XBC電池的技術布局進展

摘 要：【目的】梳理XBC電池工藝和設備的主要技術環節，著重研究當前光伏行業頭部企業的技術布局現狀。【方法】統計XBC電池主要技術環節的專利文獻，以及國內外重要申請人，分析了主要技術環節的演變路線和頭部企業的研發重點。【結果】頭部企業基本采用多技術路線并行的研究策略，尋找工藝最優解，同時為未來的市場產品迭代儲備技術力量。以隆基綠能、愛旭、Maxeon為首的頭部企業已率先開啟XBC電池擴產。【結論】簡化工藝步驟、降低制造成本，是實現XBC電池產業化的關鍵因素。

關鍵詞：光伏；技術；XBC

中圖分類號：TM914.4" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：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

全球光伏產業已由政策驅動發展階段正式轉入“平價上網”階段，光伏發電已成為具有成本競爭力、可靠性和可持續性的電力來源。光伏發電系統一般由光伏組件、控制器、逆變器、蓄電池（儲能設備）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。光伏電池的發展大約經歷過三個階段，第一代光伏電池主要為晶硅光伏電池，已經商業化應用；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，有機光伏電池，量子點光伏電池等，目前發展仍處于試驗階段［1-2］。電池片技術的關注點從最初量產的鋁背場電池到以P型單晶硅為襯底的鈍化發射極背接觸（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、異質結（Heterojunction Technolog，HJT）電池、XBC電池（X Back Contact，各類背接觸電池，指當前各類背接觸結構晶硅太陽能電池的泛稱）和晶硅-鈣鈦礦疊層電池［3-4］。

2023年起，光伏行業產能過剩的情況日漸嚴重，整個行業出現集體虧損狀態，頭部公司如何突破重圍、重新奪回市場份額，技術突破和布局顯得十分重要。頭部企業年投入數億的研發經費，不能僅為尋求技術突破，穿越行業競爭周期，更要看重把研發成果保護成自主知識產權，防止技術泛濫性傳播。本研究將分析XBC主要技術環節和頭部公司的技術布局情況。

1 研究對象和方法

本研究主要針對目前理論效率最高的XBC 電池技術，結合工藝和設備進行專利分析總結。采用的全球專利數據來自Patsnap 數據庫。專利數據的申請日為 2013年1月1日至2024 年5月 30日。根據上述電池類型分別確定關鍵詞，并進行檢索降噪，降噪方式包括：關鍵詞、分類號、人工篩選。

2 XBC電池

2.1 電池類型簡介

背電極接觸電池技術（簡稱BC電池技術），將PN結和金屬接觸挪到電池背面，使得正面沒有電極遮擋，電池吸收太陽光照射的面積更大，從而提高了轉換效率，能發出更多的電量。因電池正面沒有柵線，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，進而提高了電池效率［5］。BC電池的理論轉換效率極限為29.1%，高于TOPCon和HJT的28.7%和28.5%［6］。同時，BC電池技術是通用的平臺型技術，可與TOPCon、HJT、鈣鈦礦等技術有機結合，兼收其他技術優點并進一步提升轉換效率，統稱為 XBC 電池。 目前常見的有 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構，主要涉及 PERC 和 TOPCon 技術， ABC 則是愛旭主推的 N 型背接觸電池結構，疊加TOPCon 和 HJT 技術。XBC 電池生產工藝難點主要集中在背面圖形化、金屬化兩個方面。首先， P 區/N 區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 區和 N 區交替分布，容易產生漏電現象，因此，對 N、 P 之間的基區精度或者絕緣層的設計提出了很高要求；最后，背面金屬電極需要開孔且對準擴散區，也對工藝難度和精度提出了較高的要求。

2.2 P區/N區圖形化

在 XBC 電池背面定域摻雜的時候，發射極寬度、背場寬和二者之間的間隙隔離層會對電池電性能造成較大影響。較寬的背場（BSF）會使得少數載流子從 BSF 區傳輸到發射區的橫向平均距離增大，進而提高了擴散過程中的復合損失，因此，背場寬度應盡量窄小。同時， P+區和 N+區之間的間隔區域盡可能窄，且表面具有良好的鈍化效果才可避免少數載流子的復合，太寬可能會導致背接觸電池的有效面積被浪費，有效載流子難以被收集。

2.2.1 摻雜區域。XBC電池的核心工藝流程及難點主要在于，如何在電池背面制備出間隔排列的P區和N區。目前，產業推進的常見定域摻雜方法主要是掩膜法，再結合光刻、絲網印刷刻蝕漿料、激光刻蝕或者離子注入等方法來形成定域摻雜的圖形。

