XBC电池行业专题报告：或成未来主流技术激光应用场景更加丰富

XBC电池行业专题报告：或成未来主流技术，激光应用场景更加丰富转换效率领先且工艺升级窗口明显，龙头规模扩产有望成为未来主流技术发射极、电极均在背面，特殊电池结构赋予其效率优势IBC电池又称为全背电极接触晶硅太阳能电池，1975年由Schwartz和Lammert提出。在电池结构上，IBC电池与PERC、TOPCon等常规晶硅电池差异明显，PERC、TOPCon电池的正面存在电极，同时，电池的发射极也位于衬底硅片的正表面，与衬底共同形成电池的PN结。对于IBC电池而言，其最大不同点在于，电池的发射极和电极均处于电池的背面，具体到电池结构上，以N型IBC电池为例，其在N型硅片正面掺磷形成N+的前表面场（FSF），在硅片背面的部分区域掺磷形成N+背场（BSF），部分区域掺硼形成P+区发射极。同时，在电池前表面场之上，再沉积SiO2钝化层，以及SiNx减反射层；在电池背表面，沉积一层氧化物钝化层。最后，对应IBC电池背面的P+发射极和N+背场区域，分别对应制作金属电极（P）和金属电极(N)。在衬底硅片的选择上，IBC电池的衬底硅片既可以是P型硅片，也可以是N型硅片。选用不同类型的衬底硅片后，其在电池的掺杂上会有所不同。如果选用N型硅片，则在电池背面一定区域硼掺杂形成P+发射极，前表面场（FSF）和N+背场（BSF）则进行磷掺杂。如果选用P型硅片，则电池背面一定区域进行磷掺杂形成N+发射极，一定区域进行硼掺杂形成P+背场（BSF）。相对P型硅片，N型硅片具有少子寿命高、无光衰、弱光性能好等优点，但P型硅片在成本端具备优势。同时，IBC电池对衬底硅片的质量要求较高。从IBC电池的结构来看，由于其PN结的位置处于电池背面，而光生载流子主要是在电池的前表面产生，其需要穿过硅片的厚度到达背面发射极。为了减少期间光生载流子的复合，就需要衬底具有较长的少子扩散长度，因此制备高效IBC电池需要采用高质量的单晶硅片。转换效率领先且工艺升级空间大，有望成为未来主流电池技术路线目前，IBC电池转换效率领先TOPCon、HJT等其他晶硅电池记录，SunPower目前量产平均效率达到25%左右，最新一代电池技术效率已经超过25%。从IBC电池的发展历程来看，Schwartz和Lammert于1975年首次提出背接触式光伏电池概念，经过近40年的研究发展，其转换效率已经超过其他单结晶硅太阳电池。SunPower在IBC电池的进展中起到重要作用，1997年，SunPower公司和斯坦福大学开发的IBC电池，在1个光照下得到23.2%的转换效率；2004年，SunPower公司采用点接触和丝网印刷技术研发出第一代大面积(149cm2)的IBC电池，转换效率达到21.5%；2007年通过工艺优化和改进，研发出可量产的平均效率22.4%的第二代IBC电池；2014年，SunPower在N型CZ硅片上制备的第三代IBC太阳电池，最高效率达到25.2%。根据SunPower最新披露信息来看，目前公司IBC电池平均效率达到25%左右，其最新推出的IBC电池，吸收了TOPCon电池钝化接触的技术优点，并采用铜电极工艺，从电池结构来看，量产工艺经过简化，成本在可接受范围，转换效率可以达到26%左右。同时，SunPower也是最早实现量产IBC电池的公司，2014年SunPower已建成年产能1.2GW的IBC电池，包括年产能100MW的第三代高效IBC电池生产线，该产线生产的电池平均效率达到23.62%。兼收并蓄，IBC电池具备优异的工艺叠加能力，可与TOPCon、HJT和钙钛矿等技术有机结合，进一步提升电池转换效率，XBC未来有望成为下一代主流技术选择。