn)成本和商業(yè)價值上有挑戰(zhàn)主流PERC電池的巨大潛力。
在全球“碳達峰”和“碳中和”大趨勢背景下，光伏產(chǎn)業(yè)迎來空前繁榮發(fā)展期。主流晶硅光伏已在全球絕大部分地區(qū)實現(xiàn)了發(fā)電側(cè)平價上網(wǎng)，光伏度電成本仍需要進一步降低到0.05-0.15元/kWh區(qū)間內(nèi)，在儲能的配合下，真正成為主力電力能源，光伏發(fā)電滲透率從3%提升至30%以上。在光伏平價時代，光伏轉(zhuǎn)換效率的提升，顯得尤為重要。一是因為高電價地區(qū)的土地和屋頂資源逐漸變得稀缺，二是因為光伏轉(zhuǎn)換效率提升，可攤薄建設(shè)光伏電站的非組件成本，及提升單位面積發(fā)電量，進而降低光伏度電成本。
業(yè)界異常關(guān)注PERC電池之后的下一代晶硅電池主流技術(shù)，到底TOPCon、HJT和IBC等哪一種技術(shù)路線會勝出。按照晶硅電池轉(zhuǎn)換效率每年進步0.5個百分點的規(guī)律，到2030年晶硅電池轉(zhuǎn)換效率將達到27.5%產(chǎn)業(yè)化極限，接近單結(jié)晶硅電池29.43%理論極限，從而進入到晶硅疊層電池發(fā)展時代。不像理論效率只有24.5%的PERC電池，TOPCon、HJT和IBC三種N型技術(shù)路線都擁有非常高的效率天花板。業(yè)界認(rèn)為，要勝出PERC電池，只需滿足：1）比PERC路線更低的度電成本（LCOE）；2）開創(chuàng)新的大應(yīng)用市場。
目前業(yè)界的眼光，主要聚焦在TOPCon和HJT這兩種鈍化接觸技術(shù)路線。高效晶硅電池技術(shù)演進的邏輯是，用更低成本的規(guī)模化工藝手段，減少電池載流子的復(fù)合，從而提高開路電壓和轉(zhuǎn)換效率。PERC電池勝出BSF鋁背場電池，關(guān)鍵在于在電池背面實行更好的鈍化技術(shù)，增強光線的內(nèi)背反射，降低了背面復(fù)合。從實驗室和產(chǎn)業(yè)化結(jié)果來看，TOPCon和HJT電池的鈍化接觸技術(shù)，能大幅減少金屬電極和電池的接觸復(fù)合，從而實現(xiàn)比PERC電池更高的轉(zhuǎn)換效率。在量產(chǎn)成本上，能兼容PERC生產(chǎn)線的TOPCon電池工藝比HJT領(lǐng)先一步。
而IBC（Interdigitated Back Contact，交叉指式背接觸）電池技術(shù)，作為歷史最悠久的晶硅電池技術(shù)，師出名門，自成體系，長期霸占晶硅電池轉(zhuǎn)換效率紀(jì)錄榜榜首，卻一直受限于較高的量產(chǎn)成本，發(fā)展較為曲折。IBC電池與其他晶硅電池最大的不同是，其發(fā)射極、表面場和金屬電極都做在電池背面，并交叉指式分布，電池正表面無任何柵線遮擋，吸光面積最大。
IBC電池技術(shù)能持續(xù)發(fā)展幾十年，并越來越受關(guān)注，除了擁有最高轉(zhuǎn)換效率潛力的電池結(jié)構(gòu)外，在于它能兼容并蓄，不斷吸收其他晶硅技術(shù)路線的工藝優(yōu)點和鈍化技術(shù)，來不斷提升轉(zhuǎn)換效率。IBC吸收了PERC技術(shù)發(fā)展階段的優(yōu)點，轉(zhuǎn)換效率提升到24%-25%；吸收TOPCon鈍化接觸技術(shù)，演變成POLO-IBC電池或TBC電池，轉(zhuǎn)換效率能到25%-26%；吸收HJT的非晶硅鈍化技術(shù)，演變成HBC電池，轉(zhuǎn)換效率能到26%-27%。
