N型ABC：單結(jié)晶硅技術(shù)變革引領(lǐng)者
光伏產(chǎn)業(yè)網(wǎng)訊
發(fā)布日期：2024-08-28
核心提示：
日前，華能集團(tuán)發(fā)布2024年光伏組件（第二批）框架協(xié)議采購招標(biāo)，其中標(biāo)段3為1GW的BC組件。這是五大六小能源集團(tuán)首次單獨(dú)為BC組件開辟標(biāo)段，標(biāo)志著國內(nèi)集中式光伏市場向BC技術(shù)敞開大門。
日前，華能集團(tuán)發(fā)布2024年光伏組件（第二批）框架協(xié)議采購招標(biāo)，其中標(biāo)段3為1GW的BC組件。這是五大六小能源集團(tuán)首次單獨(dú)為BC組件開辟標(biāo)段，標(biāo)志著國內(nèi)集中式光伏市場向BC技術(shù)敞開大門。
常被認(rèn)為“小眾”“只適合做分布式”的BC組件得以打入集中式市場，離不開自身技術(shù)與產(chǎn)品的日臻成熟：BC技術(shù)已從實(shí)驗(yàn)室里的“奢侈品”成為量產(chǎn)效率的冠軍。曾經(jīng)引領(lǐng)過光伏行業(yè)時代變革的愛旭、隆基，已先后轉(zhuǎn)向BC技術(shù)路線；目前占據(jù)大塊光伏市場份額的TOPCon頭部廠商，無一不在進(jìn)行BC技術(shù)儲備與追趕。憑借受光面積更大的電池結(jié)構(gòu)設(shè)計、更加徹底的鈍化工藝、行業(yè)領(lǐng)先的量產(chǎn)效率，愛旭N型ABC技術(shù)儼然已成為單結(jié)晶硅技術(shù)變革的引領(lǐng)者。
單結(jié)晶硅電池技術(shù)路線繁多，但都遵循一個共通的原理：太陽光激發(fā)半導(dǎo)體電池內(nèi)的PN結(jié)產(chǎn)生光電效應(yīng)，電極收集載流子形成電流發(fā)電。其中，PERC、TOPCon、HJT等電池的正負(fù)金屬電極分別位于電池的正面和背面，而位于正面的電極存在金屬遮擋，約5%的太陽光不能充分被電池吸收和利用。金屬遮擋的存在，直接限制了上述技術(shù)路線的轉(zhuǎn)換效率空間。
為了消除這種結(jié)構(gòu)上的缺陷，盡可能多地利用每一縷陽光，BC電池應(yīng)運(yùn)而生。正如ABC（All Back Contact）技術(shù)的字面描述，ABC電池的p區(qū)和n區(qū)均設(shè)置在電池背面，正面無需設(shè)置發(fā)射極或表面場，電池正面金屬柵線遮擋損失降到0%，從而實(shí)現(xiàn)全面積受光和全硅發(fā)電，使得BC電池相較傳統(tǒng)的前后表面都有柵線的電池的轉(zhuǎn)換效率顯著提升。
說起來簡單，把全部金屬接觸都轉(zhuǎn)移至電池背面的操作并不容易。BC電池正、負(fù)電極均位于背面，需要在密集的電極排布中將正、負(fù)電極區(qū)隔開來，避免漏電；將金屬接觸全部置于背面后，背面圖形化難度陡升，傳統(tǒng)的掩膜光刻工序復(fù)雜、成本高、良率低，無法適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)……電池結(jié)構(gòu)的變化，既開辟了效率提升的空間，也提高了電池研發(fā)及生產(chǎn)制造的門檻，這也是為何長期以來BC技術(shù)未能實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)，一度被視作單結(jié)晶硅電池“待摘的明珠”。
