XBC電池的技術(shù)布局進(jìn)展

摘 要：【目的】梳理XBC電池工藝和設(shè)備的主要技術(shù)環(huán)節(jié)，著重研究當(dāng)前光伏行業(yè)頭部企業(yè)的技術(shù)布局現(xiàn)狀?！痉椒ā拷y(tǒng)計(jì)XBC電池主要技術(shù)環(huán)節(jié)的專利文獻(xiàn)，以及國(guó)內(nèi)外重要申請(qǐng)人，分析了主要技術(shù)環(huán)節(jié)的演變路線和頭部企業(yè)的研發(fā)重點(diǎn)?！窘Y(jié)果】頭部企業(yè)基本采用多技術(shù)路線并行的研究策略，尋找工藝最優(yōu)解，同時(shí)為未來(lái)的市場(chǎng)產(chǎn)品迭代儲(chǔ)備技術(shù)力量。以隆基綠能、愛(ài)旭、Maxeon為首的頭部企業(yè)已率先開(kāi)啟XBC電池?cái)U(kuò)產(chǎn)?！窘Y(jié)論】簡(jiǎn)化工藝步驟、降低制造成本，是實(shí)現(xiàn)XBC電池產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素。

關(guān)鍵詞：光伏；技術(shù)；XBC

中圖分類號(hào)：TM914.4" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2024）13-0075-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.13.015

Technological Overview of XBC Photovoltaic Cell

XI Xiaoli

（LONGi Green Energy Technology Co.， Ltd.， Xi'an" 710100， China）

Abstract： [Purposes] The XBC technology process and equipment are analyzed， and the patent technology status of the leading enterprises in the photovoltaic industry is sorted out. [Methods] The main technical links of XBC photovoltaic cell patent literature， as well as important applicants at home and abroad are sorted out， and the evolution of the main technical links and the research focus of the head enterprises were analyzed. [Findings] The head enterprises basically adopt the research strategy of multiple technical routes in parallel to find the optimal solution of the process and reserve the technical force for the future market product iteration. Leading companies led by LONGi ， AIKO and Maxeon have taken the lead in opening XBC battery expansion. [Conclusions] Simplifying process steps and reducing manufacturing costs are key factors to realize the industrialization of XBC batteries.

Keywords： photovoltaic; technology; XBC

0 引言

全球光伏產(chǎn)業(yè)已由政策驅(qū)動(dòng)發(fā)展階段正式轉(zhuǎn)入“平價(jià)上網(wǎng)”階段，光伏發(fā)電已成為具有成本競(jìng)爭(zhēng)力、可靠性和可持續(xù)性的電力來(lái)源。光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由光伏組件、控制器、逆變器、蓄電池（儲(chǔ)能設(shè)備）及其他配件組成，其中光伏組件中最核心的部件是光伏電池。光伏電池的發(fā)展大約經(jīng)歷過(guò)三個(gè)階段，第一代光伏電池主要為晶硅光伏電池，已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用；第二代光伏電池主要為薄膜電池，包括碲化鎘、砷化鎵、銅銦鎵硒電池；第三代光伏電池為新型光伏電池，包括鈣鈦礦光伏電池，染料敏化光伏電池，有機(jī)光伏電池，量子點(diǎn)光伏電池等，目前發(fā)展仍處于試驗(yàn)階段［1-2］。電池片技術(shù)的關(guān)注點(diǎn)從最初量產(chǎn)的鋁背場(chǎng)電池到以P型單晶硅為襯底的鈍化發(fā)射極背接觸（Passivated Emitterand Rear Cell，PERC）電池再到N型的隧穿氧化層鈍化接觸（Tunnel Oxide Passivating Contacts， TOPCon）電池、異質(zhì)結(jié)（Heterojunction Technolog，HJT）電池、XBC電池（X Back Contact，各類背接觸電池，指當(dāng)前各類背接觸結(jié)構(gòu)晶硅太陽(yáng)能電池的泛稱）和晶硅-鈣鈦礦疊層電池［3-4］。

2023年起，光伏行業(yè)產(chǎn)能過(guò)剩的情況日漸嚴(yán)重，整個(gè)行業(yè)出現(xiàn)集體虧損狀態(tài)，頭部公司如何突破重圍、重新奪回市場(chǎng)份額，技術(shù)突破和布局顯得十分重要。頭部企業(yè)年投入數(shù)億的研發(fā)經(jīng)費(fèi)，不能僅為尋求技術(shù)突破，穿越行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)周期，更要看重把研發(fā)成果保護(hù)成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，防止技術(shù)泛濫性傳播。本研究將分析XBC主要技術(shù)環(huán)節(jié)和頭部公司的技術(shù)布局情況。