IBC電池，除了“比PERC路線更低的度電成本（LCOE）”的發(fā)展?jié)摿ν?，還擁有“開創(chuàng)新的大應(yīng)用市場”的巨大潛力，因為IBC電池表面純黑美觀，輕薄化后比其他光伏電池更適合應(yīng)用在蓬勃發(fā)展的光伏建筑（BIPV）市場、電子消費市場、軍工市場和航天航空市場。
本文梳理IBC電池演進到HBC電池的發(fā)展脈絡(luò)，試圖回答：
（1）IBC電池是否有機會成為新一代主流晶硅電池
（2）轉(zhuǎn)換效率最高的HBC電池，量產(chǎn)工藝難點在哪里
（3）HBC電池技術(shù)滿足什么條件，才具備商業(yè)價值
（4）是否存在比PERC更低成本的HBC電池量產(chǎn)工藝
二、IBC電池發(fā)展?jié)摿?/strong>
1、SunPower公司IBC電池發(fā)展歷程
談及IBC電池，SunPower是繞不過去的一座豐碑。SunPower已成立36年，累計出貨35億片IBC電池片（超過10GW），擁有1000多個晶硅電池專利。
1975年，Schwartz和Lammert首提背接觸式光伏電池概念；1984年，斯坦福教授Swanson研發(fā)了IBC類似的點接觸（Point Contact Cell，PCC）太陽電池，在聚光系統(tǒng)下轉(zhuǎn)換效率19.7％；1985年Swanson教授創(chuàng)立SunPower，研發(fā)IBC電池。1993年，SunPower全背接觸電池幫助本田贏得澳洲太陽能汽車挑戰(zhàn)賽冠軍。2004年，SunPower菲律賓工廠（25MW產(chǎn)能）規(guī)模量產(chǎn)第一代IBC電池（見下圖），轉(zhuǎn)換效率最高21.5%，組件價格5-6美金/瓦。同時期，無錫尚德（Suntech）拉開了中國低成本晶硅電池的規(guī)模量產(chǎn)序幕，尚德晶硅組件效率約13%，出廠價格2.8美金/瓦，還有20%毛利率。
SunPower第一代IBC電池
SunPower第一代IBC電池基本奠定了IBC電池技術(shù)路線的電池結(jié)構(gòu)和工藝框架：
（1）電池前表面陷光絨面，無柵線遮擋，避免了金屬電極遮光損失，最大化吸收入射光子，實現(xiàn)良好短路電流；
（2）電池背面制備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；由于消除了前表面發(fā)射極，前表面復(fù)合損失減少；
（3）前表面遠離背面p-n結(jié)，為了抑制前表面復(fù)合，需要更好的前表面鈍化方案；同時需要具有長擴散長度的高質(zhì)量硅片（如N型硅片），以降低少數(shù)載流子在到達背結(jié)之前的復(fù)合；
（4）采用鈍化接觸或減少接觸面積，大幅減少背面p+區(qū)和n+區(qū)與金屬電極的接觸復(fù)合損失；
（5）增加前表面場FSF，利用場鈍化效應(yīng)降低表面少子濃度，降低表面復(fù)合速率的同時還可以降低串聯(lián)電阻，提升電子傳輸能力。
自推出一代IBC電池后，SunPower不斷往兩個方向升級IBC電池技術(shù)：1）更簡化的制程，及更低成本工藝；2）更好的鈍化技術(shù)。其IBC電池技術(shù)升級歷程見下表：
SunPower公司IBC電池發(fā)展歷程
SunPower新一代IBC電池（TBC電池）
