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盐城阿特斯阳光能源科技有限公司

04

成就客户  创新思变  百折不挠   追求卓越

卷首语

文化理念

Contents

目录

一

晶硅太阳能电池基础

二

TOPCon电池制备流程

1

发展历程

2

TOPCon机理解读

2024光伏技术学习课程 (第四期)

三

PE-Poly

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第4期

一、晶硅太阳能电池基础

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第4期

晶硅材料的禁带宽度为1.12ev，室温下能够吸收的光子能量占比约49%，同时由于禁带电势差与电池开路电压的差异，能够有效输出的电能占比约60%，因此，常温下硅基光伏单结电池的效率极限约为29.4%。

不同半导体材料光伏电池的理论转换效率

钙钛矿材料的带隙宽度区间正好包含了最佳带隙宽度，碲化镉等薄膜电池材料的禁带宽度相较硅材料也更接近最佳带隙宽度，因此第二代、第三代电池技术相比第一代晶硅电池具有更高的理论极限效率。

光伏电池的工作原理是半导体的光生伏特效应，由法国科学家Edmont Becquerel于1839年首次发现。

在光照条件下，能量大于半导体禁带宽度的光子被半导体吸收，激发半导体价带内被束缚的电子穿过禁带到达导带成为自由电子，在价带内留下空穴，形成电子-空穴对（自由电子和自由空穴统称为载流子），在由P型和N型半导体构成的内建电场作用下，电子和空穴按照特定方向移动，从而产生电流。

发电原理

半导体的禁带宽度

由于半导体材料的禁带宽度从相反方向决定电池的短路电流和开路电压（短路电流随禁带宽度减小而增大，开路电压随禁带宽度减小而降低），因此研究认为适用于制作光伏电池的半导体材料应在禁带宽度1.1-1.6ev范围内，由此形成了晶硅太阳能电池、无机薄膜太阳能电池和以钙钛矿为代表的新型太阳能电池三代技术路线。

当前全球光伏市场以技术更成熟的晶硅电池占据主导地位，据CPIA统计，2021年全球晶硅电池市占率约96.2%。

将不同半导体材料叠加制作叠层电池，可以扩大光子能量的吸收范围，使电池的理论极限效率进一步提升至40%以上，是光伏电池技术未来重要的发展方向。

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第4期

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第4期

从最早实现商业化的铝背场电池（Al-BSF）到推动光伏平价上网的单晶PERC电池，提效思路主要在于优化钝化结构和电极接触方式，降低复合损失与欧姆损失。进入N型电池时代，TOPCon和HJT电池不约而同地选取了“钝化接触”技术进一步降低电学复合损失；BC电池则另辟蹊径，通过将前表面的电极移到背面，降低栅线遮挡，从而减少光学损失，而其作为一种平台型技术，还能够结合TOPCon和HJT的优势，形成效率更高的XBC电池路线。展望未来，钙钛矿等新型材料的研究突破，不仅有望带动新一代太阳电池的发展，也使晶硅电池能够与新材料相结合，向具有更高极限效率的叠层电池方向进行探索突破。

光伏电池技术发展前景

尽管晶硅电池的理论极限效率有29.4%，但由于现实中能量损失的存在，目前光伏电池达到的实验室最高效率约26.8%，量产最高效率约26%左右，距离极限效率仍有一定的提升空间。

具体而言，能量损失包括光学损失和电学损失两类：光学损失是指由于光子能量不能被硅基体吸收而造成的损失，发生原因包括表面反射、长波投射或电极栅线遮挡等；电学损失又可分为复合损失和欧姆损失（电阻损失），前者是指由于电子和空穴在形成电流前发生了相互复合，使得电流降低而造成的损失，后者是指在电流传输过程中因电阻存在而造成的损失。光伏电池技术发展的核心正在于通过电池结构和材料的优化，使光学损失和电学损失降到最低。

光伏电池的效率损失类型及升级思路

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二、光伏电池结构与提效思路

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钝化作用的原理包括场效应钝化和化学钝化两种。

场效应钝化：在界面处产生一个电场，以同级相斥效应阻止类似极性的载流子靠近从而减少复合。

化学钝化：通过释放游离氢，使晶硅基体内晶格缺陷处的悬空键被饱和从而弱化复合效应。

对于P型硅片表面而言，氧化铝是最佳的钝化材料。一方面，氧化铝薄膜本身带负电荷，恰好可在氧化铝与硅晶表面交接处产生高效的场钝化效果；另一方

钝化原理

铝背场电池 VS PERC电池

 

铝背场电池（Aluminium Back Surface Field，Al-BSF）是最早实现产业化的晶硅电池结构，于1973年被首次提出，2016年时市占率超过90%。