IBC电池具有较高的技术升级潜力，除了以SunPower公司为代表的经典IBC电池工艺外，目前，基于IBC电池结构衍生的新型高效电池“XBC”，其技术路径主要包括：与TOPcon电池技术进行结合，形成TBC或者POLO-IBC电池，但由于POLOIBC工艺复杂，产业内推进较快的为成本较低、技术同源的TBC电池工艺；与HJT电池技术有机结合，形成HBC电池；HBC电池具备更高的转换效率，而且在组件端相同条件下发电量更高，兼具IBC和HJT的优点；作为底电池制备叠层电池，形成PSCIBC叠层电池。钙钛矿电池与IBC太阳电池结合制备的叠层电池能够实现吸收光谱互补,通过提高太阳光谱的利用率来提IBC电池的光电转换效率。钙钛矿晶硅叠层电池理论效率达30%以上，从而成为突破晶硅太阳电池光电转化效率理论极限(29.4%)的研究热点。从效率数据来看，升级后的“XBC”电池能够实现更高的转换效率。2018年德国哈梅林太阳能研究所（ISFH）采用区熔(FZ)法制备的p型单晶硅片将POLO技术应用在IBC太阳电池上进行钝化,在4cm2电池面积上实现了26.1%的POLO-IBC太阳电池光电转换效率。而截至目前，HBC电池代表着晶硅太阳电池的最高效率水平，2017年Kaneka通过优化串联电阻和欧姆接触性能将HBC电池效率提高至26.63%。龙头隆基、爱旭领先布局，开启XBC规模化扩产序幕降本提效是光伏行业发展的核心驱动和永恒话题，推动电池技术的更迭。太阳能电池作为太阳能转化成电能的基本单元，直接决定光伏系统的光电转换效率，对电站收益率有重大影响。21世纪以来，光伏电池市场主要以技术更成熟的晶硅电池为主。对于晶硅电池，提升光电转换效率的主要路径，就是对技术的优化与迭代。2022年新技术电池将成为扩产主流技术，开启新一轮电池技术扩产周期。目前，光伏行业技术迭代、降本提效最为集中的环节便在于电池片环节，对于电池片而言，目前其技术迭代呈现两个明显趋势，一是电池技术由P型PERC电池转向提效空间更高的新技术电池趋势明确，从目前对下游电池企业扩产的梳理来看，22年电池扩产将主要以新技术为主，预计2022年传统PERC电池扩产接近尾声，而新技术电池扩产占比或超70%；第二，在具体技术路线的选择上，呈现XBC、TOPCon和HJT并存的格局，并以目前综合性价比更高的XBC、TOPCon为主。上一轮电池技术周期，是PERC电池对BSF电池的替代，当前时点类似于2017-2018年由PERC电池开启的电池快速产能扩张周期。2017-2019年随着成本持续下降，PERC电池逐步进入爆发式产能扩张的时间窗口，市场份额从2017年的15%提升到2019年的65%。在上一轮PREC电池替代周期中，其对产业的影响在于：1）使着力布局PERC产业化的企业获得了显著的超额收益；2）具备成本优势的企业在面对产业技术全面转型时更有动力加速扩张，一定程度上影响了行业格局的演变。对于设备端而言，伴随上一轮PERC电池的扩产，设备企业订单规模大幅增长，同时，新产品也推动了设备企业盈利能力的明显提升。目前，行业进入了新一轮的电池新技术扩产周期，有望重现上一轮PERC时代的大规模扩产，同时，设备端得益新技术投资额更高需求弹性明显。在新技术电池技术路线中，目前产业化推进的技术主要是TOPCon、XBC和HJT三种，不同电池技术格局特点，在转换效率、电池成本、工艺复杂性及与存量产线的兼容性等方面均有所不同。