2、IBC電池技術(shù)及量產(chǎn)工藝演進IBC電池超高的轉(zhuǎn)換效率表現(xiàn)，吸引了大批的研究機構(gòu)和太陽能企業(yè)，從新電池結(jié)構(gòu)、新鈍化技術(shù)、摻雜技術(shù)、金屬化工藝和封裝工藝等方面，作出了大量的實驗室研究成果和量產(chǎn)探索成果。IBC電池量產(chǎn)工藝的關(guān)鍵問題，是如何低成本的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。SunPower及后來者，曾嘗試過掩模光刻、離子注入、爐管擴散、CVD原位摻雜、激光摻雜等不同的設(shè)備和工藝，來制備IBC電池背面P區(qū)和N區(qū)。
隨著設(shè)備成本的下降和工藝的成熟，IBC電池慢慢形成了三大工藝路線：1）以SunPower為代表的經(jīng)典IBC電池工藝；2）以ISFH為代表的POLO-IBC電池工藝；由于POLO-IBC工藝復(fù)雜，業(yè)內(nèi)更看好低成本的同源技術(shù)TBC電池工藝（TOPCon-IBC）；3）以Kaneka為代表的HBC電池工藝（IBC-SHJ）。見下圖：
來源：中科院寧波材料所，2020
（1）經(jīng)典IBC電池工藝特點：
?掩模和爐管擴散制備背面PN區(qū)
?P區(qū)N區(qū)隔離，分別跟金屬電極接觸
?單面絲網(wǎng)印刷，無主柵或多主柵
?兼容部分PERC工序
?高溫制程，設(shè)備及工藝成熟、成本低
?量產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率23.5%-24.5%
由于主流PERC電池轉(zhuǎn)換效率已到23%，TOPCon電池和HJT電池也能輕松達到24.5%轉(zhuǎn)換效率，經(jīng)典IBC電池獲取的效率溢價，難以覆蓋增加的成本，該工藝路線慢慢變得沒有競爭力，業(yè)內(nèi)已將目光投向更有前景的TBC電池和HBC電池技術(shù)。
（2）TBC電池工藝特點：
?掩模和爐管擴散制備背面PN區(qū)，或掩模和CVD原位摻雜制備背面PN區(qū)
?PN區(qū)與基區(qū)之間沉積一層超薄隧穿氧化層
?P區(qū)N區(qū)隔離，分別跟金屬電極接觸
?單面絲網(wǎng)印刷，無主柵或多主柵
?兼容部分TOPCon工序
?高溫制程，工藝接近成熟、成本低
?量產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率24.5%-25.5%
由于TOPCon電池工藝已成熟，吸收了TOPCon電池關(guān)鍵技術(shù)工藝的TBC電池，成為了性價比最高的IBC電池工藝路線。SunPower和國內(nèi)嘗試量產(chǎn)IBC電池的企業(yè)，紛紛向該技術(shù)路線轉(zhuǎn)型。
（3）HBC電池工藝特點：
?掩模和CVD原位摻雜制備背面PN區(qū)
?電池正面沉積本征非晶硅鈍化層
?PN區(qū)與基區(qū)之間沉積本征非晶硅鈍化層
?PN區(qū)與金屬電極之間沉積TCO層
?單面絲網(wǎng)印刷，無主柵或多主柵
?兼容HJT設(shè)備和工藝
?低溫制程，工藝接近成熟、成本高
?量產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率25%-26.5%
吸收了非晶硅鈍化技術(shù)的HBC電池，開路電壓高達740mV，轉(zhuǎn)換效率最高達到26.63%，成為新一代最有發(fā)展?jié)摿Φ木Ч桦姵毓に嚶肪€。
3、IBC電池成本及市場潛力
從整個光伏電池市場來看，目前IBC電池仍然處于曲高和寡的狀態(tài)?？聪卤恚?br />