1、从BSF到单晶PERC

晶硅电池的主要结构包括PN结、钝化膜及金属化电极等：PN结是光伏电池的心脏，由带负电荷的P型区域和带正电荷的N型区域组成，二者形成的内建电场使电子与空穴定向移动而产生电流；钝化膜的作用在于减少硅片表面的复合损失；金属电极栅线用于汇集电流并向外传导。以PERC电池为例，在P型硅片基底上进行磷掺杂可以形成N型发射区，其与硅片共同构成PN结；电池背面沉积氧化铝与氮化硅膜，共同起到钝化与减少反射的作用；前表面的正银电极与背面的铝背场及背银电极共同构成电池的金属化结构。此外，电池前表面形成的“倒金字塔”陷光结构以及氮化硅膜，都是为了起到减少表面反射的作用。

合损失，使得效率始终无法突破20%的瓶颈。

PERC（Passivated Emitter and Rear Contact）中文全称钝化发射极和背面接触电池。最早于1989年由澳大利亚新南威尔士大学Martin Green所领导的研究小组提出。起初电池结构采用氧化硅作为钝化膜和减反层，导致技术复杂且成本较高，直到2010年前后，氧化铝（Al2O3）被用作钝化界面层，才使PERC电池正式走向产业化进程。

与BSF电池相比，PERC电池的改进主要体现在两方面：一是增加背面氧化铝层作为钝化结构，二是将铝背场与硅片的接触方式由面接触改为线接触（LBSF）。

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随着PERC电池技术的效率提升及量产工艺的逐步成熟，PERC电池市占率从2017年开始大约以每年20%左右的速度提升，直到2019年实现对BSF电池的反超，2021年市占率达到91%左右。

单晶PERC时代

在接触方式方面，金属电极与硅片接触会导致接触界面产生大量的少子复合，对转化效率产生负面影响。PERC电池将铝背场与硅基体的面接触改为线接触，通过缩小接触面积来降低复合损失。

在电池的前表面，PERC电池还进一步采用选择性发射极（Selcvtive Emitter，SE）技术以降低电阻及复合损失。

金属接触

在同时期，光伏电池还经历了单晶与多晶的硅片材料之争。

与多晶硅片相比，单晶硅片具有完整的晶格排列，内部缺陷和杂质更少，在电学性能、转换效率等方面都更具优势。

单晶与多晶之争

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P、N型硅片的性能差异主要是由于，金属杂质Fe、Cu、Ni等一般带正电荷，对电子的捕获能力更强，P型硅片中少子为电子，N型硅片中少子为空穴，因此P型硅片相对N型硅片的抗污特性更弱，在相同杂质金属的情况下，N型硅片的少子寿命明显高于P型硅片（研究表明相同电阻率的N型硅片的少子寿命比P型硅片高出1-2个数量级）；材料的少子寿命越高，光电转换效率越高，因此N型硅片具有更高的转换效率。

P、N型硅片差异原因

硅片类型

2、从P型硅片到N型硅片

在硅片中掺入杂质可以制成P型硅片或N型硅片，二者主要的区别在于掺杂的元素不同：P型硅片中主要掺入硼或镓，少子为电子；N型硅片中主要掺入磷，少子为空穴。

与P型硅片相比，以N型硅片为基底的太阳电池在性能方面有诸多优势，包括更高的少子寿命和杂质容忍度、无光致衰减现象、更低的温度系数等。

磷原子的电子云更加活跃，磷原子更容易与晶格中的硅原子形成共价键，从而使得电子更加容易从杂质离子中脱离出来，成为自由电子。

相反，P型硅片中的硼原子电子云不够活跃，与硅原子形成共价键的难度更大，因此，空穴从杂质原子中脱离出来的困难更大，这也就使得P型硅片上的电子，其热运动速度比N型硅片上的电子慢。

在制造过程中，N型硅片对一些耗材，如热场、石英坩埚等要求更高。这有助于减少硅片中的杂质，从而增强了少子寿命。

硅片是光伏电池的重要组成部分，它们对光电转换效率和低光性能起着关键作用。N型和P型两种硅片，它们的少子寿命有所差异。其中，N型硅片的少子寿命长于P型硅片。为何会出现这种情况呢？

N型硅片中的多数载流子是电子，而P型硅片中的多数载流子是空穴。电子的质量比空穴小，使得电子在硅晶格中的传播速度比空穴快。这就意味着在同一温度下，N型硅片中电子的热运动速度要比P型硅片中的空穴快。

