电池工艺

光伏发电原理：

（来源：公开资料）

在解释原理之前，先解释下两个名词，“电子”和“空穴”

“电子”和“空穴”：

在热力学温度零度和没有外界能量激发时，价电子受共价键的束缚，晶体中不存在自由运动的电子，半导体是不能导电的。

但是，当半导体（如硅）收到外界因素（如光照）使温度升高，某些共价键中的价电子获得了足够的能量，足以挣脱共价键的束缚，跃迁到导带，成为自由电子，同时在共价键中留下相同数量的空穴。电子带负电，空穴带正电。

原理：

太阳光照射到光伏电池表面，其吸收具有一定能量的光子，在内部产生处于非平衡状态的“电子-空穴”对。

在P-N结内建电场的作用下，电子和空穴分别被驱先N、P区，从而在P-N结附近形成与内建电场方向相反的光生电场。

光生电场抵消P-N结内建电场后多余的部分使P、N分区分别带正、负电，于是就产生N区指向P区的光生电动势。

当外界负载后，则有电流从P区流出，经负载从N区流入光伏电池。

而电池片环节的主要核心是提升光电转换效率。

总的来说，晶硅电池经历了三次技术发展。

1）铝背场 BSF 电池，在 2015 年之前，它是最主流的电池，市占率超过了 90%。

2）PERC 电池：改进BSF电池，形成了PERC电池。与铝背场BSF电池相比，其只新增了背面沉积钝化膜和背面开槽两道工序。非常便于BSF电池生产线直接升级。

（BSF电池和PERC电池都是基于P型硅的电池）

3）当前（2021年），基于N型硅太阳能电池的发展（N-PERT，TOPCon，HJT），晶硅电池迎来第三次技术革命。

1、BSF电池

铝背场电池BSF是指在PN结制备完成后，在硅片的背光面沉积一层铝膜，提高光的反射率从而提高转换效率。

生产流程包括：清洗制绒（又称“前清洗”）、扩散制结（又称“扩散”）、刻蚀/去PSG（Phospho Silicate Glass，磷硅玻璃）（又称“抛光”）、正面沉积减反膜、背面印刷铝膜、丝网印刷、高温烧结。