表 晶硅光伏電池不同工藝路線的發(fā)展情況
從設(shè)備成熟度、N型工藝發(fā)展趨勢和終端市場變化來看，IBC電池將迎來重大發(fā)展機遇：
(1)制備TOPCon電池的關(guān)鍵設(shè)備LPCVD（或PECVD），已經(jīng)成熟，推動TOPCon電池整套量產(chǎn)工藝成熟的同時，帶動了TBC電池工藝的成熟。TOPCon電池正表面存在較高的金屬接觸復(fù)合，TBC電池不存在該問題，從而擁有比TOPCon電池更高的轉(zhuǎn)換效率。
(2)HJT電池全套工藝設(shè)備，特別是板式PECVD設(shè)備，已接近成熟，將帶動HBC電池工藝的成熟。HBC電池，能避開HJT電池前表面的金屬電極光學(xué)遮擋和高電阻帶來的效率損失，從而擁有比HJT電池更高的轉(zhuǎn)換效率。
(3)效率更高的TBC/HBC電池，只需背面印刷銀漿，銀漿耗量比TOPCon/HJT電池低；且背面銀漿不必考慮柵線遮擋問題，可適當(dāng)加寬柵線，從而降低串聯(lián)電阻，提高FF。比TOPCon/HJT電池更低的銀漿成本，給TBC/HBC電池工藝帶來充分的技術(shù)迭代空間和降本空間。
(4)按照晶硅電池每年提高0.5個百分點轉(zhuǎn)換效率的進步速度，在3-4年左右時間，晶硅電池平均量產(chǎn)效率將達到25%，效率更高的TBC/HBC電池，迎來大規(guī)模發(fā)展階段。
(5)平價時代，異常注重單位發(fā)電功率的分布式屋頂、電動大巴、太陽能無人飛機、消費電子、軍工和航天航空等高端光伏應(yīng)用市場，更青睞于更加美觀、單面發(fā)電但效率更高的IBC電池。
(6)設(shè)備和工藝的成熟，使得量產(chǎn)IBC電池的非硅成本，只要低于0.3元/瓦，以TBC/HBC工藝為主要發(fā)展方向的IBC電池將蓬勃發(fā)展，有望成為新一代主流光伏電池。
三、HBC電池效率及工藝難點
1、HBC轉(zhuǎn)換效率表現(xiàn)
2014-2015年是BSF鋁背場電池發(fā)展到效率天花板的技術(shù)拐點期，當(dāng)時轉(zhuǎn)換效率22%以上的晶硅電池技術(shù)有：IBC電池、HJT電池和PERx（PERL/PERT/PERC）家族電池。結(jié)果，在BSF電池生產(chǎn)工藝上，只需增加背面氧化鋁鍍膜和激光開槽兩道工序就完成升級的PERC電池，依靠良好的工藝兼容性和較低的設(shè)備投入，迅速成為新一代主流晶硅電池技術(shù)。
而同期IBC電池，在HJT電池技術(shù)的加持下，成為太陽能電池領(lǐng)域新的創(chuàng)新熱點。2014年，受夏普研究成果啟發(fā)，松下在其HIT（即HJT）電池基礎(chǔ)上，結(jié)合了IBC電池結(jié)構(gòu)，研發(fā)出了轉(zhuǎn)換效率25.6%的HBC電池，刷新了世界紀(jì)錄。
HBC電池具有最高轉(zhuǎn)換效率的發(fā)展?jié)摿Γ杆傥舜笈邪l(fā)機構(gòu)和企業(yè)的研究，成為最熱門的技術(shù)路線之一。見下表。
2017年，Kaneka將HBC電池世界紀(jì)錄，刷新到了26.63%。這也是迄今為止晶硅太陽能電池研發(fā)效率的最高水平。見下圖及下表：
來源：公開信息
HBC電池，即異質(zhì)結(jié)背接觸晶硅電池，高轉(zhuǎn)換效率的主要原因：
