四種光伏電池IBC、PERC、TOPCon和HJT全解析

一、電池技術為什么不斷升級

光伏行業(yè)得以高速發(fā)展的本質是度電成本的降低（度電成本是指項目單位上網(wǎng)電量所發(fā)生的綜合成本，主要包括項目的投資成本、運行維護成本和財務費用）。關于這個問題，我們首先要了解光伏的前世今生，光伏誕生于1839年，這一年，貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了光電效應；65年后的1905年，愛因斯坦發(fā)表了一篇論文揭開了光電效應的神秘面紗；又在50年后的1954年，貝爾實驗室制造出第一塊單晶硅光伏電池，從此光伏從一個物理概念變?yōu)橐粋€技術產(chǎn)品；2004年，在全球能源問題和環(huán)保的雙重壓力下，歐美推出大量政策，刺激光伏發(fā)展，推動能源轉型，這一年被稱為光伏產(chǎn)業(yè)的元年。此后，光伏行業(yè)歷經(jīng)單多晶轉型（多晶成本低，但效率也低；單晶效率高，但成本也高），兩條路線的原料都是多晶硅料，兩者區(qū)別不在原料，而在技術；之后又引入金剛線切割、雙面技術、半片技術、多主柵技術，組件尺寸逐步做大等等技術革新，所有這一切本質上均為降低度電成本。未來，組件尺寸已趨于極限，且逐步穩(wěn)定，要進一步降低度電成本，提升電池效率將成為主要途徑。P型PERC電池經(jīng)過5年發(fā)展，已逐步逼近理論效率極限，目前產(chǎn)線量產(chǎn)效率23%左右，理論極限效率24.5%，未來提升空間有限，且提升難度極大。N型TOPCon技術具有高達28.7%的效率天花板，擁有巨大的發(fā)展?jié)摿?，且N型TOPCon技術擁有低衰減、低功率溫度系數(shù)、高雙面率、高弱光響應能力等優(yōu)良的特性，是目前各個主流廠家重點布局的技術路線。二、行業(yè)內有哪些技術

單晶電池最早應用的技術叫Al-BSF（鋁背場技術），是2013年到2016年的技術，已于2017年被單晶PERC技術替代，PERC技術發(fā)展過程中，期間還出現(xiàn)過MWT、PERL、PERT、EWT等技術，但因PERC的規(guī)?；瘮D壓和性價比不高，均未實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。目前公認的可替代PERC的技術有三個，TOPCon、HJT和IBC，其中N型IBC技術因其成本較高，現(xiàn)階段無法與TOPCon與HJT競爭（IBC技術在未來是可以與其他技術疊加），故而目前最有可能替代PERC的是TOPCon與HJT技術。

N型HJT也是目前市場熱議的一個技術路線，但此技術路線存在幾個問題急需行業(yè)去解決：首先是設備成本，從PERC技術轉向TOPCon技術，電池產(chǎn)線還有70%左右可以兼容，每GW的新增投資額在5000-7000萬左右，而HJT產(chǎn)線需要重新搭建，每GW投資額達3.5億以上，現(xiàn)在整個光伏行業(yè)有超200GW的PERC產(chǎn)能，轉型做HJT后的PERC產(chǎn)能包袱是整個產(chǎn)業(yè)鏈無法接受的。其次，HJT技術需要用到200℃低溫銀漿，價格比正常銀漿更高，且目前主要依賴日本進口。還有就是HJT技術需要用到金屬銦，銦的需求量將使得地殼中儲量不高的銦價格暴漲，從而推高組件價格。TOPCon技術擁有著完整的可持續(xù)發(fā)展的技術路線支撐，未來的迭代升級空間廣闊，預計2024-2025年實現(xiàn)與IBC技術的結合，形成TBC技術，量產(chǎn)效率可達26%-28%，“十五五”期間實現(xiàn)與鈣鈦礦的疊層電池量產(chǎn)，將量產(chǎn)電池效率推高到28%以上。

三、四種電池概述

1、N型IBC電池：潛力無限

總之，IBC電池是一種創(chuàng)新的電池結構，優(yōu)勢來自于全背面電極，當然劣勢是增加了設計和制造難度。從另一個角度看，設計和制造難度高，也不算是壞事，哪家能把工藝難度最高的IBC做出來，說明哪家的技術實力最強。目前主流的幾種第三代太陽能電池技術，除了IBC電池外，就是Topcon電池、HJT異質結電池，以及更加遙遠的鈣鈦礦電池。

