1975年，Schwartz首次提出背接觸式太陽電池，最初應用於(yu) 高聚光係統中。經過多年的發展，研發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是PN結和金屬接觸都處於(yu) 太陽電池的背部，前表麵徹底避免了金屬柵線電極的遮擋，結合前表麵的金字塔絨麵結構和減反層組成的陷光結構，能夠最大限度地利用入射光，減少光學損失，具有更高的短路電流。同時，背部采用優(you) 化的金屬柵線電極，降低了串聯電阻。通常前表麵采用SiNx/SiOx雙層薄膜，不僅(jin) 具有減反效果，而且對絨麵矽表麵有很好的鈍化效果。目前IBC電池是商品化晶體(ti) 矽電池中工藝最複雜、結構設計難度最大的電池。采用IBC與(yu) HJ技術結合的HBC技術可以使電池效率進一步提升，在2017年已經得到26.6%的世界記錄效率。

IBC電池的結構圖

美國SunPower公司已經研發了三代IBC太陽電池。其中，2014年在N型CZ矽片上製備的第三代IBC太陽電池的最高效率達到25.2%。資料顯示，SunPower量產(chan) 效率達25%，LG量產(chan) 效率達24.5%。

國內(nei) 天合光能一直致力於(yu) IBC單晶矽電池的研發，2017年5月自主研發的大麵積6英寸(243.2cm2)N型單晶矽IBC電池效率達到24.13%;2018年2月，該電池的效率進一步提高到25.04%，開路電壓達到715.6mV，並經過日本電氣安全與(yu) 環境技術實驗室(JET)獨立測試認證。這是迄今為(wei) 止經第三方權威認證的中國本土效率首次超過25%的單結單晶矽太陽電池，也是目前世界上大麵積6英寸晶體(ti) 矽襯底上製備的單晶矽太陽電池的最高轉換效率，標誌著天合在高端光伏電池技術研究上邁出了重要的一步。

IBC電池技術的研究進展(天合光能，2018，25.04%)

關(guan) 鍵製備技術

在高壽命的N型矽片襯底的背麵形成相間的P+和N+擴散區，前表麵製備金字塔狀絨麵來增強光的吸收，同時在前表麵形成前表麵場(FSF)。前表麵多采用SiNx的疊層鈍化減反膜，背麵采用SiO2、AlOx、SiNx等鈍化層或疊層。最後在背麵選擇性地形成P和N的金屬接觸。

擴散區的定義(yi) 及形成

較之傳(chuan) 統太陽電池，IBC電池的工藝流程要複雜得多。IBC電池工藝的關(guan) 鍵問題，是如何在電池背麵製備出呈叉指狀間隔排列的P區和N區，以及在其上麵分別形成金屬化接觸和柵線。對擴散而言，爐管擴散是目前應用最廣泛的方法。普通太陽電池的擴散隻需在P型襯底上形成N型的擴散區，而IBC電池既有形成背麵N區(BSF)的磷擴散，還有形成PN結的硼擴散，即在N型襯底上進行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，不適合大規模生產(chan) 。相對低成本的方法有通過絲(si) 網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(cong) 而形成需要的圖形。這種方法需要兩(liang) 步單獨的擴散過程來分別形成P型區和N型區。另外，還可以直接在掩膜中摻入所需要摻雜的雜質源(硼或磷源)，一般可以通過化學氣相沉積的方法來形成摻雜的掩膜層。這樣在後續就隻需要經過高溫將雜質源擴散到矽片內(nei) 部即可，從(cong) 而節省一步高溫過程。另外，也可在電池背麵印刷一層含硼的叉指狀擴散掩蔽層，掩蔽層上的硼經擴散後進入N型襯底形成P+區，而未印刷掩膜層的區域，經磷擴散後形成N+區。不過，絲(si) 網印刷方法本身的局限性，如對準的精度問題，印刷重複性問題等，給電池結構設計提出了一定的要求，在一定的參數條件下，較小的PN間距和金屬接觸麵積能帶來電池效率的提升，因此，絲(si) 網印刷的方法，需在工藝重複可靠性和電池效率之間找到平衡點。