清洗制绒（前清洗）：

由于硅片在切割过程中会产生损伤，且会引入一些金属杂质和油污。如果损伤和杂质油污清洗不彻底，在后续处理过程中会向硅片内部延伸，影响电池的性能。

因此，清洗制绒的目标有3点：一是用酸液或碱液去除硅片表面的机械损伤层；二是清除表面油污和金属杂质；三十形成起伏不平的绒面，减小太阳光的反射。

清洗和制绒是一道工序。单晶硅片采用的是碱液腐蚀技术，能够与硅反应，清洗损伤和杂质的同时能够在表明形成金字塔绒面结构。

多晶硅片则采用酸液腐蚀，清洗的同时形成虫孔状绒面结构。

由于绒面结构的存在，入射光线会经过绒面的多次反射才入射到空气中，这样能够多次利用入射光线，从而减少反射率，增加了光的利用率。

扩散制结（扩散）：

即制备太阳电池的 PN 结。（从上面电池的工作原理，我们知道这个非常重要）

对于P型硅片，是要在其表面制备N层，对于N型硅，则要在其表妹制备P层。

P和N硅片的区别主要在于杂质。

N型硅施主杂质主要是如磷、砷、锑等。

P型硅施主杂质主要是如硼、铝、镓等。

那么在P型硅表面制备N层，则可以通过在其表妹扩散磷元素来制备。

制备过程简单描述：

P型硅片放入石英容器，加热并通入含磷气体，使容器类充满含磷的蒸气。

含磷整齐附着到硅片上可产生磷原子。

由于硅片的原子之间存在空隙，这些磷原子可以从空隙中进入硅片的表面层，并先内部渗透扩散。

若是扩散进去的磷原子浓度，高于P型硅的杂质（比如硼）浓度，则P型硅的表面薄层就转变成了N型硅。

N型硅和P型硅的交界处就形成了PN结

对于N型硅片，则与之相反，通入喊硼气体即可。

刻蚀/去PSG（抛光）：

在上一步的扩散制结工艺中，硅片的侧边和背面边缘将不可避免地存在扩散的磷原子，，形成磷硅玻璃PSG。

当电池片受到光源照射，PN结的正面收集到的光生电子将沿着边缘扩散到有磷的区域，再流到PN结的背面，从而造成短路。

刻蚀工序可去除硅片边缘带有磷的部分，避免了PN结短路。

同时可以祛除硅片背面的绒面。

刻蚀工可以分成湿法刻蚀工艺和干法刻蚀工艺。

背面钝化（PERC 电池工艺）：

沉积背钝化介质膜，分别对硅片背面起钝化及保护作用，可以增强背面钝化反射能力。

制备减反射膜（前表面减反膜 ）：

在硅片的表面，利用增强型等离子化学气相沉积法沉积掺氢氮化硅薄膜，以获得合适的厚度以及折射率，降低表面光反射，同时能够起到钝化作用，增加抗腐蚀性。

激光开槽（PERC 电池工艺）：

用激光打开硅片背表面钝化层，从而提取电荷载流子，打通钝化叠层形成电学通路（用于PERC 电池工艺）

丝网印刷：

将导电银浆印刷在电池的正背面，形成电极，用于收集和传输电流。

正面印刷银浆正极细栅与主栅，背面印刷电极主栅和铝背场，其目的是用于电池的电极成形。

高温烧结：

排出浆料的有机成分，使电极和硅片形成良好的欧姆接触，实现较小的串联电阻、较大的并联电阻和理想的背表面钝化。

硅片经过丝网印刷机后，会传送到烧结炉中，经过烘干排焦、烧结和冷却过程来完成烧结工艺，最终达到上下电极和电池片的欧姆接触。

高温烧结的核心过程是：

当电极力的金属和硅片达到一定温度时，硅原子会融入到电极材料中。

当融入到电击材料中的硅原子里含有足量多的与原硅片材料中导电类型相同的杂质成分，就形成了欧姆接触。

从而可以提高电池片的开路电压和填充因子，使电极的接触具有电阻特性，并因此达到较高的转化率。

若存在的是导电类型不同的杂质成分，则获得了用合金法工艺形成的 PN 结。

测试分选：

对电池进行 I-V 测试，并按电池的实际效率和电流进行分档。

总结电池工艺如下：

（来源：天合光能招股说明书）

一个光伏电池看起来是这样（3主栅：纵向白色线；细栅：横向白色线）：

2、PERC电池

PERC电池全称：钝化发射极与背面接触电池。

原理是在BSF电池背面附上介质钝化叠层（ Al2O3+SiNx），通过产生更多反射光以增加额外电流，从而较大程度减少光电损失。

该技术路线的生产流程主要在常规BSF电池生产环节中增加两道额外工序。

一是背面沉积钝化膜（增强背面钝化反射能力）。

二是背面开槽（打通钝化叠层形成电学通路）。

无需另开生产线。需要增加的设备是背部钝化设备和激光开槽设备。

工艺流程在BSF电池上有介绍。

PERC 技术日趋成熟，“PERC+”成为 PERC 工艺升级，提升光电转换效率的重要方向，PERC 工艺升级路线主要包括 PERC+SE、 PERC+MWT、双面 PERC 等。

3、TOPCon电池

TOPCon电池，即隧穿氧化层钝化接触太阳能电池。

N型硅衬底电池背面制备一层超薄氧化硅，然后再沉积一层掺杂硅薄层，二者共同形成了钝化接触结构。

与现有传统的 P 型电池设备制程相比， TOPCon 电池的生产流程只需将扩磷改为扩硼，并增加薄膜沉积设备，无须背面开孔和对准，便可与当前的量产工艺兼容。

4、HJT电池

具有本征非晶层的异质结（Heterojunction with Intrinsic Thin Layer）——在电池片里同时存在晶体和非晶体级别的硅，非晶硅的出现能更好地实现钝化效果。

是晶硅太阳能电池技术和薄膜光伏技术的融合体并且兼具两者的优点

HJT工艺主要分为制绒清洗、非晶硅薄膜沉积、TCO薄膜制备、电极制备，步骤相对简单，但是工艺难度大，产线与传统电池不兼容，新增设备投资较大。

5、ICB电池

交指式背接触（Interdigitated Back Contact）——把正负电极都置于电池背面，减少置于正面的电极反射一部分入射光带来的阴影损失。

6、PERT

发射极钝化和全背面扩散（Passivated Emitter Rear Totally-diffused ）——PERC 技术的改进型，在形成钝化层基础上进行全面的扩散，加强钝化层效果。

相比于 P-PERC，N-PERT 需要增加硼扩散和清洗步骤，且由于在效率提升方面不及 PERC，已被被证明为不经济的技术路线。

7、各种电池总结如下

（资料来源：CPIA）

8、各种电池技术平均转换效率

2020 年，规模化生产的 P 型单晶电池均采用 PERC 技术，平均转换效率达到 22.8%，较 2019年提高 0.5 个百分点；

采用 PERC 技术的多晶黑硅电池片转换效率达到 20.8%，较 2019 年提高0.3 个百分点；常规多晶黑硅电池则效率提升动力不强，2020 年转换效率约 19.4%，仅提升 0.1个百分点，未来效率提升空间有限；

铸锭单晶 PERC 电池平均转换效率为 22.3%，较单晶 PERC电池低 0.5 个百分点；

N 型 TOPCon 电池平均转换效率达到 23.5%，异质结电池平均转换效率达到 23.8%，两者较 2019 年均有较大提升。

未来随着生产成本的降低及良率的提升，N 型电池将会是电池技术的主要发展方向之一。

（资料来源：CPIA）

9、各种电池技术市场占比

2020 年，新建量产产线仍以 PERC 电池产线为主。随着 PERC 电池片新产能持续释放，PERC电池片市场占比进一步提升至 86.4%。

随着国内户用项目的产品需求开始转向高效产品，原本对常规多晶产品需求较高的印度、巴西等海外市场也因疫情导致需求量减弱，2020 年常规电池片（BSF 电池）市场占比下降至 8.8%，较 2019 年下降 22.7 个百分点。