（1）高Voc。HBC電池采用氫化非晶硅(a-Si:H)作為雙面鈍化層,在背面形成局部a-Si/c-Si異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，基于高質(zhì)量的非晶硅鈍化，獲得高Voc。充分吸收了HJT電池非晶硅鈍化技術(shù)的優(yōu)點。
（2）高Jsc。HBC電池采用了IBC電池結(jié)構(gòu)，前表面無遮光損失和減少了電阻損失，從而擁有較高的Jsc。充分吸收了IBC電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。
2、HBC電池量產(chǎn)工藝難點
HBC電池代表晶硅電池最高效率水平，然而，HBC電池在繼承了IBC和HJT兩者優(yōu)點的同時，也保留了兩者各自生產(chǎn)工藝的難點：
?設(shè)備昂貴，工序長，投資成本高
?需要掩模、開槽、摻雜和清洗才能完成制備背面PN區(qū)，制程復(fù)雜
?本征和摻雜非晶硅鍍膜工藝，工藝窗口窄，對工藝清潔度要求極高
?正負(fù)電極都處于背面，電極印刷和電極隔離工藝對設(shè)備精度要求高
?低溫銀漿導(dǎo)電性弱，需要跟TCO配合良好，壁壘高供給少
?低溫電池制程，客戶端需要低溫組件封裝工藝配合
從各晶硅電池工藝制程對比來看，HBC電池工藝是復(fù)雜而昂貴的。見下表：
晶硅電池工藝制程對比
制表：普樂科技（POPSOLAR®）
（1）關(guān)鍵工藝：制備背面P區(qū)（摻硼非晶硅）和N區(qū)（摻磷非晶硅）
如何用低成本工藝，來制備HBC電池背面PN區(qū)，是決定HBC電池是否有產(chǎn)業(yè)競爭力的關(guān)鍵一步。按照經(jīng)典HBC電池制備PN區(qū)的工藝，繞不開“掩模-開槽-沉積-刻蝕”等工藝，比如Kaneka的方案，就高達8個工序，涉及5個不同設(shè)備，制程復(fù)雜而昂貴（見下表）。而主流PERC電池只需一道爐管擴散工藝就完成p-n結(jié)的制備。
按照目前PECVD、PVD、濕法設(shè)備和金屬化設(shè)備等設(shè)備的成熟度，經(jīng)典HBC電池工藝已經(jīng)走得通，但生產(chǎn)成本會比較高。HBC電池的規(guī)模量產(chǎn)，還需要低成本的工藝方案，特別是低成本的PN區(qū)摻雜方案。業(yè)內(nèi)在探索低成本PN區(qū)摻雜工藝，并在以下幾個方向有了積極的成果：
?簡化摻雜非晶硅薄膜的工序
?降低關(guān)鍵設(shè)備PECVD的設(shè)備成本
?采用更低成本的非晶硅沉積設(shè)備
（2）關(guān)鍵設(shè)備：非晶硅薄膜沉積設(shè)備
非晶硅薄膜沉積設(shè)備，主要有板式PECVD、HWCVD和LPCVD設(shè)備。見下表：
非晶硅薄膜沉積設(shè)備比較
制表：普樂科技（POPSOLAR®）
LPCVD設(shè)備，是隨著TOPCon電池工藝發(fā)展成熟的新電池設(shè)備，目前僅應(yīng)用在TOPCon和TBC工藝的非晶硅鍍膜上。HWCVD是日本松下/三洋選擇的方案，優(yōu)點是沉積非晶硅質(zhì)量較好，缺陷更少；缺點是鍍膜均勻性較差，碎片率較高，電耗偏高。而PECVD，憑借良好的質(zhì)量和穩(wěn)定性成為主流非晶硅薄膜沉積設(shè)備，特別在制備氫化非晶硅方面。
