XBC电池的技术布局进展

摘 要：【目的】梳理XBC电池工艺和设备的主要技术环节，着重研究当前光伏行业头部企业的技术布局现状。【方法】统计XBC电池主要技术环节的专利文献，以及国内外重要申请人，分析了主要技术环节的演变路线和头部企业的研发重点。【结果】头部企业基本采用多技术路线并行的研究策略，寻找工艺最优解，同时为未来的市场产品迭代储备技术力量。以隆基绿能、爱旭、Maxeon为首的头部企业已率先开启XBC电池扩产。【结论】简化工艺步骤、降低制造成本，是实现XBC电池产业化的关键因素。

关键词：光伏；技术；XBC

中图分类号：TM914.4" " "文献标志码：A" " 文章编号：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

全球光伏产业已由政策驱动发展阶段正式转入“平价上网”阶段，光伏发电已成为具有成本竞争力、可靠性和可持续性的电力来源。光伏发电系统一般由光伏组件、控制器、逆变器、蓄电池（储能设备）及其他配件组成，其中光伏组件中最核心的部件是光伏电池。光伏电池的发展大约经历过三个阶段，第一代光伏电池主要为晶硅光伏电池，已经商业化应用；第二代光伏电池主要为薄膜电池，包括碲化镉、砷化镓、铜铟镓硒电池；第三代光伏电池为新型光伏电池，包括钙钛矿光伏电池，染料敏化光伏电池，有机光伏电池，量子点光伏电池等，目前发展仍处于试验阶段［1-2］。电池片技术的关注点从最初量产的铝背场电池到以P型单晶硅为衬底的钝化发射极背接触（Passivated Emitterand Rear Cell，PERC）电池再到N型的隧穿氧化层钝化接触（Tunnel Oxide Passivating Contacts， TOPCon）电池、异质结（Heterojunction Technolog，HJT）电池、XBC电池（X Back Contact，各类背接触电池，指当前各类背接触结构晶硅太阳能电池的泛称）和晶硅-钙钛矿叠层电池［3-4］。

2023年起，光伏行业产能过剩的情况日渐严重，整个行业出现集体亏损状态，头部公司如何突破重围、重新夺回市场份额，技术突破和布局显得十分重要。头部企业年投入数亿的研发经费，不能仅为寻求技术突破，穿越行业竞争周期，更要看重把研发成果保护成自主知识产权，防止技术泛滥性传播。本研究将分析XBC主要技术环节和头部公司的技术布局情况。

1 研究对象和方法

本研究主要针对目前理论效率最高的XBC 电池技术，结合工艺和设备进行专利分析总结。采用的全球专利数据来自Patsnap 数据库。专利数据的申请日为 2013年1月1日至2024 年5月 30日。根据上述电池类型分别确定关键词，并进行检索降噪，降噪方式包括：关键词、分类号、人工筛选。

2 XBC电池

2.1 电池类型简介

背电极接触电池技术（简称BC电池技术），将PN结和金属接触挪到电池背面，使得正面没有电极遮挡，电池吸收太阳光照射的面积更大，从而提高了转换效率，能发出更多的电量。因电池正面没有栅线，不仅提高了正面美观程度，还大大提高了电池片正面受光面积，进而提高了电池效率［5］。BC电池的理论转换效率极限为29.1%，高于TOPCon和HJT的28.7%和28.5%［6］。同时，BC电池技术是通用的平台型技术，可与TOPCon、HJT、钙钛矿等技术有机结合，兼收其他技术优点并进一步提升转换效率，统称为 XBC 电池。 目前常见的有 HBC 电池（HJT+BC）、 TBC电池（TOPCon+BC）、HPBC 电池（PERC+TOPCon+BC）、ABC 电池（全钝化）。

HPBC 是隆基绿能基于 P 型电池提出的背接触电池结构，主要涉及 PERC 和 TOPCon 技术， ABC 则是爱旭主推的 N 型背接触电池结构，叠加TOPCon 和 HJT 技术。XBC 电池生产工艺难点主要集中在背面图形化、金属化两个方面。首先， P 区/N 区图形化需要用到掩膜，使得 XBC 电池材料成本增加；其次， XBC 电池背面 P 区和 N 区交替分布，容易产生漏电现象，因此，对 N、 P 之间的基区精度或者绝缘层的设计提出了很高要求；最后，背面金属电极需要开孔且对准扩散区，也对工艺难度和精度提出了较高的要求。

2.2 P区/N区图形化

在 XBC 电池背面定域掺杂的时候，发射极宽度、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。较宽的背场（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，背场宽度应尽量窄小。同时， P+区和 N+区之间的间隔区域尽可能窄，且表面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，有效载流子难以被收集。

2.2.1 掺杂区域。XBC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间隔排列的P区和N区。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。

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，该方法成本较高， 规模化生产不占优势。CN112133784A按照电池背面设计结构在所述硅片 N+背场上沉积光刻胶掩膜层，以保证不被硼原子掺杂；将电池片正对正接触放置在石英舟中，在三溴化硼、氧气气氛中对电池背面进行扩散，形成 P+发射极区；利用氢氟酸去除光刻胶层；之后在所 P+发射极区上沉积光刻胶掩膜层，以保护 P+发射极区不被磷原子掺杂，在三氯氧磷氛围下对电池进行双面扩散，以形成前表面场及 N+背场。