N 型电池（主要包括异质结电池和 TOPCon 电池）相对成本较高，量产规模仍较少，目前市场占比约为 3.5%，较 2019 年小幅提升。

（资料来源：CPIA）

随着成本的主键降低，未来N型电池（主要是TOPCon电池，HJT电池（异质电池））将是主要发展方向。

上图中很明显。

BSF电池将逐渐被淘汰。

PERC电池在未来一段时间内还是主流。

TOPCon电池和异质结电池（主要指HJT电池）未来将是主要发展方向。

10、电池片金属化及银浆技术

（要了解详细情况请搜索：《深度分析光伏电池片金属化及银浆技术》 ）

10.1 银浆成本

金属化是光伏电池片关键工艺之一，主要用于制作光伏电池电极，将PN结两端形成欧姆接触，实现电流输出。金属化工艺对于电池的可靠性、成本、转化效率、工艺路线均有较大影响，目前丝网印刷是最成熟且普遍金属化工艺。

对于各种电池片来说，银浆成本是仅次于硅片的第二大成本占比。尤其对于TOPCON、HJT技术来说，银浆成本从PERC的10-11%显著提升至16%-24%以上，成为限制产业化推广的重要因素，传统丝网印刷工艺无法满足新型高效电池需求，因此探索金属化的升级优化意义重大。

经分析，金属化技术升级主要通过两大途径：1）采用新型金属化工艺降低银浆耗量（可用于PERC、TOPCON、HJT等各技术路线）；2）采用国产化、新型浆料材料降低银浆耗量（银包铜仅可用于HJT技术）。

1）TOPCON：TOPCON技术对于工艺和设备相较于PERC差异不大，但TOPCON采用高温双面银浆，单片耗量在130-150mg左右，高于双面PERC的85mg/片耗量。根据TRENDFORCE数据，当前浆料占TOPCON成本15.8%左右，因此如何优化技术化工艺、银浆浆料成本对于降低TOPCON电池生产成本至关重要。

2）HJT：由于HJT电池采用非晶硅薄膜需要温度限制在200℃的低温环境，因此HIT电池通常使用可在低温下固化的特殊低温银浆，较传统高温银浆贵2000元/kg。同时，异质结双面银浆的耗量相对于TOPCON进一步提升，当前耗量在250mg/片左右，当前浆料占HJT成本24.3%左右。

10.2 金属化工艺升级

1）多主栅：提升效率降低银浆耗量，当前各电池路线主流技术

多主栅技术又称MBB（Multi-Busbar），通常指主栅线在6条及以上。由于主栅线数量增加能够使得栅线做的更细，从而减少了电池表面的遮挡；同时缩短了电流在细栅上传导距离，可有效降低组件的串联电阻；此外因主栅线及细栅线宽度减少，还能够显著降低银浆耗量。

以 5 主栅电池组件为例，其主栅宽度为 1mm，而多主栅电池组件的主栅可窄至 0.1mm，可大幅降低银浆耗量。

多主栅技术拥有较强兼容性，可叠加多晶、单晶、黑硅、PERC、TOPCON、HJT、双面、单玻、双玻等多项主流技术。同时多主栅技术升级主要体现为组件串焊机设备的更迭，对于电池设备来说变化不大，主要需要丝印设备网版的更换调节，以及分选设备的精准度提升。

因此MBB技术也进一步推动N型电池片的加速渗透，将HJT银浆耗量从300mg/片降低至200-250mg/片以下。9BB、12BB已经成为当前各技术路线电池金属化、组件串焊的主流技术，但当前银浆成本仍然较高，仍需进一步优化金属化技术。

10.3. 国产化及银包铜等新型浆料的应用

除了对于金属化工艺的优化升级，对于银浆材料本身的降本优化同样具备较大意义， 降本后的银浆能够叠加大多新型金属化工艺，实现银浆成本的进一步降低。

浆料的降本优化一方面体现在银浆的规模化、国产化降低其本身价格，根据索比光伏网，目前国产浆料厂商晶银新材、帝科股份、常州聚和，以及在国产化投资设厂日本银浆龙头KE均在积极推进浆料降价；

另一方面，迈为联合华晟、钧石能源积极推进银包铜等浆料产业验证，金辰也在联合上下游积极储备新型浆料及金属化技术，也将显著降低银浆耗量。

银包铜的本质在于通过调节浆料中的银、铜掺杂比例，用低价金属替代高价金属从而降低整体的浆料成本。

通过调整浆料中银的掺杂比例，能够将银含量从90%降低至60%上下，甚至更进一步可降低至45%上下，叠加SMBB测算可降低银浆耗量至65mg/片，甚至可以低于PERC的银浆耗量

参考资料：

1 公开资料

2 国家标准

3 天合光能招股说明书、和相关公司年报

4 新材料行研笔记

5 中国光伏产业发展路线图（2020年版）

6 《深度分析光伏电池片金属化及银浆技术》

错别字来不及修改，先发。

文末划重点。

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