板式PECVD通過微波或射頻波使腔室內(nèi)的反應(yīng)氣體分子電離，形成的高化學(xué)活性等離子體，在基片表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，沉積成膜。管式PECVD在傳統(tǒng)晶硅電池中沉積的薄膜厚度均大于100nm，而在HBC電池中板式PECVD 在硅片正反面先后沉積兩層非晶硅薄膜用作鈍化層，鈍化層的厚度需控制在5-10nm，薄膜均勻性、致密度、容錯率等直接影響電池片的轉(zhuǎn)換效率，因此板式PECVD設(shè)備對真空度、潔凈度、設(shè)備頻率、壓力、沉積速率等各項影響鍍膜質(zhì)量的指標(biāo)，要求比較高，從而導(dǎo)致板式PECVD是HBC電池制程里技術(shù)難度最大同時也是最昂貴的設(shè)備。見下表：
從目前主流廠商實際表現(xiàn)來看，板式PECVD在工藝控制和成本控制方面，還有較大的提升空間。
（3）TCO和低溫銀漿
TCO透明導(dǎo)電膜
制備TCO透明導(dǎo)電膜，采用PVD或RPD設(shè)備。PVD工藝較為成熟，國際領(lǐng)頭羊公司的PVD設(shè)備產(chǎn)能可達8000片/小時，國產(chǎn)PVD設(shè)備產(chǎn)能也達到了8000片/小時，未來有望提升至10000片/小時，可進一步降低TCO成本；RPD設(shè)備方面，國產(chǎn)RPD設(shè)備每小時產(chǎn)能達到5500片，還在進一步提高。
制備良好的TCO膜，需要合適的薄膜材料。這種薄膜材料的特性要求為：1) 透明性要好；2) 電導(dǎo)率要盡量高；3) 要與其接觸的硅薄膜的功函數(shù)相匹配；4) 在迎光面的TCO膜需要載流子濃度低，以避免紅外吸收；5) 靶材料成本要足夠低；6) 鍍成的薄膜應(yīng)較為穩(wěn)定，不容易在氣氛中分解。
制備HJT電池的TCO膜，一般選用應(yīng)用廣泛但成本較高的ITO膜，而HBC電池，只需背面鍍TCO膜，可以選用較低成本的AZO膜。
低溫銀漿
跟HJT電池工藝一樣，經(jīng)典HBC電池整段工藝都是在200℃左右制備，因此金屬化工藝需要使用低溫漿料；但由于HBC電池只需單面印刷銀漿，銀漿成本始終會低于HJT（同理，TBC銀漿成本低于TOPCon）。低溫銀漿為絲網(wǎng)印刷增加了難度和成本，主要在于低溫聚合物必須在-20℃下儲存，一旦打開聚合物就開始反應(yīng)，這意味著必須立刻使用漿料；同時低溫銀漿的導(dǎo)電性能弱于高溫銀漿，需要提高銀的含量來提高導(dǎo)電性。目前低溫銀漿由于對原料要求高，90%的低溫銀漿由日本一家供應(yīng)商供應(yīng)，成本比常規(guī)高溫銀漿高出不少。目前國產(chǎn)廠商在積極量產(chǎn)低溫銀漿。
四、低成本HBC電池工藝
現(xiàn)階段，若HBC電池①非硅成本降低到0.3元/瓦以下，②或非硅成本比PERC電池僅高出0.15元/瓦以內(nèi)，③或生產(chǎn)成本比PERC電池低，HBC電池將迎來極佳的發(fā)展期。
降低HBC電池生產(chǎn)成本，有幾大工藝方向：
(1)簡化工藝，縮短制程，減少工藝設(shè)備。關(guān)鍵在于減少制備背面PN區(qū)的工序
(2)選用更低成本的非晶硅沉積設(shè)備。比如選用HWCVD或LPCVD，或板式PECVD進一步降本
(3)選用更低成本的TCO膜和靶材。比如選用AZO或其他低成本TCO膜
(4)選用更低成本的金屬電極工藝。比如采用銅電極工藝，或配合微晶工藝采用中高溫銀漿方案
不少研究機構(gòu)和創(chuàng)新企業(yè)，從以上幾大降本方向，提出了若干個低成本HBC電池量產(chǎn)工藝。
1、Tunnel-HBC電池工藝
瑞士電子與微技術(shù)中心CSEM，聯(lián)合設(shè)備廠商Meyer Burger和EPFL，提出了低成本的Tunnel-HBC電池工藝，Voc達到了745mV，電池轉(zhuǎn)換效率高達25.35%。見下圖：