转换效率来看，三种N型电池技术均能够实现24%以上的量产效率，IBC电池效率更高，且能够分别与TOPCon、HJT电池技术进行结合，升级成为转换效率更高的TBC、HBC电池；成本端对比来看，目前，三种电池技术的单W成本仍高于PERC，相较而言，TOPCon的单W成本低于HJT；从工艺复杂度来看，XBC>TOPCon（12-13道）>PERC（8-10道）>HJT（4-6道）；从与PERC产线的兼容性来看，TOPCon（可基于PERC升级）>XBC(部分兼容）>HJT（完全不兼容），TOPCon可基于现有PERC产线升级。整体来看，目前TOPCon、XBC和HJT各具特点，在转换效率方面尚未拉开明显差距，均可以实现24%以上的量产效率，但XBC电池目前效率数据高于TOPCon和HJT。主要差异体现在成本、工艺复杂度和产线兼容性等方面。综合来看，目前在新技术路线中，短期XBC、TOPCon电池综合性价比相对更优，中短期扩产规模也超过HJT。以隆基、爱旭等为首的龙头率先开启XBC电池扩产，22年XBC电池成为主流扩产路线之一，扩产幅度大增。从量产进程来看，国际上IBC技术比较成熟的量产公司主要是SunPower和LG，其中，SunPower研发IBC技术较为成熟，14年已经建成年产能1.2GW的产线，最早实现IBC电池量产。同时，国内部分公司也在持续推进IBC电池的研发和布局，天合光能在2017年5月自主研发的大面积6英寸N型单晶硅IBC电池效率达到24.13%；2018年2月效率进一步提高到25.04%，并经过日本电气安全与环境技术实验室（JET）独立测试认证。中来光电2018年底通过对n-PERT电池线改造升级实现了IBC电池的批量生产，年产能约150MW，平均效率约22.8%；2018年国家电投黄河公司建设国内第一条200MWN型IBC电池产线，2021年6月宣布IBC电池及组件生产平均效率突破24%。但整体而言，由于IBC电池技术难度和设备投资成本较高，此前国内大部分公司仍停留在小规模研发阶段，尚未大规模量产。伴随技术逐步成熟，以隆基、爱旭为代表的龙头厂商率先开启XBC电池规模化扩产。1）隆基股份：目前在各种技术路线上均有布局，但最先明确的是差异化的HPBC路线。在产能规模上看，隆基新技术电池产能在建及规划规模已达64GW，其中最先落地的泰州4GW产能预计于2022年8月投产，或采用TOPCon与IBC思路上相结合的HPBC路线，该项目投资额约12亿元，折合投资成本约为3亿元/GW。新产能落地值得期待。2）爱旭股份：2021年4月发布非公开发行A股股票和签订投资协议公告，公司在IBC、HBC和叠层电池的量产技术领域取得了显著的研究成果，拟投资珠海年产6.5GW（一期）和义乌年产10GW新世代高效太阳能电池项目；2022年5月发布非公开发行股票预案（修订稿），拟定增募资16.50亿元，投资珠海年产6.5GW新世代高效晶硅电池建设项目，新技术电池项目提上日程。工艺流程较为复杂，关键工艺在于背面定域掺杂及金属电极经典IBC：部分与PERC相同，新增加多道重要工艺XBC电池的制造工艺流程与其电池结构紧密相关。首先，我们来看经典IBC电池的结构，以N型IBC电池为例，其在衬底硅片的正表面，通过掺磷等元素形成N+前表面场

（FSF），在硅片背面的一定区域掺硼形成P+区发射极，和N型硅片衬底共同构成电池PN结，同时，在硅片背面一定区域掺磷形成N+背场（BSF），以此形成高低结；之后，在硅片正面的N+前表面场上，再沉积SiO2钝化层，以及SiNx减反射层，同时，在电池背面的P+和N+层之上，再沉积一层氧化物钝化层；最后是金属电极的制作，需要对应电池背面的P+和N+区域，分别对应制作金属电极（P）和金属电极(N)。对比PERC、TOPCon等其他晶硅电池的结构和制造工艺，IBC电池的核心工艺流程及难点主要在于，如何在电池背面制备出呈叉指状间隔排列的P区和N区，以及在其上面分别对应形成金属化接触。