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干货!IBC电池技术介绍与产业化探索

2019-06-07 04:05
来源: 光伏盒子

1.IBC电池

简介及发展

1.1 IBC电池介绍

 IBC(Interdigitated back contact指交叉背接触)电池是指正负金属电极呈叉指状方式排列在电池背光面的一种背结背接触的太阳电池结构,它的p-n结位于电池背面,电流属于二维传输模型。MWT、EWT也属于背接触太阳电池,但因其p-n结位于电池正面,故称之为前结背接触太阳电池。

 IBC电池的结构如图1,一般以n型硅作为基底,前表面是n+的前场区FSF,背表面为叉指状排列的p+发射极Emitter和n+背场BSF。前后表面均采用SiO2/SiNx叠层膜作为钝化层。正面无金属接触,背面的正负电极接触区域也呈叉指状排列。

IBC电池的结构如图1,一般以n型硅作为基底,前表面是n+的前场区FSF,背表面为叉指状排列的p+发射极Emitter和n+背场BSF。前后表面均采用SiO2/SiNx叠层膜作为钝化层。正面无金属接触,背面的正负电极接触区域也呈叉指状排列。

FSF的作用是利用场钝化效应降低表面少子浓度,从而降低表面复合速率,同时还可以降低串联电阻,提升电子传输能力,可通过磷扩散或离子注入等技术形成;背面Emitter的作用是与n型硅基底形成p-n结,有效地分离载流子,可以通过硼扩散或旋涂的方式制备;背面BSF主要是与n型硅形成高低结,诱导形成p-n结,增强载流子的分离能力,可通过磷扩散或离子注入形成;背面p/n交替的叉指状结构的形成是IBC电池的技术核心,可通过光刻、掩膜、激光等方法实现。

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▲图1. IBC电池结构示意图[1]

1.2 IBC电池发展过程

1975年Schwartz等人提出了背接触的概念,之后经过多年的研究发展,人们研发出了指交叉式的IBC太阳电池,最初此类电池主要应用于聚光系统。

1984年,Swanson等人报道了与IBC类似的点接触(Point Contact Cell, PCC)太阳电池,并在88倍聚光系统下得到19.7%的转换效率,与正常IBC电池相比,工艺过程更为复杂,不易大规模推广。

第二年,Verlinden等人在标准光照下,制备出效率21%的IBC太阳电池。1997年,SunPower公司和斯坦福大学开发的IBC电池,在1个光照下得到23.2%的转换效率。2004年,SunPower公司采用点接触和丝网印刷技术研发出第一代大面积(149cm2)的IBC电池A-300,电池效率为21.5%。

2007年,SunPower公司经过对原有A-300 IBC电池工艺的优化和改进,研发出可量产的平均效率22.4%的第二代IBC电池。2014年,SunPower公司在n型CZ硅片上制备的第三代IBC太阳电池,最高效率达到25.2%。

目前在IBC电池的研究基础上,人们也在尝试将IBC电池与其它电池相融合的研发思路,如HBC(Heterojunction Back Contact)电池是将HIT异质结电池与IBC相结合的结构,在2017年已经报道出了26.6%的电池转换效率。

image.png

2.IBC电池的

优势及挑战

2.1 优势

IBC电池发射区和基区的电极均处于背面,正面完全无栅线遮挡,因为这种特殊的结构设计,使它具有以下优势:

1)电池正面无栅线遮挡,可消除金属电极的遮光电流损失,实现入射光子的最大利用化,较常规太阳电池短路电流可提高7%左右;

2)正负电极都在电池背面,不必考虑栅线遮挡问题,可适当加宽栅线比例,从而降低串联电阻,提高FF;

3)由于正面不用考虑栅线遮光、金属接触等因素,可对表面钝化及表面陷光结构进行最优化的设计,可得到较低的前表面复合速率和表面反射,从而提高Voc和Jsc;

4)外形美观,尤其适用于光伏建筑一体化,具有较好的商业化前景;

2.2 挑战

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p-n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p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。

正是因为上述挑战,使得IBC电池的产业化之路充满阻碍。目前中来光电已经完成IBC电池核心技术的研发过程,正在积极探索IBC电池的产业化发展。

3.中来IBC电池

产业化进展

IBC电池的核心技术之一是其背面电极的设计,因为它不仅影响电池性能,还直接决定了IBC组件的制作工艺。按照电极设计的不同,中来IBC电池包含三种主要类型,如图2所示。

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