來源：CSEM，EPFL，Meyer Burger Research，2019
Tunnel-HBC電池關(guān)鍵工藝是在背面采用n/i/n+/p+/TCO/Ag結(jié)構(gòu)構(gòu)成隧道結(jié)，在簡化工藝制程的同時，還擁有較高的轉(zhuǎn)換效率。Tunnel-HBC電池工藝主要有以下創(chuàng)新點：
(1)只需要N區(qū)（電子收集區(qū)）圖形化，設(shè)備自帶mask，省略了原掩模工序
(2)P區(qū)（空穴收集區(qū)）直接覆蓋整個背面，不需要對準(zhǔn)，省略了原開槽和刻蝕工序
(3)從雙面本征非晶硅到背面兩層摻雜納米晶硅層，可用一個設(shè)備連續(xù)沉積，適合大規(guī)模生產(chǎn)
(4)整個工藝制程大幅縮減到10步，工藝簡潔，生產(chǎn)成本低
(5)只需背面沉積單層且便宜的無銦TCO膜（Al:ZnO）
Tunnel-HBC電池工藝解決了經(jīng)典HBC最復(fù)雜的多步非晶硅沉積工藝，非常適合產(chǎn)業(yè)化。但還有若干新問題需要進一步優(yōu)化：
(1)P區(qū)和N區(qū)沒有隔離，為防止短路，空穴收集材料必須具有低橫向電導(dǎo)性能；
(2)使用nc-Si:H(n)/nc-Si:H(p)代替a-Si:H(n)/a-Si:H(p)可以獲得更好的Voc和FF，但沉積nc-Si:H會降低PECVD產(chǎn)能；
(3)自帶mask的PECVD設(shè)備，造價昂貴，且需要適配電池片尺寸變化；尚無國產(chǎn)設(shè)備廠商跟進；
(4)印刷銀漿后采用濕法刻蝕工藝完成TCO膜和電極的隔離，工藝難度大。
2、基于LPCVD的HBC電池工藝
普樂科技（POPSOLAR®）充分結(jié)合了目前成熟且低成本的工藝和設(shè)備，在先進設(shè)備廠商和材料廠商的幫助下，提出了低成本的“基于LPCVD的HBC電池工藝”（簡稱L-HBC），Voc可達730mV以上，電池轉(zhuǎn)換效率高達25%以上。見下圖。
與經(jīng)典HBC電池工藝技術(shù)相比，L-HBC電池工藝的創(chuàng)新在于：
(1)充分利用了成熟的LPCVD摻雜非晶硅工藝和掩膜開槽工藝，來制備背面PN區(qū)（硼摻雜和磷摻雜非晶硅）
(2)用低成本的氧化層沉積工藝替代了本征非晶硅沉積工藝。正面用氧化鋁或氧化硅替代本征非晶硅鈍化膜；背面用超薄隧穿氧化硅替代本征非晶硅層，保持了鈍化接觸能力和高Voc
(3)用LPCVD設(shè)備利用BCl3氣態(tài)源實現(xiàn)了低溫硼摻雜非晶層，摻雜濃度容易控制，且降低了制造成本
(4)制備了摻雜非晶硅和微晶硅的混合結(jié)構(gòu)，保持高Voc和高Jsc的同時，能經(jīng)受較高溫度的工藝
(5)用常規(guī)低成本氮化硅工藝替代了低溫TCO工藝，能承受溫度較高的金屬化工藝，并可采用低成本銀漿方案
(6)采用創(chuàng)新激光燒結(jié)工藝，按圖形局部燒結(jié)出銀電極，不破壞非晶硅/微晶硅結(jié)構(gòu)；避免了常規(guī)高溫?zé)Y(jié)放大硅片內(nèi)部缺陷問題，從而進一步提高轉(zhuǎn)換效率
當(dāng)然，L-HBC電池工藝面臨著新問題挑戰(zhàn)：1）非晶硅原位摻雜速率需要進一步提高，氫含量和晶化率需要進一步優(yōu)化；2）整線制程要求較高，需要水平較高的工藝團隊和廠務(wù)設(shè)施；3）激光燒結(jié)設(shè)備需要進一步完善；4）適配L-HBC電池工藝的中高溫銀漿，需要進一步優(yōu)化。