1 研究對(duì)象和方法

本研究主要針對(duì)目前理論效率最高的XBC 電池技術(shù)，結(jié)合工藝和設(shè)備進(jìn)行專利分析總結(jié)。采用的全球?qū)＠麛?shù)據(jù)來(lái)自Patsnap 數(shù)據(jù)庫(kù)。專利數(shù)據(jù)的申請(qǐng)日為 2013年1月1日至2024 年5月 30日。根據(jù)上述電池類型分別確定關(guān)鍵詞，并進(jìn)行檢索降噪，降噪方式包括：關(guān)鍵詞、分類號(hào)、人工篩選。

2 XBC電池

2.1 電池類型簡(jiǎn)介

背電極接觸電池技術(shù)（簡(jiǎn)稱BC電池技術(shù)），將PN結(jié)和金屬接觸挪到電池背面，使得正面沒(méi)有電極遮擋，電池吸收太陽(yáng)光照射的面積更大，從而提高了轉(zhuǎn)換效率，能發(fā)出更多的電量。因電池正面沒(méi)有柵線，不僅提高了正面美觀程度，還大大提高了電池片正面受光面積，進(jìn)而提高了電池效率［5］。BC電池的理論轉(zhuǎn)換效率極限為29.1%，高于TOPCon和HJT的28.7%和28.5%［6］。同時(shí)，BC電池技術(shù)是通用的平臺(tái)型技術(shù)，可與TOPCon、HJT、鈣鈦礦等技術(shù)有機(jī)結(jié)合，兼收其他技術(shù)優(yōu)點(diǎn)并進(jìn)一步提升轉(zhuǎn)換效率，統(tǒng)稱為 XBC 電池。 目前常見(jiàn)的有 HBC 電池（HJT+BC）、 TBC電池（TOPCon+BC）、HPBC 電池（PERC+TOPCon+BC）、ABC 電池（全鈍化）。

HPBC 是隆基綠能基于 P 型電池提出的背接觸電池結(jié)構(gòu)，主要涉及 PERC 和 TOPCon 技術(shù)， ABC 則是愛(ài)旭主推的 N 型背接觸電池結(jié)構(gòu)，疊加TOPCon 和 HJT 技術(shù)。XBC 電池生產(chǎn)工藝難點(diǎn)主要集中在背面圖形化、金屬化兩個(gè)方面。首先， P 區(qū)/N 區(qū)圖形化需要用到掩膜，使得 XBC 電池材料成本增加；其次， XBC 電池背面 P 區(qū)和 N 區(qū)交替分布，容易產(chǎn)生漏電現(xiàn)象，因此，對(duì) N、 P 之間的基區(qū)精度或者絕緣層的設(shè)計(jì)提出了很高要求；最后，背面金屬電極需要開(kāi)孔且對(duì)準(zhǔn)擴(kuò)散區(qū)，也對(duì)工藝難度和精度提出了較高的要求。

2.2 P區(qū)/N區(qū)圖形化

在 XBC 電池背面定域摻雜的時(shí)候，發(fā)射極寬度、背場(chǎng)寬和二者之間的間隙隔離層會(huì)對(duì)電池電性能造成較大影響。較寬的背場(chǎng)（BSF）會(huì)使得少數(shù)載流子從 BSF 區(qū)傳輸?shù)桨l(fā)射區(qū)的橫向平均距離增大，進(jìn)而提高了擴(kuò)散過(guò)程中的復(fù)合損失，因此，背場(chǎng)寬度應(yīng)盡量窄小。同時(shí)， P+區(qū)和 N+區(qū)之間的間隔區(qū)域盡可能窄，且表面具有良好的鈍化效果才可避免少數(shù)載流子的復(fù)合，太寬可能會(huì)導(dǎo)致背接觸電池的有效面積被浪費(fèi)，有效載流子難以被收集。

2.2.1 摻雜區(qū)域。XBC電池的核心工藝流程及難點(diǎn)主要在于，如何在電池背面制備出間隔排列的P區(qū)和N區(qū)。目前，產(chǎn)業(yè)推進(jìn)的常見(jiàn)定域摻雜方法主要是掩膜法，再結(jié)合光刻、絲網(wǎng)印刷刻蝕漿料、激光刻蝕或者離子注入等方法來(lái)形成定域摻雜的圖形。

