N型ABC：单结晶硅技术变革引领者
光伏产业网讯
发布日期：2024-08-28
核心提示：
日前，华能集团发布2024年光伏组件（第二批）框架协议采购招标，其中标段3为1GW的BC组件。这是五大六小能源集团首次单独为BC组件开辟标段，标志着国内集中式光伏市场向BC技术敞开大门。
日前，华能集团发布2024年光伏组件（第二批）框架协议采购招标，其中标段3为1GW的BC组件。这是五大六小能源集团首次单独为BC组件开辟标段，标志着国内集中式光伏市场向BC技术敞开大门。
常被认为“小众”“只适合做分布式”的BC组件得以打入集中式市场，离不开自身技术与产品的日臻成熟：BC技术已从实验室里的“奢侈品”成为量产效率的冠军。曾经引领过光伏行业时代变革的爱旭、隆基，已先后转向BC技术路线；目前占据大块光伏市场份额的TOPCon头部厂商，无一不在进行BC技术储备与追赶。凭借受光面积更大的电池结构设计、更加彻底的钝化工艺、行业领先的量产效率，爱旭N型ABC技术俨然已成为单结晶硅技术变革的引领者。
单结晶硅电池技术路线繁多，但都遵循一个共通的原理：太阳光激发半导体电池内的PN结产生光电效应，电极收集载流子形成电流发电。其中，PERC、TOPCon、HJT等电池的正负金属电极分别位于电池的正面和背面，而位于正面的电极存在金属遮挡，约5%的太阳光不能充分被电池吸收和利用。金属遮挡的存在，直接限制了上述技术路线的转换效率空间。
为了消除这种结构上的缺陷，尽可能多地利用每一缕阳光，BC电池应运而生。正如ABC（All Back Contact）技术的字面描述，ABC电池的p区和n区均设置在电池背面，正面无需设置发射极或表面场，电池正面金属栅线遮挡损失降到0%，从而实现全面积受光和全硅发电，使得BC电池相较传统的前后表面都有栅线的电池的转换效率显著提升。
说起来简单，把全部金属接触都转移至电池背面的操作并不容易。BC电池正、负电极均位于背面，需要在密集的电极排布中将正、负电极区隔开来，避免漏电；将金属接触全部置于背面后，背面图形化难度陡升，传统的掩膜光刻工序复杂、成本高、良率低，无法适应大规模生产……电池结构的变化，既开辟了效率提升的空间，也提高了电池研发及生产制造的门槛，这也是为何长期以来BC技术未能实现规模化量产，一度被视作单结晶硅电池“待摘的明珠”。
最为接近单结晶硅极限转换效率的路线，注定了只有追求极限才能突破工艺技术难关。最终在 BC技术中首先实现GW级量产的N型ABC，几乎集成了各种工艺的极致：背面PN区高低差隔离设计，消除PN区直接接触带来的漏电影响；高质量复合介质薄膜钝化，最大程度减少载流子的复合损失；超快激光图形化技术，通过飞秒、皮秒、亚皮秒超快激光一步法完成加工，实现了低成本、高产能和高良率的规模量产……
由此可见，类似“BC只是改变了电池结构，算不上一代新技术”的论调，只是放大了BC作为一种平台技术可以与TOPCon、HJT等叠加的特点，并选择性无视了N型ABC在工艺技术方面的创新与突破；而正是这种创新与突破，让看似简单却门槛极高的电池结构设计从理论成为现实。
某国内光伏企业负责人曾表示，主流光伏电池技术的迭代核心就是钝化技术。而N型ABC便是目前最彻底地实现双面钝化的光伏电池技术路线，在光伏技术追求稳定钝化技术的道路上保持领先。
光伏电池对于钝化的重视，基于光电转换这一过程存在多种转换效率损失。能量太过大于或小于光伏电池吸收层禁带宽度的光子无法有效利用；光伏电池的电流来源于光生载流子（电子、空穴）的分离和收集，但电池材料的缺陷、杂质会形成复合中心，促使电子与空穴以各种形式复合，能够收集利用的电流会相应减少。吸收层禁带宽度由材料性质决定，改良手段有限；通过钝化等工艺减少材料中的复合中心，剥夺电子-空穴复合的机会，从而降低载流子复合造成的电流损失、提升光电转换效率，成为光伏技术革新历程的“主旋律”。