普樂科技L-HBC電池工藝，整線制程充分兼容了主流低成本成熟工藝，適合大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化；若實現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率25.5%和良率95%以上的制程目標(biāo)，生產(chǎn)成本有望低于主流PERC電池。
此外，L-HBC電池工藝有極強的工藝柔性，1）若增加退火設(shè)備，可兼容更低成本的TOPCon電池工藝和TBC電池工藝；2）若將氮化硅工藝改為TCO工藝，則工藝路線跟經(jīng)典HBC接近，但成本低一些。L-HBC電池生產(chǎn)線能為組件客戶提高更多電池產(chǎn)品選項。
3、極簡HBC電池工藝
成本最低的極簡HBC電池工藝，必然是在制備背面PN區(qū)方面做出了重大創(chuàng)新，采用非掩模非化學(xué)沉積工藝完成了背后PN摻雜。那極簡HBC電池工藝是否存在呢？答案是肯定的。
普樂科技（POPSOLAR®）在L-HBC電池工藝基礎(chǔ)上，進一步提出了更簡潔的iHBC電池工藝。iHBC電池工藝采用非掩模非化學(xué)沉積工藝完成了電池背面非晶硅層的硼磷摻雜，不僅大幅縮短了工藝流程，大幅降低了設(shè)備投資成本（約2億元/GW），還比PERC電池工藝降低了30%-40%水電氣耗量，銀漿單耗低于PERC電池，從而使得HBC電池在生產(chǎn)成本和商業(yè)價值上有挑戰(zhàn)主流PERC電池的巨大潛力。
（詳細工藝流程，另文待續(xù)…）
五、總結(jié)與展望
本文梳理IBC電池演進到HBC電池的最新發(fā)展脈絡(luò)，總結(jié)如下：
（1）隨著高價值光伏應(yīng)用市場的蓬勃發(fā)展，既美觀又效率更高IBC電池，越來越受歡迎；阻礙IBC電池發(fā)展的高成本問題，逐漸被新工藝化解，IBC電池已到了規(guī)模發(fā)展的臨界點。
（2）TOPCon和HJT等N型電池設(shè)備和工藝的成熟，帶動了低成本IBC量產(chǎn)工藝的成熟；只要量產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率在25%以上，①非硅成本降低到0.3元/瓦以下，②或非硅成本比PERC電池僅高出0.15元/瓦以內(nèi)，③或生產(chǎn)成本比PERC電池低，IBC電池將迎來極佳的發(fā)展期，甚至有機會成為新一代主流晶硅電池。
（3）在業(yè)內(nèi)紛紛從經(jīng)典IBC電池工藝升級到TBC電池工藝的同時，轉(zhuǎn)換效率最高的HBC電池，迎來了新的發(fā)展階段，并出現(xiàn)了多個低成本HBC電池量產(chǎn)工藝路線，有望讓IBC電池技術(shù)路線重現(xiàn)輝煌。
（4）量產(chǎn)HBC電池的最大挑戰(zhàn)，仍然在于如何發(fā)展和選用低成本的非晶硅沉積設(shè)備，來制備背面PN區(qū)；更激進的工藝方案是，采用更低成本的非化學(xué)沉積設(shè)備來完成背后PN摻雜。
（5）低成本量產(chǎn)工藝的成熟，不僅讓HBC電池仍保持較高的Voc和轉(zhuǎn)換效率，更重要的是，使得HBC電池在生產(chǎn)成本和商業(yè)價值上有挑戰(zhàn)主流PERC電池的巨大潛力。
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