通過(guò)光刻技術(shù)在掩膜上形成需要的圖形，隨后再進(jìn)行擴(kuò)散摻雜，該方法成本較高， 規(guī)模化生產(chǎn)不占優(yōu)勢(shì)。CN112133784A按照電池背面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在所述硅片 N+背場(chǎng)上沉積光刻膠掩膜層，以保證不被硼原子摻雜；將電池片正對(duì)正接觸放置在石英舟中，在三溴化硼、氧氣氣氛中對(duì)電池背面進(jìn)行擴(kuò)散，形成 P+發(fā)射極區(qū)；利用氫氟酸去除光刻膠層；之后在所 P+發(fā)射極區(qū)上沉積光刻膠掩膜層，以保護(hù) P+發(fā)射極區(qū)不被磷原子摻雜，在三氯氧磷氛圍下對(duì)電池進(jìn)行雙面擴(kuò)散，以形成前表面場(chǎng)及 N+背場(chǎng)。

印刷法通過(guò)絲網(wǎng)印刷刻蝕漿料或者阻擋型漿料來(lái)刻蝕或者遮擋住不需要刻蝕的部分掩膜，從而形成需要的圖形。這種方法在制作步驟中涉及多次掩膜、腐蝕，制程復(fù)雜，同時(shí)，絲網(wǎng)印刷本身也存在對(duì)準(zhǔn)精度不夠、多次印刷問(wèn)題等局限，從而給電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。較小的間隔間距和金屬接觸面積能帶來(lái)電池效率的提升，因此，絲網(wǎng)印刷需要在工藝重復(fù)可靠性和電池效率之間找到平衡。CN108649079A 利用使用絲網(wǎng)印刷含硼摻雜漿料進(jìn)行涂布， 并通過(guò) 970 ℃熱擴(kuò)散完成背面 P 型摻雜區(qū)域的制備。

激光可有效解決絲網(wǎng)印刷過(guò)程中的局限，無(wú)論是間接刻蝕掩膜，還是直接刻蝕，激光均能得到比絲網(wǎng)印刷更為精細(xì)的結(jié)構(gòu)，更細(xì)微的金屬接觸開(kāi)孔和更多樣的圖案設(shè)計(jì)。結(jié)合產(chǎn)業(yè)推進(jìn)和龍頭企業(yè) XBC 電池?cái)U(kuò)產(chǎn)中的選擇來(lái)看，目前，激光成為主要的選擇方法。

離子注入可精確地控制摻雜濃度， 還可通過(guò)掩膜可以形成選擇性的離子注入摻雜。同時(shí)，離子注入后，需要進(jìn)行高溫退火過(guò)程來(lái)將雜質(zhì)激活并推進(jìn)到硅片內(nèi)部，并且還需要修復(fù)離子注入造成的硅片表面晶格損傷。離子注入具有控制精度高、擴(kuò)散均勻性好等特點(diǎn)，但設(shè)備昂貴，易造成晶格損傷，在光伏行業(yè)中實(shí)際應(yīng)用較少。

2.2.2 絕緣區(qū)域。除開(kāi)摻雜區(qū)域，如何通過(guò)圖案設(shè)計(jì)或者絕緣材料沉積實(shí)現(xiàn)不同極性摻雜區(qū)的隔離也是XBC電池技術(shù)關(guān)心的重點(diǎn)問(wèn)題之一。CN108649079A發(fā)明通過(guò)設(shè)計(jì)摻雜區(qū)域結(jié)構(gòu)，采用“豐”字結(jié)構(gòu)并成指叉形排列，使得正電極和負(fù)電極在電池厚度方向上沒(méi)有重疊區(qū)域，避免了在空間上造成漏電流的可能。同時(shí)取消了正電極和負(fù)電極之間的絕緣體設(shè)計(jì)，可以減少工藝流程，減少空間復(fù)雜度。CN115588698A在HBC中利用本征非晶硅層和絕緣層同時(shí)作為鈍化和絕緣層，大大改善了鈍化和絕緣效果，從很大程度上降低了不同類型的導(dǎo)電半導(dǎo)體層之間漏電的概率，提升了光電轉(zhuǎn)換效率，提升了使用的可靠性。其中絕緣層材料為本征非晶硅、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅中的至少一種。