而根据钝化技术的应用情况，光伏电池的技术演变可以分为三个阶段，即：未钝化发射极、钝化发射极、钝化接触。
第一阶段的代表技术铝背场（Al-BSF）电池，其背面铝电极与硅衬底整面接触，金属铝与硅基体在界面处会产生大量复合，严重影响载流子的收集。PERC电池的出现，将光伏电池技术带入第二阶段。PERC电池在电池背表面沉积Al2O3/SiNx叠层钝化膜，对硅片进行场效应钝化与化学钝化，显著减少了背面大多数区域的复合，提高了电池开路电压和长波光谱响应，提升了电池效率，也由此开启了PERC为代表的P型电池时代。
PERC电池使用的是P型单晶硅片，随着制备工艺上的制约被逐渐突破，N型单晶硅片凭借更高的少子寿命、更高的金属污染容忍度以及不受硼氧复合对相关的光致衰减（LID）影响等特性，逐渐代替P型硅片成为行业“新宠”，并催生了单面N型TOPCon技术。
除了由P转N，TOPCon技术还在电池背面引入了具备第三阶段特征的钝化接触结构，使金属电极与硅衬底分离，降低了背表面与金属材料间的复合，实现了效率的提升；然而，其电池正面仍沿用第二阶段的扩散发射极，发射极与硅基体之间产生的复合仍旧难以消除，这也使得TOPCon技术止步于“2.5阶段”。
为了迈入真正应用全钝化接触技术的第三阶段，光伏行业又诞生了以正背面非晶硅钝化的异质结（HJT）技术、将异质结与BC结合的HBC技术、将TOPCon与BC结合的TBC技术等。BC结构的应用，为电池表面钝化工艺提供了新的选择，然而，非晶硅的寄生吸收效应会减少电池对入射光的有效吸收，限制了HJT与HBC的理论效率；TBC的多项量产工艺则有待进一步优化……
经过多年持续的研发攻关与工艺突破，N型ABC通过集成多种钝化技术，实现了硅基体全钝化与全背钝化接触，并凭借正面无遮挡的天然优势，在正面沉积高质量多层复合介质薄膜，将表面复合降至最低；独创的金属化涂布技术，同步解决了高温浆料带来的接触不良与界面复合高的问题。
由于以多种手段降低了复合带来的效率损失，N型ABC电池的效率极限相较目前只实现了单极钝化接触的TOPCon要高出1.2到2个百分点。N型ABC凭借更彻底的钝化技术，成为光伏电池技术变革的标杆。
梳理上述工艺技术演变路径可以发现，光伏行业对技术升级的需求，本质上是对更高转换效率的追求。为什么效率如此重要？
假设人类社会可以生产无限多的光伏组件来接收太阳能，即便组件转化效率很低，终究可以靠足够多的光伏组件来满足电力需求。但现实情况是，可以安装光伏组件的土地、屋顶、阳台面积都有限度，电池、组件生产也需要消耗资源……
如何在有限的资源条件下，尽可能多地接收太阳能、尽可能多地将接收的太阳能转换为电能，提高资源利用效率、推动可持续发展，这既是光伏发电技术的“第一性原理”，也是光伏发电行业的“底色”与“初心”。
正是凭着对更高效率的追求，有的企业在多晶硅占据绝对市场优势的情况下，坚决转向了制备难度更大但转换效率更高的单晶硅；有的企业在自身引领P型电池时代的同时，义无反顾地投入代表更高转换效率的N型电池与组件的研发创新。无论是多晶硅还是P型电池，一度都曾是光伏市场的绝对“主流”，但在技术变革到来之际，曾经的“主流”光环在更高转换效率的路径面前总是黯然失色、快速退出。
追求更高光伏转换效率，不仅是光伏技术内在的逻辑，更是光伏市场一次又一次的坚定选择。而纵览能够走出实验室、接受市场检验的各类光伏技术，N型ABC组件至今已连续18个月保持组件量产效率第一，组件量产效率达到24.2%，是单结晶硅时代当之无愧的“效率之王”。
光伏电池走过70年发展历程，“光”海沉浮中一个又一个新技术高高跃起又没入天际，你方唱罢我登台，没有人敢停下创新的脚步，各家光伏企业竞相追逐的结果，是无法阻挡的光伏技术升级迭代，是光伏电池转换效率的不断攀升。拥抱进步、持续逼近太阳能利用的极限，既是整个光伏行业的使命，更是实现清洁能源转型、推动人类社会可持续发展的必然追求。