通過光刻技術在掩膜上形成需要的圖形，隨后再進行擴散摻雜，該方法成本較高， 規模化生產不占優勢。CN112133784A按照電池背面設計結構在所述硅片 N+背場上沉積光刻膠掩膜層，以保證不被硼原子摻雜；將電池片正對正接觸放置在石英舟中，在三溴化硼、氧氣氣氛中對電池背面進行擴散，形成 P+發射極區；利用氫氟酸去除光刻膠層；之后在所 P+發射極區上沉積光刻膠掩膜層，以保護 P+發射極區不被磷原子摻雜，在三氯氧磷氛圍下對電池進行雙面擴散，以形成前表面場及 N+背場。

印刷法通過絲網印刷刻蝕漿料或者阻擋型漿料來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，制程復雜，同時，絲網印刷本身也存在對準精度不夠、多次印刷問題等局限，從而給電池結構設計帶來了挑戰。較小的間隔間距和金屬接觸面積能帶來電池效率的提升，因此，絲網印刷需要在工藝重復可靠性和電池效率之間找到平衡。CN108649079A 利用使用絲網印刷含硼摻雜漿料進行涂布， 并通過 970 ℃熱擴散完成背面 P 型摻雜區域的制備。

激光可有效解決絲網印刷過程中的局限，無論是間接刻蝕掩膜，還是直接刻蝕，激光均能得到比絲網印刷更為精細的結構，更細微的金屬接觸開孔和更多樣的圖案設計。結合產業推進和龍頭企業 XBC 電池擴產中的選擇來看，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， 還可通過掩膜可以形成選擇性的離子注入摻雜。同時，離子注入后，需要進行高溫退火過程來將雜質激活并推進到硅片內部，并且還需要修復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、擴散均勻性好等特點，但設備昂貴，易造成晶格損傷，在光伏行業中實際應用較少。

2.2.2 絕緣區域。除開摻雜區域，如何通過圖案設計或者絕緣材料沉積實現不同極性摻雜區的隔離也是XBC電池技術關心的重點問題之一。CN108649079A發明通過設計摻雜區域結構，采用“豐”字結構并成指叉形排列，使得正電極和負電極在電池厚度方向上沒有重疊區域，避免了在空間上造成漏電流的可能。同時取消了正電極和負電極之間的絕緣體設計，可以減少工藝流程，減少空間復雜度。CN115588698A在HBC中利用本征非晶硅層和絕緣層同時作為鈍化和絕緣層，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電半導體層之間漏電的概率，提升了光電轉換效率，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計柵線，降低串聯電阻。但為了減少金屬接觸區域的復合， XBC 電池在金屬化前一般要打開接觸孔/線，以此來減少金屬接觸區的復合。另外，為防止漏電，N 區和 P 區的金屬電極接觸孔需要與各自的擴散區對準。在打開接觸孔/線的時候，通常采用激光開槽、絲網印刷刻蝕漿料、濕法刻蝕等方法來將接觸區的鈍化膜去除，形成接觸區。在金屬電極的制作方法上，可以采用絲網印刷、激光轉印、電鍍等多種技術。

CN214313221U關于電池主柵結構設計，目的是降低 BC電池片串聯時的隱裂風險。技術方案為增加不進行焊接邊緣主柵， 通過正電極匯流線和負電極匯流線將邊緣主柵的電流匯入同極的主柵當中，避免焊接給電池硅片帶來的隱裂風險。 CN215184002U在硅片縱向端部設計避開焊條的避讓口，進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域造成隱裂碎片的風險。

2.4 激光技術

從專利申請內容來看，在 XBC 電池制備過程中，激光技術得到了廣泛應用，因此本小節將激光技術的應用場景進行單獨總結。激光具有快速、準確、零接觸和良好的熱效應等優勢，可以極大避免 XBC 電池制造過程中的損耗，從而提升光電轉換效率。激光在 XBC 電池中的應用包括激光開槽、激光刻蝕、激光熱氧化、激光摻雜及激光轉印。

2.4.1 激光開槽。XBC電池工藝復雜，其中涉及多個環節的掩膜層開孔和電極對應區域鈍化層的打開。XBC電池量產推廣的關鍵是減少生產步驟，減少機械接觸帶來的效率損傷，而激光開槽的應用可以達到這個效果。具體來看，激光開槽工藝在XBC電池中的應用場景包括：①在沉積掩膜層之后，使用激光打開掩膜膜層，使得P+和N+之間的形成間隔區域；②XBC電池的電極均在背面，可以使用激光在電池背面P+和N+區域上方的減反射層形成開孔，然后可以在開孔處印刷形成對應P和N的金屬電極。通過激光開孔進行電接觸的方式，可以使得XBC電池獲得較低的金屬接觸復合，進而提高轉換效率。CN113284982B利用激光消融方式在P型摻雜多晶硅及N型摻雜多晶硅對應印刷柵線位置形成凹槽，使得銀漿在低溫燒結即可形成柵線的良好歐姆接觸，避免了高溫燒結漿料對P型/N型摻雜多晶硅具有破壞性，而導致柵線區域金屬誘導復合隨溫度升高而降低電池效率的問題。同時，也避免高溫燒結漿料對隧穿氧化層產生破壞，確保電池的鈍化效果。