2.3 金屬化

XBC 電池的電極都在背面，由于不需要考慮遮光，因此可以更靈活地設(shè)計(jì)柵線，降低串聯(lián)電阻。但為了減少金屬接觸區(qū)域的復(fù)合， XBC 電池在金屬化前一般要打開(kāi)接觸孔/線，以此來(lái)減少金屬接觸區(qū)的復(fù)合。另外，為防止漏電，N 區(qū)和 P 區(qū)的金屬電極接觸孔需要與各自的擴(kuò)散區(qū)對(duì)準(zhǔn)。在打開(kāi)接觸孔/線的時(shí)候，通常采用激光開(kāi)槽、絲網(wǎng)印刷刻蝕漿料、濕法刻蝕等方法來(lái)將接觸區(qū)的鈍化膜去除，形成接觸區(qū)。在金屬電極的制作方法上，可以采用絲網(wǎng)印刷、激光轉(zhuǎn)印、電鍍等多種技術(shù)。

CN214313221U關(guān)于電池主柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，目的是降低 BC電池片串聯(lián)時(shí)的隱裂風(fēng)險(xiǎn)。技術(shù)方案為增加不進(jìn)行焊接邊緣主柵， 通過(guò)正電極匯流線和負(fù)電極匯流線將邊緣主柵的電流匯入同極的主柵當(dāng)中，避免焊接給電池硅片帶來(lái)的隱裂風(fēng)險(xiǎn)。 CN215184002U在硅片縱向端部設(shè)計(jì)避開(kāi)焊條的避讓口，進(jìn)而避免多片電池片在層壓后，由于焊條厚度不一致在留白區(qū)域造成隱裂碎片的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 激光技術(shù)

從專利申請(qǐng)內(nèi)容來(lái)看，在 XBC 電池制備過(guò)程中，激光技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，因此本小節(jié)將激光技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行單獨(dú)總結(jié)。激光具有快速、準(zhǔn)確、零接觸和良好的熱效應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，可以極大避免 XBC 電池制造過(guò)程中的損耗，從而提升光電轉(zhuǎn)換效率。激光在 XBC 電池中的應(yīng)用包括激光開(kāi)槽、激光刻蝕、激光熱氧化、激光摻雜及激光轉(zhuǎn)印。

2.4.1 激光開(kāi)槽。XBC電池工藝復(fù)雜，其中涉及多個(gè)環(huán)節(jié)的掩膜層開(kāi)孔和電極對(duì)應(yīng)區(qū)域鈍化層的打開(kāi)。XBC電池量產(chǎn)推廣的關(guān)鍵是減少生產(chǎn)步驟，減少機(jī)械接觸帶來(lái)的效率損傷，而激光開(kāi)槽的應(yīng)用可以達(dá)到這個(gè)效果。具體來(lái)看，激光開(kāi)槽工藝在XBC電池中的應(yīng)用場(chǎng)景包括：①在沉積掩膜層之后，使用激光打開(kāi)掩膜膜層，使得P+和N+之間的形成間隔區(qū)域；②XBC電池的電極均在背面，可以使用激光在電池背面P+和N+區(qū)域上方的減反射層形成開(kāi)孔，然后可以在開(kāi)孔處印刷形成對(duì)應(yīng)P和N的金屬電極。通過(guò)激光開(kāi)孔進(jìn)行電接觸的方式，可以使得XBC電池獲得較低的金屬接觸復(fù)合，進(jìn)而提高轉(zhuǎn)換效率。CN113284982B利用激光消融方式在P型摻雜多晶硅及N型摻雜多晶硅對(duì)應(yīng)印刷柵線位置形成凹槽，使得銀漿在低溫?zé)Y(jié)即可形成柵線的良好歐姆接觸，避免了高溫?zé)Y(jié)漿料對(duì)P型/N型摻雜多晶硅具有破壞性，而導(dǎo)致柵線區(qū)域金屬誘導(dǎo)復(fù)合隨溫度升高而降低電池效率的問(wèn)題。同時(shí)，也避免高溫?zé)Y(jié)漿料對(duì)隧穿氧化層產(chǎn)生破壞，確保電池的鈍化效果。

2.4.2 激光輻照。CN113921626A提出了在制備 XBC 電池過(guò)程中，通過(guò)兩步激光氧化工藝來(lái)分別形成 P+和 N+特定摻雜區(qū)域的氧化物掩膜層。具體方法來(lái)看，在含氧氣氛環(huán)境下，通用激光直接對(duì) P+和 N+的特定區(qū)域進(jìn)行激光輻照，從而在激光掃過(guò)的區(qū)域形成氧化物掩膜層。激光輻照的方法使得氧化物掩膜層的形成精度高，相較于外加熱氧化或者 PECVD 形成的掩膜層，激光輻照過(guò)程的熱量小，減小對(duì) P+和 N+摻雜區(qū)域損傷。