激光是解決(jue) 絲(si) 網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(ti) 矽升華成為(wei) 氣相，從(cong) 而使附著在該部分矽上的薄膜脫落)，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(si) 網印刷更加細小的電池單位結構，更小的金屬接觸開孔和更靈活的設計。需要留意的是激光加工帶來的矽片損傷(shang) ，以及對接觸電阻的影響;另外，精準對位是激光設備的必要條件，如果不采用Scanner方式的激光頭，其加工時間往往較長，平均每片電池片的激光加工需耗時幾分鍾到十幾分鍾，生產(chan) 效率低，目前隻適合研發應用。

近年來，不斷有從(cong) 半導體(ti) 工業(ye) 轉移到光伏工業(ye) 的技術，離子注入就是其中之一。離子注入的最大優(you) 點是可以精確地控製摻雜濃度，從(cong) 而避免了爐管擴散中存在的擴散死層(高濃度的擴散雜質與(yu) 矽的晶格失配以及未激活的雜質引起的晶格缺陷使得擴散層表麵載流子壽命極低)。2011年，Suniva首先開發了離子注入太陽電池技術，實現了P型單晶電池>18.6%的轉換效率並將其推向商業(ye) 化生產(chan) 。當然，離子注入技術也可以被應用到IBC電池的製備中。同樣，通過掩膜可以形成選擇性的離子注入摻雜。離子注入後，需要進行一步高溫退火過程來將雜質激活並推進到矽片內(nei) 部，同時修複由於(yu) 高能離子注入所引起的矽片表麵晶格損傷(shang) 。博世和三星都成功將離子注入技術運用到IBC電池中，實現了22.1%和22.4%的轉換效率。當然，離子注入技術的量產(chan) 化導入，設備和運行成本是考量的關(guan) 鍵。

陷光與(yu) 表麵鈍化技術

對於(yu) 晶體(ti) 矽太陽電池，前表麵的光學特性和複合至關(guan) 重要。對於(yu) IBC高效電池而言，更好的光學損失分析和光學減反設計顯得尤其重要。McIntosh等人采用橢偏儀(yi) 、量子相應測試與(yu) 數值模擬相結合的方法，定量的確定了IBC電池的光學損失，包括前表麵發射、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)的光學損失分布圖

在電學方麵，和常規電池相比，IBC電池的性能受前表麵的影響更大，因為(wei) 大部分的光生載流子在入射麵產(chan) 生，而這些載流子需要從(cong) 前表麵流動到電池背麵直到接觸電極，因此，需要更好的表麵鈍化來減少載流子的複合。為(wei) 了降低載流子的複合，需要對電池表麵進行鈍化，表麵鈍化可以降低表麵態密度，通常有化學鈍化和場鈍化的方式。化學鈍化中應用較多的是氫鈍化，比如SiNx薄膜中的H鍵，在熱的作用下進入矽中，中和表麵的懸掛鍵，鈍化缺陷。場鈍化是利用薄膜中的固定正電荷或負電荷對少數載流子的屏蔽作用，比如帶正電的SiNx薄膜，會(hui) 吸引帶負電的電子到達界麵，在N型矽中，少數載流子是空穴，薄膜中的正電荷對空穴具有排斥作用，從(cong) 而阻止了空穴到達表麵而被複合。因此，帶正電的薄膜如SiNx較適合用於(yu) IBC電池的N型矽前表麵的鈍化。而對於(yu) 電池背表麵，由於(yu) 同時有P，N兩(liang) 種擴散，理想的鈍化膜則是能同時鈍化P,N兩(liang) 種擴散界麵，二氧化矽是一個(ge) 較理想的選擇。如果背麵Emitter/P+矽占的比例較大，帶負電的薄膜如AlOx也是一個(ge) 不錯的選擇。