最為接近單結(jié)晶硅極限轉(zhuǎn)換效率的路線，注定了只有追求極限才能突破工藝技術(shù)難關(guān)。最終在 BC技術(shù)中首先實(shí)現(xiàn)GW級量產(chǎn)的N型ABC，幾乎集成了各種工藝的極致：背面PN區(qū)高低差隔離設(shè)計，消除PN區(qū)直接接觸帶來的漏電影響；高質(zhì)量復(fù)合介質(zhì)薄膜鈍化，最大程度減少載流子的復(fù)合損失；超快激光圖形化技術(shù)，通過飛秒、皮秒、亞皮秒超快激光一步法完成加工，實(shí)現(xiàn)了低成本、高產(chǎn)能和高良率的規(guī)模量產(chǎn)……
由此可見，類似“BC只是改變了電池結(jié)構(gòu)，算不上一代新技術(shù)”的論調(diào)，只是放大了BC作為一種平臺技術(shù)可以與TOPCon、HJT等疊加的特點(diǎn)，并選擇性無視了N型ABC在工藝技術(shù)方面的創(chuàng)新與突破；而正是這種創(chuàng)新與突破，讓看似簡單卻門檻極高的電池結(jié)構(gòu)設(shè)計從理論成為現(xiàn)實(shí)。
某國內(nèi)光伏企業(yè)負(fù)責(zé)人曾表示，主流光伏電池技術(shù)的迭代核心就是鈍化技術(shù)。而N型ABC便是目前最徹底地實(shí)現(xiàn)雙面鈍化的光伏電池技術(shù)路線，在光伏技術(shù)追求穩(wěn)定鈍化技術(shù)的道路上保持領(lǐng)先。
光伏電池對于鈍化的重視，基于光電轉(zhuǎn)換這一過程存在多種轉(zhuǎn)換效率損失。能量太過大于或小于光伏電池吸收層禁帶寬度的光子無法有效利用；光伏電池的電流來源于光生載流子（電子、空穴）的分離和收集，但電池材料的缺陷、雜質(zhì)會形成復(fù)合中心，促使電子與空穴以各種形式復(fù)合，能夠收集利用的電流會相應(yīng)減少。吸收層禁帶寬度由材料性質(zhì)決定，改良手段有限；通過鈍化等工藝減少材料中的復(fù)合中心，剝奪電子-空穴復(fù)合的機(jī)會，從而降低載流子復(fù)合造成的電流損失、提升光電轉(zhuǎn)換效率，成為光伏技術(shù)革新歷程的“主旋律”。
而根據(jù)鈍化技術(shù)的應(yīng)用情況，光伏電池的技術(shù)演變可以分為三個階段，即：未鈍化發(fā)射極、鈍化發(fā)射極、鈍化接觸。
第一階段的代表技術(shù)鋁背場（Al-BSF）電池，其背面鋁電極與硅襯底整面接觸，金屬鋁與硅基體在界面處會產(chǎn)生大量復(fù)合，嚴(yán)重影響載流子的收集。PERC電池的出現(xiàn)，將光伏電池技術(shù)帶入第二階段。PERC電池在電池背表面沉積Al2O3/SiNx疊層鈍化膜，對硅片進(jìn)行場效應(yīng)鈍化與化學(xué)鈍化，顯著減少了背面大多數(shù)區(qū)域的復(fù)合，提高了電池開路電壓和長波光譜響應(yīng)，提升了電池效率，也由此開啟了PERC為代表的P型電池時代。
PERC電池使用的是P型單晶硅片，隨著制備工藝上的制約被逐漸突破，N型單晶硅片憑借更高的少子壽命、更高的金屬污染容忍度以及不受硼氧復(fù)合對相關(guān)的光致衰減（LID）影響等特性，逐漸代替P型硅片成為行業(yè)“新寵”，并催生了單面N型TOPCon技術(shù)。
除了由P轉(zhuǎn)N，TOPCon技術(shù)還在電池背面引入了具備第三階段特征的鈍化接觸結(jié)構(gòu)，使金屬電極與硅襯底分離，降低了背表面與金屬材料間的復(fù)合，實(shí)現(xiàn)了效率的提升；然而，其電池正面仍沿用第二階段的擴(kuò)散發(fā)射極，發(fā)射極與硅基體之間產(chǎn)生的復(fù)合仍舊難以消除，這也使得TOPCon技術(shù)止步于“2.5階段”。