或许有一天，会有更高效的太阳能利用形式突破理论极限、取代单结晶硅，而真正的技术引领者，绝不甘于伏在昔日的“王冠”上为过往功绩感慨流连，只会坚定地面朝向代表更高效率的未来，“踏平坎坷成大道，斗罢艰险又出发”。
常被认为“小众”“只适合做分布式”的BC组件得以打入集中式市场，离不开自身技术与产品的日臻成熟：BC技术已从实验室里的“奢侈品”成为量产效率的冠军。曾经引领过光伏行业时代变革的爱旭、隆基，已先后转向BC技术路线；目前占据大块光伏市场份额的TOPCon头部厂商，无一不在进行BC技术储备与追赶。凭借受光面积更大的电池结构设计、更加彻底的钝化工艺、行业领先的量产效率，爱旭N型ABC技术俨然已成为单结晶硅技术变革的引领者。
“ABC”——追求极致的决心
单结晶硅电池技术路线繁多，但都遵循一个共通的原理：太阳光激发半导体电池内的PN结产生光电效应，电极收集载流子形成电流发电。其中，PERC、TOPCon、HJT等电池的正负金属电极分别位于电池的正面和背面，而位于正面的电极存在金属遮挡，约5%的太阳光不能充分被电池吸收和利用。金属遮挡的存在，直接限制了上述技术路线的转换效率空间。
为了消除这种结构上的缺陷，尽可能多地利用每一缕阳光，BC电池应运而生。正如ABC（All Back Contact）技术的字面描述，ABC电池的p区和n区均设置在电池背面，正面无需设置发射极或表面场，电池正面金属栅线遮挡损失降到0%，从而实现全面积受光和全硅发电，使得BC电池相较传统的前后表面都有栅线的电池的转换效率显著提升。
说起来简单，把全部金属接触都转移至电池背面的操作并不容易。BC电池正、负电极均位于背面，需要在密集的电极排布中将正、负电极区隔开来，避免漏电；将金属接触全部置于背面后，背面图形化难度陡升，传统的掩膜光刻工序复杂、成本高、良率低，无法适应大规模生产……电池结构的变化，既开辟了效率提升的空间，也提高了电池研发及生产制造的门槛，这也是为何长期以来BC技术未能实现规模化量产，一度被视作单结晶硅电池“待摘的明珠”。
最为接近单结晶硅极限转换效率的路线，注定了只有追求极限才能突破工艺技术难关。最终在 BC技术中首先实现GW级量产的N型ABC，几乎集成了各种工艺的极致：背面PN区高低差隔离设计，消除PN区直接接触带来的漏电影响；高质量复合介质薄膜钝化，最大程度减少载流子的复合损失；超快激光图形化技术，通过飞秒、皮秒、亚皮秒超快激光一步法完成加工，实现了低成本、高产能和高良率的规模量产……
由此可见，类似“BC只是改变了电池结构，算不上一代新技术”的论调，只是放大了BC作为一种平台技术可以与TOPCon、HJT等叠加的特点，并选择性无视了N型ABC在工艺技术方面的创新与突破；而正是这种创新与突破，让看似简单却门槛极高的电池结构设计从理论成为现实。
减少复合——技术迭代的核心
某国内光伏企业负责人曾表示，主流光伏电池技术的迭代核心就是钝化技术。而N型ABC便是目前最彻底地实现双面钝化的光伏电池技术路线，在光伏技术追求稳定钝化技术的道路上保持领先。
光伏电池对于钝化的重视，基于光电转换这一过程存在多种转换效率损失。能量太过大于或小于光伏电池吸收层禁带宽度的光子无法有效利用；光伏电池的电流来源于光生载流子（电子、空穴）的分离和收集，但电池材料的缺陷、杂质会形成复合中心，促使电子与空穴以各种形式复合，能够收集利用的电流会相应减少。吸收层禁带宽度由材料性质决定，改良手段有限；通过钝化等工艺减少材料中的复合中心，剥夺电子-空穴复合的机会，从而降低载流子复合造成的电流损失、提升光电转换效率，成为光伏技术革新历程的“主旋律”。
而根据钝化技术的应用情况，光伏电池的技术演变可以分为三个阶段，即：未钝化发射极、钝化发射极、钝化接触。