P型電池制作工藝相對簡單，成本較低，主要是BSF電池和PERC電池。2015年之前，BSF電池占據(jù)90%市場；2016年之后，PERC電池接棒起跑，到2020年，PERC電池在全球市場中的占比已經(jīng)超過85%，且目前以雙面PERC為主。PERC電池與BSF（鋁背板）******的區(qū)別就是背鈍化，這個可能有點抽象，先看一張PERC電池的結構圖：

鈍化的原理實際上包括兩方面：一是利用鈍化膜中產(chǎn)生的原子與懸掛鍵結合，從而減少其對其他正負電荷的復合作用；二是鈍化膜也帶有一定電荷，會在接觸面形成內建電場，從而形成場鈍化效應。鈍化的核心作用是提高開路電壓和短路電流，進而提升填充因子，在進而提高光電轉化效率。

為什么要了解這些？

其一，知道了PERC電池的原理，就知道在電池結構中哪部分是最重要的。評估PERC電池的優(yōu)劣，鈍化做的好不好就是最重要的評價維度。

其二，知道以上原理，就知道在工藝中哪個環(huán)節(jié)是最重要的，不同的電池企業(yè)比什么？就看關鍵工作環(huán)節(jié)控制的怎么樣。從PERC電池的核心是鈍化來看，那么對于鈍化膜的制作這一步就是所有工藝流程中最關鍵的。

其三，知道以上原理，就知道哪些生產(chǎn)設備是關鍵的，哪些耗材是最關鍵的。PERC電池的鈍化膜最核心，所以進行鈍化的薄膜沉淀工藝就是最核心步驟，相應的進行薄膜沉淀所需的PECVD設備和ALD設備就是最關鍵設備，這些設備在前些年一直也被卡脖子，近幾年國內企業(yè)異軍突起，邁為股份、捷佳偉創(chuàng)、理想萬里暉、鈞石能源等均實現(xiàn)了這些關鍵設備的突破。但產(chǎn)能情況需要進一步整理，在目前光伏行業(yè)整體快速發(fā)展的背景下，這些設備商也具有一定的投資機會。

PERC電池的工藝流程相對簡單且設備成熟，近年來，標配一些提效工藝，如激光SE、堿拋、光注入/電注入等。PERC技術以背面鈍化層的沉積和激光開槽為主，后續(xù)在此基礎上進行工藝改進優(yōu)化時增加正面SE激光和光注入/電注入退火等工藝。

2017-2021，將近五年時間，PERC從初露鋒芒到獨樹一幟，由于P型單晶硅PERC電池理論轉換效率極限為24.5%，導致P型PERC單晶電池效率很難再有大幅度的提升，現(xiàn)在已經(jīng)快到極限；并且未能徹底解決以P型硅片為基底的電池所產(chǎn)生的光衰現(xiàn)象，這些因素使得P型電池時代即將面臨壽終正寢，2021年以前，都以P型硅片做襯底，與傳統(tǒng)的P型單晶電池和P型多晶電池相比，N型電池具有轉換效率高、雙面率高、溫度系數(shù)低、無光衰、弱光效應好、載流子壽命更長等優(yōu)點，之后趨勢開始往N型襯底來轉換。

3、N型TOPCon：技術過渡最優(yōu)選擇

是2013年在第28屆歐洲PVSEC光伏大會上德國Fraunhofer太陽能研究所首次提出的一種N型硅襯底電池技術，旨在通過解決電池載流子選擇鈍化接觸問題來提高太陽能電池效率。電池正面和常規(guī)N型電池沒有什么區(qū)別，和常規(guī)N型電池的主要區(qū)別在電池TOPCon背面會先制作一層不足2nm的超薄二氧化硅（SiO2）作為隧穿層，之后會再加上一層20nm磷摻雜的微晶非晶混合Si薄膜，濃度較襯底更高，二者共同形成了鈍化接觸結構，鈍化性能通過退火過程進行激活，Si薄膜在該退火過程中結晶性發(fā)生變化，由微晶非晶混合相轉變?yōu)槎嗑?/span>