為了邁入真正應(yīng)用全鈍化接觸技術(shù)的第三階段，光伏行業(yè)又誕生了以正背面非晶硅鈍化的異質(zhì)結(jié)（HJT）技術(shù)、將異質(zhì)結(jié)與BC結(jié)合的HBC技術(shù)、將TOPCon與BC結(jié)合的TBC技術(shù)等。BC結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，為電池表面鈍化工藝提供了新的選擇，然而，非晶硅的寄生吸收效應(yīng)會減少電池對入射光的有效吸收，限制了HJT與HBC的理論效率；TBC的多項(xiàng)量產(chǎn)工藝則有待進(jìn)一步優(yōu)化……
經(jīng)過多年持續(xù)的研發(fā)攻關(guān)與工藝突破，N型ABC通過集成多種鈍化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了硅基體全鈍化與全背鈍化接觸，并憑借正面無遮擋的天然優(yōu)勢，在正面沉積高質(zhì)量多層復(fù)合介質(zhì)薄膜，將表面復(fù)合降至最低；獨(dú)創(chuàng)的金屬化涂布技術(shù)，同步解決了高溫漿料帶來的接觸不良與界面復(fù)合高的問題。
由于以多種手段降低了復(fù)合帶來的效率損失，N型ABC電池的效率極限相較目前只實(shí)現(xiàn)了單極鈍化接觸的TOPCon要高出1.2到2個百分點(diǎn)。N型ABC憑借更徹底的鈍化技術(shù)，成為光伏電池技術(shù)變革的標(biāo)桿。
梳理上述工藝技術(shù)演變路徑可以發(fā)現(xiàn)，光伏行業(yè)對技術(shù)升級的需求，本質(zhì)上是對更高轉(zhuǎn)換效率的追求。為什么效率如此重要？
假設(shè)人類社會可以生產(chǎn)無限多的光伏組件來接收太陽能，即便組件轉(zhuǎn)化效率很低，終究可以靠足夠多的光伏組件來滿足電力需求。但現(xiàn)實(shí)情況是，可以安裝光伏組件的土地、屋頂、陽臺面積都有限度，電池、組件生產(chǎn)也需要消耗資源……
如何在有限的資源條件下，盡可能多地接收太陽能、盡可能多地將接收的太陽能轉(zhuǎn)換為電能，提高資源利用效率、推動可持續(xù)發(fā)展，這既是光伏發(fā)電技術(shù)的“第一性原理”，也是光伏發(fā)電行業(yè)的“底色”與“初心”。
正是憑著對更高效率的追求，有的企業(yè)在多晶硅占據(jù)絕對市場優(yōu)勢的情況下，堅(jiān)決轉(zhuǎn)向了制備難度更大但轉(zhuǎn)換效率更高的單晶硅；有的企業(yè)在自身引領(lǐng)P型電池時代的同時，義無反顧地投入代表更高轉(zhuǎn)換效率的N型電池與組件的研發(fā)創(chuàng)新。無論是多晶硅還是P型電池，一度都曾是光伏市場的絕對“主流”，但在技術(shù)變革到來之際，曾經(jīng)的“主流”光環(huán)在更高轉(zhuǎn)換效率的路徑面前總是黯然失色、快速退出。
追求更高光伏轉(zhuǎn)換效率，不僅是光伏技術(shù)內(nèi)在的邏輯，更是光伏市場一次又一次的堅(jiān)定選擇。而縱覽能夠走出實(shí)驗(yàn)室、接受市場檢驗(yàn)的各類光伏技術(shù)，N型ABC組件至今已連續(xù)18個月保持組件量產(chǎn)效率第一，組件量產(chǎn)效率達(dá)到24.2%，是單結(jié)晶硅時代當(dāng)之無愧的“效率之王”。
光伏電池走過70年發(fā)展歷程，“光”海沉浮中一個又一個新技術(shù)高高躍起又沒入天際，你方唱罷我登臺，沒有人敢停下創(chuàng)新的腳步，各家光伏企業(yè)競相追逐的結(jié)果，是無法阻擋的光伏技術(shù)升級迭代，是光伏電池轉(zhuǎn)換效率的不斷攀升。擁抱進(jìn)步、持續(xù)逼近太陽能利用的極限，既是整個光伏行業(yè)的使命，更是實(shí)現(xiàn)清潔能源轉(zhuǎn)型、推動人類社會可持續(xù)發(fā)展的必然追求。