第一阶段的代表技术铝背场（Al-BSF）电池，其背面铝电极与硅衬底整面接触，金属铝与硅基体在界面处会产生大量复合，严重影响载流子的收集。PERC电池的出现，将光伏电池技术带入第二阶段。PERC电池在电池背表面沉积Al2O3/SiNx叠层钝化膜，对硅片进行场效应钝化与化学钝化，显著减少了背面大多数区域的复合，提高了电池开路电压和长波光谱响应，提升了电池效率，也由此开启了PERC为代表的P型电池时代。
PERC电池使用的是P型单晶硅片，随着制备工艺上的制约被逐渐突破，N型单晶硅片凭借更高的少子寿命、更高的金属污染容忍度以及不受硼氧复合对相关的光致衰减（LID）影响等特性，逐渐代替P型硅片成为行业“新宠”，并催生了单面N型TOPCon技术。
除了由P转N，TOPCon技术还在电池背面引入了具备第三阶段特征的钝化接触结构，使金属电极与硅衬底分离，降低了背表面与金属材料间的复合，实现了效率的提升；然而，其电池正面仍沿用第二阶段的扩散发射极，发射极与硅基体之间产生的复合仍旧难以消除，这也使得TOPCon技术止步于“2.5阶段”。
为了迈入真正应用全钝化接触技术的第三阶段，光伏行业又诞生了以正背面非晶硅钝化的异质结（HJT）技术、将异质结与BC结合的HBC技术、将TOPCon与BC结合的TBC技术等。BC结构的应用，为电池表面钝化工艺提供了新的选择，然而，非晶硅的寄生吸收效应会减少电池对入射光的有效吸收，限制了HJT与HBC的理论效率；TBC的多项量产工艺则有待进一步优化……
经过多年持续的研发攻关与工艺突破，N型ABC通过集成多种钝化技术，实现了硅基体全钝化与全背钝化接触，并凭借正面无遮挡的天然优势，在正面沉积高质量多层复合介质薄膜，将表面复合降至最低；独创的金属化涂布技术，同步解决了高温浆料带来的接触不良与界面复合高的问题。
由于以多种手段降低了复合带来的效率损失，N型ABC电池的效率极限相较目前只实现了单极钝化接触的TOPCon要高出1.2到2个百分点。N型ABC凭借更彻底的钝化技术，成为光伏电池技术变革的标杆。
转换效率——光伏发电的初心
梳理上述工艺技术演变路径可以发现，光伏行业对技术升级的需求，本质上是对更高转换效率的追求。为什么效率如此重要？
假设人类社会可以生产无限多的光伏组件来接收太阳能，即便组件转化效率很低，终究可以靠足够多的光伏组件来满足电力需求。但现实情况是，可以安装光伏组件的土地、屋顶、阳台面积都有限度，电池、组件生产也需要消耗资源……
如何在有限的资源条件下，尽可能多地接收太阳能、尽可能多地将接收的太阳能转换为电能，提高资源利用效率、推动可持续发展，这既是光伏发电技术的“第一性原理”，也是光伏发电行业的“底色”与“初心”。
正是凭着对更高效率的追求，有的企业在多晶硅占据绝对市场优势的情况下，坚决转向了制备难度更大但转换效率更高的单晶硅；有的企业在自身引领P型电池时代的同时，义无反顾地投入代表更高转换效率的N型电池与组件的研发创新。无论是多晶硅还是P型电池，一度都曾是光伏市场的绝对“主流”，但在技术变革到来之际，曾经的“主流”光环在更高转换效率的路径面前总是黯然失色、快速退出。
追求更高光伏转换效率，不仅是光伏技术内在的逻辑，更是光伏市场一次又一次的坚定选择。而纵览能够走出实验室、接受市场检验的各类光伏技术，N型ABC组件至今已连续18个月保持组件量产效率第一，组件量产效率达到24.2%，是单结晶硅时代当之无愧的“效率之王”。
光伏电池走过70年发展历程，“光”海沉浮中一个又一个新技术高高跃起又没入天际，你方唱罢我登台，没有人敢停下创新的脚步，各家光伏企业竞相追逐的结果，是无法阻挡的光伏技术升级迭代，是光伏电池转换效率的不断攀升。拥抱进步、持续逼近太阳能利用的极限，既是整个光伏行业的使命，更是实现清洁能源转型、推动人类社会可持续发展的必然追求。
或许有一天，会有更高效的太阳能利用形式突破理论极限、取代单结晶硅，而真正的技术引领者，绝不甘于伏在昔日的“王冠”上为过往功绩感慨流连，只会坚定地面朝向代表更高效率的未来，“踏平坎坷成大道，斗罢艰险又出发”。