該結構可以阻擋少子空穴復合，提升電池開路電壓及短路電流。超薄氧化層可以使多子電子隧穿進入多晶硅層同時阻擋少子空穴復合，超薄氧化硅和重摻雜硅薄膜良好的鈍化效果使得硅片表面能帶產(chǎn)生彎曲，從而形成場鈍化效果，電子隧穿的幾率大幅增加，接觸電阻下降，提升了電池的開路電壓和短路電流，從而提升電池轉化效率。光伏電池TOPCon的能量轉換效率大概在25.5%，理論上極限轉換率約28.5%。

目前光伏電池TOPCon市場占有率逐年增高，已經(jīng)有權威機構預測在2030年N型光伏電池市場占有率會達到56%左右。

4、N型HJT電池：降本利器

又稱HIT電池（三洋核心專利期間名稱），HIT電池最早由日本三洋公司于1990年成功開發(fā)，因HIT已被三洋注冊為商標，因此又被稱為HJT、HDT、或SHJ（Silicon Heterojunction），當時轉換效率可達到14.5%（4mm2的電池），后來在三洋公司的不斷改進下，三洋HJT電池的轉換效率于2015年已達到25.6%。2015年三洋的HJT專利保護結束，技術壁壘消除，是我國大力發(fā)展和推廣HJT技術的大好時機。HJT電池是由晶硅材料和非晶材料形成，在晶體硅上形成非晶體薄膜，并通過特殊技術讓P型和N型半導體構成一種特殊的PN結，本身屬于N型電池的一種，是單晶雙面電池，具有工藝簡單、發(fā)電量高、度電成本低的優(yōu)勢，可能會成為繼PERC電池之后的行業(yè)熱點。

以N型單晶硅(C-Si)為襯底光吸收區(qū)，經(jīng)過制絨清洗后，其正面依次沉積厚度為5-10nm的本征非晶硅薄膜(i-a-Si:H)和摻雜的P型非晶硅(P-a-Si:H),和硅襯底形成P-N異質結。硅片的背面又通過沉積厚度為5-10nm的i-a-Si:H和摻雜的N型非晶硅(n-a-Si:H)形成背表面場，雙面沉積的透明導電氧化物薄膜(TCO)，最后通過絲網(wǎng)印刷在兩側的頂層形成金屬基電極，即為異質結電池的典型結構。

HJT因為光電轉換效率高，雙面率高，設備工藝流程簡化，產(chǎn)品光衰減低，穩(wěn)定性強，降本增效空間大，技術層面，根據(jù)所使用硅片的不同，光伏電池片主要分為晶硅電池片（P型）和非晶硅薄膜電池片（N型），其中PERC是當前的主流技術路徑，市占率在85%左右，但受制于本身光電轉換效率臨近天花板，業(yè)內正在逐步嘗試使用具有更高光電轉換效率的HJT電池片來替代。

我國前三大光伏電池片廠商分別為愛旭股份、通威股份和隆基綠能，2021年合計市占率達36.5%。其中，通威股份在HJT電池方面是絕對龍頭，國內市占率在20%以上。

HJT電池的實驗室效率達到26%以上，現(xiàn)有主流廠商的平均量產(chǎn)效率達到23%。從效率來看的確比PERC電池要高出一個臺階。HJT電池工藝流程簡潔，目前市場主流的電池技術PERC需要8-10道工序，而HJT技術只有四道工序，分別為清洗制絨、非晶硅薄膜沉積，TCO薄膜制備和絲網(wǎng)印刷。其中清洗制絨和絲網(wǎng)印刷都是傳統(tǒng)硅晶電池的工藝，HJT獨特的工藝在于非晶硅薄膜沉積和TCO膜的沉積。綜上所述，光電轉換最高實驗室效率的比較：PERC是24%；TOPCon是26%，晶科能源商業(yè)化最高效率是25.4%；HJT是隆基綠能M6實驗室最新數(shù)據(jù)達到26.5%，而HJT+鈣鈦礦疊層電池理論效率可達43%。

四、總結

光伏的核心指標是效率，最終目標一定時平價上網(wǎng)，即光伏發(fā)電的成本要低于火電等傳統(tǒng)能源。我們也可以說，光伏的生命就在于更高的效率（光能轉換成電能的效率），更低的價格（制造成本的價格，使用的價格）。

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