• 高少子寿命

▪ 高杂质容忍度

▪ 无光致衰减现象

▪ 低温度系数

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HJT（Heterojunction with Intrinsic Thinfilm）中文全称本征薄膜异质结电池，最早是由日本三洋公司于20世纪80年代后期提出，并于1991年以HIT商标申请专利；2011年专利到期后，国内外厂商才逐步开始研究及量产。2021年，隆基公司根据理论模型测算HJT电池的极限效率为28.5%，与单面钝化接触结构的TOPCon电池相比具有效率优势。

HJT电池

TOPCon电池实验室效率

3、N型电池技术：TOPCon与HJT

TOPCon（Tunnel Oxide Passivated Contact）中文全称隧穿氧化层钝化接触技术，最早于2013年第28届欧洲PVSEC大会上由德国太阳能研究所Fraunhofer提出，并于2017年在4cm2的电池片上取得25.8%的实验室效率记录。

根据Jan Schmidt等人2018年建立的理论模型，TOPCon电池的理论极限效率可达28.7%。

TOPCon电池的最大特征在于采用隧穿氧化硅层+掺杂多晶硅层的钝化接触技术。所谓钝化接触是指，采用超薄介质薄膜将金属电极与半导体隔离，在钝化硅片表面的同时实现载流子隧穿，从而有效降低因金属电极与硅片直接接触造成的复合损失，同时起到“钝化”与“接触”的效果。在TOPCon电池的钝化接触结构中，氧化硅层（SiO2）主要起钝化和隧穿作用；掺杂多晶硅层（poly-Si）一方面可以与N型硅片基底形成N+/N的高低结结构，减少硅基体界面处的复合损失，另一方面也可以为载流子提供良好的传导性能。

目前已量产的TOPCon电池仅在背面采取了钝化接触结构，前表面仍然沿用了PERC电池氧化铝+氮化硅的钝化结构，造成一定程度的效率损失。

事实上，TOPCon电池要实现28.7%的理论极限效率需要完成双面钝化接触结构，仅背面采用钝化接触结构的理论极限效率值约为27.1%。

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经典IBC电池以N型硅片为基底，在前表面进行磷掺杂形成N+/N前场区（FSF），降低表面复合损失；背面分别通过磷掺杂和硼掺杂形成叉指状排列的P+发射极和N+背场（BSF），其中，P+发射极与硅片基底共同构成PN结，N+背场与硅片基底共同构成N+/N高低结；接着在前后表面均采用氧化硅与氮化硅叠层膜作为钝化层；最后对准电池背面的P+及N+区域分别制备正负电极。

经典IBC电池

目前国内厂商取得的HJT最高实验室效率记录来自隆基绿能，其于2022年11月研发的微晶技术HJT电池转换效率达到26.81%，打破了迈为股份与sundrive于2022年9月联合开发的M6尺寸无种子层电镀HJT电池26.41%的效率记录，也创下了全球晶硅电池最高的实验室效率记录。此外，国内头部厂商通威股份、阿特斯、晶澳科技、天合光能等均有HJT技术储备，东方日升、华晟新能源、爱康科技等更是大举押注HJT电池路线。

HJT最高实验室效率

由于IBC电池采取了与TOPCon、HJT等完全不同的提效思路，不仅能够发挥自身的优势，还能与其他电池技术进行兼容，也被称作BC电池或XBC电池；理论上，BC结构可将电池的转换效率提升0.6-0.7%，因此作为一种具备高成长潜力的平台型技术，有望成为下一代主流技术路线。

TBC与HBC

IBC（Interdigitated Back Contact）中文全称叉指状背接触电池，最早由Schwartz和Lammert于1975年提出，其最大特点在于将原本分布在电池前表面和背面的金属电极全部呈叉指状间隔排列在电池背面，相应地，与电极相接触的PN结的P型区、高低结的N+区域也随之一起移动到电池背面并呈叉指状排布。

平台型技术：XBC电池

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美国公司Sunpower是IBC电池的领军者和开拓者，其在2015年推出的第三代IBC电池已经可以实现25%的量产效率，相较同时期主流的PERC电池领先2-3个百分点，较TOPCon、HJT等N型电池技术也高出1个百分点左右。目前BC电池实验室效率最高记录为日本公司Kaneka于2017年采用HBC路线取得的26.7%。

国内厂商方面，隆基绿能及爱旭股份均已实现量产，隆基绿能HPBC产品量产效率可达25.3%，爱旭股份ABC产品（路线暂未公开）量产效率可达26.5%。

除了在效率方面的优势，BC电池由于正面完全没有栅线遮挡，外形更加美观，若将电池边框也改为黑色材料，可得到全黑组件产品。但是，背面栅线的结构也一定程度上使BC电池牺牲了部分的双面性，无法达到与双面电池同等的吸收地面反射光并增加发电量的效果。

文稿编辑：工艺技术部  徐浩

BC电池实验室效率

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