金屬化接觸和柵線

IBC電池的柵線都在背麵，不需要考慮遮光，所以可以更加靈活地設計柵線，降低串聯電阻。但是，由於(yu) IBC電池的正表麵沒有金屬柵線的遮擋，電流密度較大，在背麵的接觸和柵線上的外部串聯電阻損失也較大。金屬接觸區的複合通常都較大，所以在一定範圍內(nei) (接觸電阻損失足夠小)接觸區的比例越小，複合就越少，從(cong) 而導致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的接觸孔區需要與(yu) 各自的擴散區對準，否則會(hui) 造成電池漏電失效。與(yu) 形成交替相間的擴散區的方法相同，可以通過絲(si) 網印刷刻蝕漿料、濕法刻蝕或者激光等方法來將接觸區的鈍化膜去除，形成接觸區。

另外，蒸鍍和電鍍也被應用於(yu) 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。由於(yu) 金屬漿料一般含有貴金屬銀，不但成本高，且銀的自然資源遠不如其他金屬豐(feng) 富，雖然目前還不至於(yu) 成為(wei) 太陽電池產(chan) 業(ye) 發展的瓶頸，但尋找更低廉、性能更優(you) 異的金屬化手段也是太陽電池的一大研究熱點。

IBC電池的核心技術之一是其背麵電極的設計，因為(wei) 它不僅(jin) 影響電池性能，還直接決(jue) 定了IBC組件的製作工藝。按照電極設計的不同，IBC電池包含三種主要類型。無主柵IBC電池。其特點是背麵隻印刷細柵線，無需印刷絕緣膠和主柵，相比主柵式IBC電池，製備工序簡單、成本較低。但該類型的IBC電池在製作組件時需要專(zhuan) 門的設備配套，且有較高的精度要求，導致組件端成本較高。四主柵IBC電池。其特點是可使用常規焊接的方法製作組件，精度要求低，無需專(zhuan) 門設備，適用性強。但在電池製備過程中需要印刷絕緣膠和主柵，電池工序相對複雜。點接式IBC電池。其特點是無需印刷絕緣膠，主細柵一次印刷，電池工序簡單;製作組件時，使用金屬箔進行電池片互聯，精度要求低於(yu) 無主柵式。

雖然IBC電池存在很多優(you) 點，但同時它也麵臨(lin) 很多挑戰：1)對基體(ti) 材料要求較高，需要較高的少子壽命。因為(wei) IBC電池屬於(yu) 背結電池，為(wei) 使光生載流子在到達背麵p-n結前盡可能少的或完全不被複合掉，就需要較高的少子擴散長度。2)IBC電池對前表麵的鈍化要求較高。如果前表麵複合較高，光生載流子在未到達背麵p-n結區之前，已被複合掉，將會(hui) 大幅降低電池轉換效率。3)工藝過程複雜。背麵指交叉狀的p區和n區在製作過程中，需要多次的掩膜和光刻技術，為(wei) 了防止漏電，p區和n區之間的gap區域也需非常精準，這無疑都增加了工藝難度。4)IBC複雜的工藝步驟使其製作成本遠高於(yu) 傳(chuan) 統晶體(ti) 矽電池。

HBC是方向?

采用IBC與(yu) HJ技術結合的HBC技術可以使電池效率進一步提升。在矽片表麵同時采用本征的非晶矽進行表麵鈍化，在背麵分別采用N型和P型的非晶矽薄膜形成異質結。其優(you) 點是利用非晶矽優(you) 越的表麵鈍化性能，並結合IBC結構沒有金屬遮擋的結構優(you) 點，采用相同的器件結構，在2017年已經得到26.6%的世界記錄效率。其Voc可以達到0.740V，Jsc達到42.5 mA/cm2，FF達84.6%。而對於(yu) 晶體(ti) 矽太陽電池，Jsc的理論極限是43mA/cm2。HBC電池結構如圖所示，與(yu) 傳(chuan) 統IBC電池不同的是，背麵的emitter和BSF區域為(wei) p+非晶矽和n+非晶矽層，在異質結接觸區域插入一層本征非晶矽鈍化層。IBC與(yu) 非晶矽鈍化技術的結合無疑是未來IBC電池效率提升的方向。

26.6%效率的HBC電池結構示意圖