2.4.3 激光摻雜。對(duì) XBC 電池背面硼摻雜和磷摻雜。 CN114023830A其在 TBC 電池的制作中，在對(duì)電池背面 P+和 N+區(qū)域摻雜的時(shí)候， P+區(qū)域硼摻雜的時(shí)候，先采用印刷、噴涂或 CVD 方法在背面沉積一層 P 型摻雜源，之后使用激光對(duì) P+區(qū)進(jìn)行直接硼摻雜。 CN110534618B以硼酸和磷酸作為原料，利用激光擴(kuò)散制備摻硼的發(fā)射極和摻磷的局域背場(chǎng)， 省去了光刻做掩膜的工藝，降低了 XBC 高效電池的制作成本，同時(shí)降低了生產(chǎn)工藝周期。

3 光伏頭部企業(yè)的布局情況

隆基綠能關(guān)于不同電池類型的技術(shù)布局中，呈現(xiàn)出多路并行的趨勢(shì)。該公司秉持寬研窄出的原則，投入研發(fā)精力和財(cái)力龐大，研究多種電池技術(shù)路線。XBC 電池相關(guān)專利占公司總專利量的 14%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他公司 XBC 電池相關(guān)專利的占比，反映了該公司選擇的 XBC 電池研發(fā)路線。HJT 電池和疊層電池相關(guān)專利占比分別為 15%和 40%，說(shuō)明 HJT 電池和疊層技術(shù)也是公司技術(shù)布局重點(diǎn)。

晶科能源從 2019年開(kāi)始布局TOPCon 電池，率先建立900 MW 產(chǎn)線。對(duì)于 TOPCon 電池相關(guān)的專利占到總量的 55%，為主要的專利申請(qǐng)布局的重點(diǎn)。由于 PERC 電池在 TOPCon 電池出現(xiàn)之前一直占據(jù)較大的市場(chǎng)份額，因此專利數(shù)量上也占有 39%的份額。對(duì)于 XBC 電池和疊層電池只占專利申請(qǐng)的一小部分。

通威光伏自 2020 年開(kāi)始，大量投入資金、人力、時(shí)間成本進(jìn)行 TOPCon 電池研發(fā)工作。除此之外， 還建立了XBC 電池試驗(yàn)線，首片 XBC 電池已于 2022 年 7 月正式下線，目前正在進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)線。同時(shí)，鈣鈦礦實(shí)驗(yàn)室也已經(jīng)搭建完成。 因此有少部分專利與 XBC 電池和疊層電池相關(guān)。

阿特斯在高效單晶 PERC 技術(shù)中具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。除 PERC 電池外， 阿特斯還在 TOPCon 技術(shù)進(jìn)行布局，同步布局 N 型 HJT 技術(shù)，技術(shù)參數(shù)各方面也處于行業(yè)領(lǐng)先地位。疊層技術(shù)和 XBC 技術(shù)在該公司申請(qǐng)專利總數(shù)中占比很少，反映出此技術(shù)并非研發(fā)重點(diǎn)。

綜合專利申請(qǐng)情況來(lái)看，雖然BC電池技術(shù)與其他電池層結(jié)構(gòu)兼容性好，且理論轉(zhuǎn)換效率高，但是因?yàn)榧庸きh(huán)節(jié)較多，技術(shù)集成度高，因此一部分頭部公司并沒(méi)有把此類電池作為研發(fā)戰(zhàn)略技術(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

XBC電池技術(shù)百花齊放，基本是圍繞硅片基底和 PN 結(jié)增加鈍化層、減反射層、電極等功能層，提高電池轉(zhuǎn)換效率。頭部企業(yè)技術(shù)布局各有側(cè)重，同時(shí)采用多路線并行策略，尋找工藝最優(yōu)解。隆基綠能、愛(ài)旭股份、Maxeon率先開(kāi)啟XBC電池，強(qiáng)勢(shì)推進(jìn)擴(kuò)產(chǎn)規(guī)模。簡(jiǎn)化工藝步驟、降低制造成本，是實(shí)現(xiàn)XBC電池產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素。需開(kāi)發(fā)配套工藝和設(shè)備升級(jí)改造，以最小代價(jià)實(shí)現(xiàn)與目前規(guī)模化產(chǎn)線兼容的XBC工藝路線。

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