或許有一天，會有更高效的太陽能利用形式突破理論極限、取代單結(jié)晶硅，而真正的技術(shù)引領(lǐng)者，絕不甘于伏在昔日的“王冠”上為過往功績感慨流連，只會堅(jiān)定地面朝向代表更高效率的未來，“踏平坎坷成大道，斗罷艱險又出發(fā)”。
常被認(rèn)為“小眾”“只適合做分布式”的BC組件得以打入集中式市場，離不開自身技術(shù)與產(chǎn)品的日臻成熟：BC技術(shù)已從實(shí)驗(yàn)室里的“奢侈品”成為量產(chǎn)效率的冠軍。曾經(jīng)引領(lǐng)過光伏行業(yè)時代變革的愛旭、隆基，已先后轉(zhuǎn)向BC技術(shù)路線；目前占據(jù)大塊光伏市場份額的TOPCon頭部廠商，無一不在進(jìn)行BC技術(shù)儲備與追趕。憑借受光面積更大的電池結(jié)構(gòu)設(shè)計、更加徹底的鈍化工藝、行業(yè)領(lǐng)先的量產(chǎn)效率，愛旭N型ABC技術(shù)儼然已成為單結(jié)晶硅技術(shù)變革的引領(lǐng)者。
“ABC”——追求極致的決心
單結(jié)晶硅電池技術(shù)路線繁多，但都遵循一個共通的原理：太陽光激發(fā)半導(dǎo)體電池內(nèi)的PN結(jié)產(chǎn)生光電效應(yīng)，電極收集載流子形成電流發(fā)電。其中，PERC、TOPCon、HJT等電池的正負(fù)金屬電極分別位于電池的正面和背面，而位于正面的電極存在金屬遮擋，約5%的太陽光不能充分被電池吸收和利用。金屬遮擋的存在，直接限制了上述技術(shù)路線的轉(zhuǎn)換效率空間。
為了消除這種結(jié)構(gòu)上的缺陷，盡可能多地利用每一縷陽光，BC電池應(yīng)運(yùn)而生。正如ABC（All Back Contact）技術(shù)的字面描述，ABC電池的p區(qū)和n區(qū)均設(shè)置在電池背面，正面無需設(shè)置發(fā)射極或表面場，電池正面金屬柵線遮擋損失降到0%，從而實(shí)現(xiàn)全面積受光和全硅發(fā)電，使得BC電池相較傳統(tǒng)的前后表面都有柵線的電池的轉(zhuǎn)換效率顯著提升。
說起來簡單，把全部金屬接觸都轉(zhuǎn)移至電池背面的操作并不容易。BC電池正、負(fù)電極均位于背面，需要在密集的電極排布中將正、負(fù)電極區(qū)隔開來，避免漏電；將金屬接觸全部置于背面后，背面圖形化難度陡升，傳統(tǒng)的掩膜光刻工序復(fù)雜、成本高、良率低，無法適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)……電池結(jié)構(gòu)的變化，既開辟了效率提升的空間，也提高了電池研發(fā)及生產(chǎn)制造的門檻，這也是為何長期以來BC技術(shù)未能實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)，一度被視作單結(jié)晶硅電池“待摘的明珠”。
最為接近單結(jié)晶硅極限轉(zhuǎn)換效率的路線，注定了只有追求極限才能突破工藝技術(shù)難關(guān)。最終在 BC技術(shù)中首先實(shí)現(xiàn)GW級量產(chǎn)的N型ABC，幾乎集成了各種工藝的極致：背面PN區(qū)高低差隔離設(shè)計，消除PN區(qū)直接接觸帶來的漏電影響；高質(zhì)量復(fù)合介質(zhì)薄膜鈍化，最大程度減少載流子的復(fù)合損失；超快激光圖形化技術(shù)，通過飛秒、皮秒、亞皮秒超快激光一步法完成加工，實(shí)現(xiàn)了低成本、高產(chǎn)能和高良率的規(guī)模量產(chǎn)……