1）电池背面定域掺杂，形成间隔排列的P+区和N+区。对于普通晶硅电池，以PERC为例，其是在P型硅片正面通过磷扩散形成N+发射极，与硅片基底形成PN结；TOPCon电池则是在N型硅片正面进行硼扩散形成P+发射极。而由于特殊的电池结构，XBC电池则需要在硅片背面分别形成掺硼的P+区和掺磷的N+区，并且为了避免漏电，P+区和N+区之间需要分隔开，形成Gap区域。在XBC电池的工艺优化中,叉指状的P+和N+区结构是影响电池性能的关键，因此，XBC电池制作的关键工艺之一就在于如何实现电池背面的定域掺杂。并且，无论是经典IBC电池，或是TBC、HBC等“XBC”形式的升级技术，虽然具体电池结构存在差别，但背面定域掺杂均是最关键的工艺。另外，在XBC电池背面定域掺杂的时候，P+发射极宽度、N+背场宽和二者之间的间隙隔离层会对电池电性能造成较大影响。根据相关文献研究结果，较宽的N+背场和Gap区域会导致转换效率降低，原因在于，较宽的N+背场（BSF）会使得少数载流子从BSF区传输到发射区的横向平均距离增大，进而提高了扩散过程中的复合损失，因此，N+背场宽度应尽量窄小；同时，P+区和N+区之间的Gap区域应尽可能窄，且表面应具有良好的钝化效果才可避免少数载流子的复合，太宽可能会导致背接触电池的有效面积被浪费，有效载流子也难以被收集，从而降低电池性能。但Gap区域的宽度受制备工艺的技术可实现性限制，过窄的宽度设计会提高工艺技术瓶颈和增加过程控制难度。XBC电池需要在背面分别进行硼和磷的局域扩散，其实现工艺较多，结合主要光伏企业申请专利情况，目前产业推进的常见定域掺杂方法主要是掩膜法，再结合光刻、丝网印刷刻蚀浆料、激光刻蚀或者离子注入等方法来形成定域掺杂的图形。具体来看：通过光刻技术在掩膜上形成需要的图形，随后再进行扩散掺杂，但光刻法的成本较高，不适合规模化生产；

印刷法，通过丝网印刷刻蚀浆料或者阻挡型浆料来刻蚀或者遮挡住不需要刻蚀的部分掩膜，从而形成需要的图形。这种方法在制作步骤中涉及多次掩膜、腐蚀，制程复杂，同时，丝网印刷本身也存在对准精度不够、多次印刷问题等局限，从而给电池结构设计带来了挑战，较小的P-N间距和金属接触面积能带来电池效率的提升，因此，丝网印刷需要在工艺重复可靠性和电池效率之间找到平衡；

激光，可有效解决丝网印刷过程中的局限，无论是间接刻蚀掩膜（利用激光的高能量使局部固体硅升华成为气相，从而使附着在该部分硅上的薄膜脱落），还是直接刻蚀（如SiNx吸收紫外激光能量而被刻蚀），激光都可以得到比丝网印刷更为精细的结构，更细微的金属接触开孔和更多样的图案设计；结合产业推进以及龙头企业XBC电池扩产中的选择来看，目前，激光成为主要的选择方法。离子注入方式，优点是可以精确地控制掺杂浓度，通过掩膜可以形成选择性的离子注入掺杂。同时，离子注入后，还需要进行一步高温退火过程来将杂质激活并推进到硅片内部，并且还需要修复离子注入造成的硅片表面晶格损伤。离子注入具有控制精度高、扩散均匀性好等特点，但设备昂贵，易造成晶格损伤，在光伏行业中实际应用较少。2）XBC电池的另一关键工艺在于背面金属化栅线的制作。XBC电池背面电极的设计，不仅影响着电池性能，还直接决定了IBC组件的制作工艺。XBC电池的电极都在背面，由于不需要考虑遮光，所以可以更灵活的设计栅线，降低串联电阻。但为了减少金属接触区域的复合，XBC电池在金属化之前一般要打开接触孔/线，以此来减少金属接触区的复合。另外，为了防止漏电，N和P的金属电极接触孔需要与各自的扩散区对准。在打开接触孔/线的时候，通常采用激光开槽、丝网印刷刻蚀浆料、湿法刻蚀等方法来将接触区的钝化膜去除，形成接触区。在金属电极的制作方法上，可以采用丝网印刷、激光转印、电镀等多种技术。