2.4.2 激光輻照。CN113921626A提出了在制備 XBC 電池過程中，通過兩步激光氧化工藝來分別形成 P+和 N+特定摻雜區域的氧化物掩膜層。具體方法來看，在含氧氣氛環境下，通用激光直接對 P+和 N+的特定區域進行激光輻照，從而在激光掃過的區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，激光輻照過程的熱量小，減小對 P+和 N+摻雜區域損傷。

2.4.3 激光摻雜。對 XBC 電池背面硼摻雜和磷摻雜。 CN114023830A其在 TBC 電池的制作中，在對電池背面 P+和 N+區域摻雜的時候， P+區域硼摻雜的時候，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 P+區進行直接硼摻雜。 CN110534618B以硼酸和磷酸作為原料，利用激光擴散制備摻硼的發射極和摻磷的局域背場， 省去了光刻做掩膜的工藝，降低了 XBC 高效電池的制作成本，同時降低了生產工藝周期。

3 光伏頭部企業的布局情況

隆基綠能關于不同電池類型的技術布局中，呈現出多路并行的趨勢。該公司秉持寬研窄出的原則，投入研發精力和財力龐大，研究多種電池技術路線。XBC 電池相關專利占公司總專利量的 14%，遠遠高于其他公司 XBC 電池相關專利的占比，反映了該公司選擇的 XBC 電池研發路線。HJT 電池和疊層電池相關專利占比分別為 15%和 40%，說明 HJT 電池和疊層技術也是公司技術布局重點。

晶科能源從 2019年開始布局TOPCon 電池，率先建立900 MW 產線。對于 TOPCon 電池相關的專利占到總量的 55%，為主要的專利申請布局的重點。由于 PERC 電池在 TOPCon 電池出現之前一直占據較大的市場份額，因此專利數量上也占有 39%的份額。對于 XBC 電池和疊層電池只占專利申請的一小部分。

通威光伏自 2020 年開始，大量投入資金、人力、時間成本進行 TOPCon 電池研發工作。除此之外， 還建立了XBC 電池試驗線，首片 XBC 電池已于 2022 年 7 月正式下線，目前正在進一步優化產線。同時，鈣鈦礦實驗室也已經搭建完成。 因此有少部分專利與 XBC 電池和疊層電池相關。

阿特斯在高效單晶 PERC 技術中具有自主知識產權。除 PERC 電池外， 阿特斯還在 TOPCon 技術進行布局，同步布局 N 型 HJT 技術，技術參數各方面也處于行業領先地位。疊層技術和 XBC 技術在該公司申請專利總數中占比很少，反映出此技術并非研發重點。

綜合專利申請情況來看，雖然BC電池技術與其他電池層結構兼容性好，且理論轉換效率高，但是因為加工環節較多，技術集成度高，因此一部分頭部公司并沒有把此類電池作為研發戰略技術。

4 結語

XBC電池技術百花齊放，基本是圍繞硅片基底和 PN 結增加鈍化層、減反射層、電極等功能層，提高電池轉換效率。頭部企業技術布局各有側重，同時采用多路線并行策略，尋找工藝最優解。隆基綠能、愛旭股份、Maxeon率先開啟XBC電池，強勢推進擴產規模。簡化工藝步驟、降低制造成本，是實現XBC電池產業化的關鍵因素。需開發配套工藝和設備升級改造，以最小代價實現與目前規模化產線兼容的XBC工藝路線。

參考文獻：

［1］陸世杰.太陽能電池特性的實驗研究與應用［J］.大學物理實驗，2022，35（1）：69-73.

［2］MANISH R，ARMAN A，CHRISTIAN B. Job cre-ation during the global energy transition towards 100% renew-able power system by 2050［J］.Technological Forecasting amp; Social Change，2020，151（C）.

［3］黃治.光伏電站組件和運行方式組合及其容量優化配置研究［J］.能源科技，2022，20（3）：63-67.

［4］李明華.光伏專業產教融合型新工科應用人才培養探析［J］.廣東化工，2019，46（15）：244-245.

［5］PROCEL P，INGENITO A，DE ROSE R，et al.Opto-electrical modelling and optimization study of a novel ibcc-si solar cell［J］.Progress in Photovoltaics： Research and Applications，2017，25（6）：452-469.

［6］魏世源，孫偉海，陳志堅，等.太陽能電池效率分析［J］.科學通報，2016，61（16）：1748-1753.