由此可見，類似“BC只是改變了電池結(jié)構(gòu)，算不上一代新技術(shù)”的論調(diào)，只是放大了BC作為一種平臺技術(shù)可以與TOPCon、HJT等疊加的特點(diǎn)，并選擇性無視了N型ABC在工藝技術(shù)方面的創(chuàng)新與突破；而正是這種創(chuàng)新與突破，讓看似簡單卻門檻極高的電池結(jié)構(gòu)設(shè)計從理論成為現(xiàn)實(shí)。
減少復(fù)合——技術(shù)迭代的核心
某國內(nèi)光伏企業(yè)負(fù)責(zé)人曾表示，主流光伏電池技術(shù)的迭代核心就是鈍化技術(shù)。而N型ABC便是目前最徹底地實(shí)現(xiàn)雙面鈍化的光伏電池技術(shù)路線，在光伏技術(shù)追求穩(wěn)定鈍化技術(shù)的道路上保持領(lǐng)先。
光伏電池對于鈍化的重視，基于光電轉(zhuǎn)換這一過程存在多種轉(zhuǎn)換效率損失。能量太過大于或小于光伏電池吸收層禁帶寬度的光子無法有效利用；光伏電池的電流來源于光生載流子（電子、空穴）的分離和收集，但電池材料的缺陷、雜質(zhì)會形成復(fù)合中心，促使電子與空穴以各種形式復(fù)合，能夠收集利用的電流會相應(yīng)減少。吸收層禁帶寬度由材料性質(zhì)決定，改良手段有限；通過鈍化等工藝減少材料中的復(fù)合中心，剝奪電子-空穴復(fù)合的機(jī)會，從而降低載流子復(fù)合造成的電流損失、提升光電轉(zhuǎn)換效率，成為光伏技術(shù)革新歷程的“主旋律”。
而根據(jù)鈍化技術(shù)的應(yīng)用情況，光伏電池的技術(shù)演變可以分為三個階段，即：未鈍化發(fā)射極、鈍化發(fā)射極、鈍化接觸。
第一階段的代表技術(shù)鋁背場（Al-BSF）電池，其背面鋁電極與硅襯底整面接觸，金屬鋁與硅基體在界面處會產(chǎn)生大量復(fù)合，嚴(yán)重影響載流子的收集。PERC電池的出現(xiàn)，將光伏電池技術(shù)帶入第二階段。PERC電池在電池背表面沉積Al2O3/SiNx疊層鈍化膜，對硅片進(jìn)行場效應(yīng)鈍化與化學(xué)鈍化，顯著減少了背面大多數(shù)區(qū)域的復(fù)合，提高了電池開路電壓和長波光譜響應(yīng)，提升了電池效率，也由此開啟了PERC為代表的P型電池時代。
PERC電池使用的是P型單晶硅片，隨著制備工藝上的制約被逐漸突破，N型單晶硅片憑借更高的少子壽命、更高的金屬污染容忍度以及不受硼氧復(fù)合對相關(guān)的光致衰減（LID）影響等特性，逐漸代替P型硅片成為行業(yè)“新寵”，并催生了單面N型TOPCon技術(shù)。
除了由P轉(zhuǎn)N，TOPCon技術(shù)還在電池背面引入了具備第三階段特征的鈍化接觸結(jié)構(gòu)，使金屬電極與硅襯底分離，降低了背表面與金屬材料間的復(fù)合，實(shí)現(xiàn)了效率的提升；然而，其電池正面仍沿用第二階段的擴(kuò)散發(fā)射極，發(fā)射極與硅基體之間產(chǎn)生的復(fù)合仍舊難以消除，這也使得TOPCon技術(shù)止步于“2.5階段”。
為了邁入真正應(yīng)用全鈍化接觸技術(shù)的第三階段，光伏行業(yè)又誕生了以正背面非晶硅鈍化的異質(zhì)結(jié)（HJT）技術(shù)、將異質(zhì)結(jié)與BC結(jié)合的HBC技術(shù)、將TOPCon與BC結(jié)合的TBC技術(shù)等。BC結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，為電池表面鈍化工藝提供了新的選擇，然而，非晶硅的寄生吸收效應(yīng)會減少電池對入射光的有效吸收，限制了HJT與HBC的理論效率；TBC的多項(xiàng)量產(chǎn)工藝則有待進(jìn)一步優(yōu)化……