相对传统晶硅电池生产流程，XBC电池的工艺流程较为复杂。对于经典IBC电池的工艺流程来看，其工序步骤有部分与PERC兼容，但同时又增加了硼扩散、镀氮化硅层、镀掩膜、激光开槽等工序，并增加了清洗的步骤。TBC电池：与TOPCon有机结合，工艺流程部分与TOPCon兼容TBC电池是将TOPCon的背面钝化接触技术与IBC相结合，对传统IBC电池的背面进行优化设计。从电池结构来看，TOPCon电池最大的特点是，在电池背面制备一层超薄隧穿氧化层和掺杂非晶硅层，二者共同构成背面钝化接触结构；经典IBC电池的最大特点则是，在电池背面形成间隔排列的P+和N+区域作为发射极和背场（BSF），且电极也全面转移到背面。TBC电池将二者的结构优势进行了有机结合，即在硅片背面沉积一层超薄隧穿氧化层SiO2，并制作间隔排列的P+和N+的POLY-Si作为发射极和背场

（BSF），硅片正面沉积前表面场，钝化层和减反射层，背面沉积钝化层，在背面再分别对准P+和N+区域制作对应P和N的金属电极。TBC的电池结构使其具有更低的复合，更好的接触，从而获得更高的转化效率。2018年德国哈梅林太阳能研究所（ISFH）制作的POLO-IBC电池获得了26.1%的光电转换效率。TBC电池工艺步骤部分与TOPCon兼容。TBC电池结合了TOPCon的背面钝化接触和IBC的背面叉指状排列P+和N+区，以及正面无栅线的特点，基于其二者结合后的电池结构，TBC电池工艺流程的重点在于几个方面，背面隧穿氧化层的沉积，背面间隔排列的P+和N+的POLY-Si的沉积，以及背面金属电极的制作。而在TOPCon电池的制作中，其背面隧穿氧化层和掺杂非晶硅层的制作，主要是通过LPCVD、PECVD、PVD等方法进行沉积，TBC电池在隧穿层和P+和N+区沉积的时候，有部分工序也与TOPCon电池相同，存在部分兼容。主要差异体现在如何实现背面的局域掺杂，以及背面金属电极的制作。具体工艺流程方面，结合目前隆基乐叶、金石能源、韩华新能源、普乐新能源、国家电投等公布的发明专利申请来看，常见的TBC电池的工艺流程如下：1）对基底硅片进行去损伤、制绒、清洗和背抛光处理；2）在硅片背面沉积隧穿氧化层，以及隧穿层上的硼掺杂的P+polySi层，沉积工艺可以采用PECVD原位掺杂、LPCVD或者PVD等；3）沉积氧化物掩膜层，再利用激光开槽等方式去除N+区域和Gap区域覆盖的掩膜层以及此前沉积的P+层，再沉积磷掺杂的N+polySi层。在沉积P+和N+polySi环节中，由于需要二者是间隔排列的，会涉及多次沉积掩膜层和激光开槽等刻蚀工艺的应用；4）前表面沉积AIOx钝化层&SiNx减反射层，以及背面SiNx层；5）利用激光开槽等方式进行P+和N+区域的金属接触开孔，并进行对应区域的电极制作，电极制作方法可以选择激光转印、丝网印刷、电镀等。HBC：与HJT有机结合，工艺流程部分与HJT相同HBC电池是异质结(HJT)电池与背接触(IBC)电池的有机结合，既利用了HJT电池结构非晶硅优越的表面钝化性能，同时也借鉴了IBC电池结构正面无金属遮挡的优点，兼具二者电池的结构优势。同时，HJT电池的低温制备工艺还可以避免传统电池的高温制备过程对硅片造成的形变和热损伤。从HBC电池结构来看，基于N型硅片衬底，其在硅片正面依次沉积氢化非晶硅（a-Si:H）作为前表面钝化层，并采用SiNx减反射层取代透明的TCO导电膜，光学损失更少、成本更低；在硅片背面，依次沉积氢化非晶硅（a-Si:H）背钝化层，以及钝化层上呈叉指状分布的p-a-Si∶H层和n-a-Si∶H层，分别作为发射极和背场BSF，发射极和BSF二者间隙隔离。同时，在发射极和BSF上再沉积透明导电薄膜，并制作对应的金属接触电极。HBC电池将结合了HJT与IBC两种高效电池技术的优势于一体，转换效率优势明显，而且在组件端相同条件下发电量更高，自2014年以来一直占据着晶硅太阳电池最高转换效率纪录的位置。2016年日本Kaneka公司宣布在面积为180cm2订单HBC电池结构上实现了世界最高转换效率26.33%；紧接着在2017年8月，Kaneka又将该记录提高至26.63%，这也是目前晶硅太阳能电池研发效率的最高水平和记录。HBC电池工艺步骤部分与HJT相同。HBC电池结合了HJT和IBC电池结构的特点，基于其二者结合后的电池结构，HBC电池有部分工序也与HJT电池相同，存在部分兼容。从HJT电池的制作流程看，其核心制造工序主要为清洗制绒、非晶硅薄膜沉积、TCO膜沉积和电极金属化4道工序。与HJT电池工序流程相比，HBC电池工艺流程的差异主要体现在如何实现背面的局域掺杂，以及背面金属电极的制作。具体工艺流程来看，结合国家电投、金石能源、爱旭股份等公司的发明专利申请来看，HBC电池的关键工艺在于制备电池背面叉指状排列的掺硼和掺磷氢化非晶硅区域，类似TBC电池，因此也会涉及到掩膜、开槽、沉积、刻蚀等多道工艺的交替应用。整体来看，XBC电池的工艺流程在晶硅电池中最为复杂，在技术升级为TBC、HBC电池之后，工艺步骤较经典IBC电池进一步增加。以HBC电池为例，其不仅需要解决HJT技术存在的TCO靶材和低温银浆成本高等问题，还需要解决IBC电池电极隔离（正负电极都位于背面）、工艺流程复杂及工艺窗口窄等问题。从设备投资成本看，对比不同电池技术路线，目前TOPCon电池设备投资额约2亿元/GW左右，经典IBC电池约3亿元/GW左右，HJT电池约4.0-4.5亿元/GW，而TBC、HBC电池作为升级技术，因为增加了工序步骤及对应设备，单GW设备投资相对较高。激光在XBC电池中应用场景更加丰富，涉及开槽、掺杂、转印、氧化等多种工艺结合激光在光伏行业的应用来看，激光主要应用于电池片、组件环节。其中，在电池片环节的应用包括开槽、掺杂、打孔、刻蚀、退火等多种工艺；组件端包括划片、串焊等应用。对于光伏高效电池的生产制备，其光电转换效率提升的关键在于控制光学损失和电学损失，激光具有快速、准确、零接触以及良好的热效应等优势，可以极大避免太阳能电池制造过程中的损耗，从而提升光电转换效率，同时还能降低生产成本。激光技术在PERC、TOPCon、IBC和HJT电池当中，均已经有多种激光技术的应用。具体到XBC电池，由于XBC电池工艺路线比较复杂，需要在电池背面制备叉指状排列的掺硼P+区域和掺磷N+区域，工艺过程中需要结合掩膜、激光开槽、刻蚀等多种工艺交替应用，最后还需要制作对应的电极。因此，从XBC电池的电池结构及工艺流程来看，XBC电池为激光技术的应用提供了更丰富的应用场景和机会，结合各光伏企业的专利申请来看，激光在XBC电池中的应用包括激光开槽、激光刻蚀、激光热氧化、激光掺杂及激光转印，另外，在HBC电池中还可以使用激光对N+掺杂非晶硅层进行激光处理，使得局域N+薄膜晶化或者晶化度提高。具体来看，激光在XBC电池中的应用潜力如下：2、激光辐照，形成氧化物掩膜层（激光氧化工艺）。根据隆基乐叶申请日为2021年9月30日提交的发明专利申请（申请公布号：CN113921626A），公司提出了在制备XBC电池过程中，通过两步激光氧化工艺来分别形成P+和N+特定掺杂区域的氧化物掩膜层。具体方法来看，在含氧气氛环境下，通用激光直接对P+和N+的特定区域进行激光辐照，从而在激光扫过的区域形成氧化物掩膜层。激光辐照的方法使得氧化物掩膜层的形成精度高，相较于外加热氧化或者PECVD形成的掩膜