經(jīng)過多年持續(xù)的研發(fā)攻關(guān)與工藝突破，N型ABC通過集成多種鈍化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了硅基體全鈍化與全背鈍化接觸，并憑借正面無遮擋的天然優(yōu)勢，在正面沉積高質(zhì)量多層復(fù)合介質(zhì)薄膜，將表面復(fù)合降至最低；獨(dú)創(chuàng)的金屬化涂布技術(shù)，同步解決了高溫漿料帶來的接觸不良與界面復(fù)合高的問題。
由于以多種手段降低了復(fù)合帶來的效率損失，N型ABC電池的效率極限相較目前只實(shí)現(xiàn)了單極鈍化接觸的TOPCon要高出1.2到2個百分點(diǎn)。N型ABC憑借更徹底的鈍化技術(shù)，成為光伏電池技術(shù)變革的標(biāo)桿。
轉(zhuǎn)換效率——光伏發(fā)電的初心
梳理上述工藝技術(shù)演變路徑可以發(fā)現(xiàn)，光伏行業(yè)對技術(shù)升級的需求，本質(zhì)上是對更高轉(zhuǎn)換效率的追求。為什么效率如此重要？
假設(shè)人類社會可以生產(chǎn)無限多的光伏組件來接收太陽能，即便組件轉(zhuǎn)化效率很低，終究可以靠足夠多的光伏組件來滿足電力需求。但現(xiàn)實(shí)情況是，可以安裝光伏組件的土地、屋頂、陽臺面積都有限度，電池、組件生產(chǎn)也需要消耗資源……
如何在有限的資源條件下，盡可能多地接收太陽能、盡可能多地將接收的太陽能轉(zhuǎn)換為電能，提高資源利用效率、推動可持續(xù)發(fā)展，這既是光伏發(fā)電技術(shù)的“第一性原理”，也是光伏發(fā)電行業(yè)的“底色”與“初心”。
正是憑著對更高效率的追求，有的企業(yè)在多晶硅占據(jù)絕對市場優(yōu)勢的情況下，堅(jiān)決轉(zhuǎn)向了制備難度更大但轉(zhuǎn)換效率更高的單晶硅；有的企業(yè)在自身引領(lǐng)P型電池時代的同時，義無反顧地投入代表更高轉(zhuǎn)換效率的N型電池與組件的研發(fā)創(chuàng)新。無論是多晶硅還是P型電池，一度都曾是光伏市場的絕對“主流”，但在技術(shù)變革到來之際，曾經(jīng)的“主流”光環(huán)在更高轉(zhuǎn)換效率的路徑面前總是黯然失色、快速退出。
追求更高光伏轉(zhuǎn)換效率，不僅是光伏技術(shù)內(nèi)在的邏輯，更是光伏市場一次又一次的堅(jiān)定選擇。而縱覽能夠走出實(shí)驗(yàn)室、接受市場檢驗(yàn)的各類光伏技術(shù)，N型ABC組件至今已連續(xù)18個月保持組件量產(chǎn)效率第一，組件量產(chǎn)效率達(dá)到24.2%，是單結(jié)晶硅時代當(dāng)之無愧的“效率之王”。
光伏電池走過70年發(fā)展歷程，“光”海沉浮中一個又一個新技術(shù)高高躍起又沒入天際，你方唱罷我登臺，沒有人敢停下創(chuàng)新的腳步，各家光伏企業(yè)競相追逐的結(jié)果，是無法阻擋的光伏技術(shù)升級迭代，是光伏電池轉(zhuǎn)換效率的不斷攀升。擁抱進(jìn)步、持續(xù)逼近太陽能利用的極限，既是整個光伏行業(yè)的使命，更是實(shí)現(xiàn)清潔能源轉(zhuǎn)型、推動人類社會可持續(xù)發(fā)展的必然追求。
或許有一天，會有更高效的太陽能利用形式突破理論極限、取代單結(jié)晶硅，而真正的技術(shù)引領(lǐng)者，絕不甘于伏在昔日的“王冠”上為過往功績感慨流連，只會堅(jiān)定地面朝向代表更高效率的未來，“踏平坎坷成大道，斗罷艱險又出發(fā)”。