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。较小的间隔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。CN108649079A 利用使用丝网印刷含硼掺杂浆料进行涂布， 并通过 970 ℃热扩散完成背面 P 型掺杂区域的制备。

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，还是直接刻蚀，激光均能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。结合产业推进和龙头企业 XBC 电池扩产中的选择来看，目前，激光成为主要的选择方法。

离子注入可精确地控制掺杂浓度， 还可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，需要进行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。

2.2.2 绝缘区域。除开掺杂区域，如何通过图案设计或者绝缘材料沉积实现不同极性掺杂区的隔离也是XBC电池技术关心的重点问题之一。CN108649079A发明通过设计掺杂区域结构，采用“丰”字结构并成指叉形排列，使得正电极和负电极在电池厚度方向上没有重叠区域，避免了在空间上造成漏电流的可能。同时取消了正电极和负电极之间的绝缘体设计，可以减少工艺流程，减少空间复杂度。CN115588698A在HBC中利用本征非晶硅层和绝缘层同时作为钝化和绝缘层，大大改善了钝化和绝缘效果，从很大程度上降低了不同类型的导电半导体层之间漏电的概率，提升了光电转换效率，提升了使用的可靠性。其中绝缘层材料为本征非晶硅、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅中的至少一种。

2.3 金属化

XBC 电池的电极都在背面，由于不需要考虑遮光，因此可以更灵活地设计栅线，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，为防止漏电，N 区和 P 区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。

CN214313221U关于电池主栅结构设计，目的是降低 BC电池片串联时的隐裂风险。技术方案为增加不进行焊接边缘主栅， 通过正电极汇流线和负电极汇流线将边缘主栅的电流汇入同极的主栅当中，避免焊接给电池硅片带来的隐裂风险。 CN215184002U在硅片纵向端部设计避开焊条的避让口，进而避免多片电池片在层压后，由于焊条厚度不一致在留白区域造成隐裂碎片的风险。

2.4 激光技术

从专利申请内容来看，在 XBC 电池制备过程中，激光技术得到了广泛应用，因此本小节将激光技术的应用场景进行单独总结。激光具有快速、准确、零接触和良好的热效应等优势，可以极大避免 XBC 电池制造过程中的损耗，从而提升光电转换效率。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。

2.4.1 激光开槽。XBC电池工艺复杂，其中涉及多个环节的掩膜层开孔和电极对应区域钝化层的打开。XBC电池量产推广的关键是减少生产步骤，减少机械接触带来的效率损伤，而激光开槽的应用可以达到这个效果。具体来看，激光开槽工艺在XBC电池中的应用场景包括：①在沉积掩膜层之后，使用激光打开掩膜膜层，使得P+和N+之间的形成间隔区域；②XBC电池的电极均在背面，可以使用激光在电池背面P+和N+区域上方的减反射层形成开孔，然后可以在开孔处印刷形成对应P和N的金属电极。通过激光开孔进行电接触的方式，可以使得XBC电池获得较低的金属接触复合，进而提高转换效率。CN113284982B利用激光消融方式在P型掺杂多晶硅及N型掺杂多晶硅对应印刷栅线位置形成凹槽，使得银浆在低温烧结即可形成栅线的良好欧姆接触，避免了高温烧结浆料对P型/N型掺杂多晶硅具有破坏性，而导致栅线区域金属诱导复合随温度升高而降低电池效率的问题。同时，也避免高温烧结浆料对隧穿氧化层产生破坏，确保电池的钝化效果。

2.4.2 激光辐照。CN113921626A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 形成的掩膜层，激光辐照过程的热量小，减小对 P+和 N+掺杂区域损伤。

2.4.3 激光掺杂。对 XBC 电池背面硼掺杂和磷掺杂。 CN114023830A其在 TBC 电池的制作中，在对电池背面 P+和 N+区域掺杂的时候， P+区域硼掺杂的时候，先采用印刷、喷涂或 CVD 方法在背面沉积一层 P 型掺杂源，之后使用激光对 P+区进行直接硼掺杂。 CN110534618B以硼酸和磷酸作为原料，利用激光扩散制备掺硼的发射极和掺磷的局域背场， 省去了光刻做掩膜的工艺，降低了 XBC 高效电池的制作成本，同时降低了生产工艺周期。

3 光伏头部企业的布局情况

隆基绿能关于不同电池类型的技术布局中，呈现出多路并行的趋势。该公司秉持宽研窄出的原则，投入研发精力和财力庞大，研究多种电池技术路线。XBC 电池相关专利占公司总专利量的 14%，远远高于其他公司 XBC 电池相关专利的占比，反映了该公司选择的 XBC 电池研发路线。HJT 电池和叠层电池相关专利占比分别为 15%和 40%，说明 HJT 电池和叠层技术也是公司技术布局重点。

晶科能源从 2019年开始布局TOPCon 电池，率先建立900 MW 产线。对于 TOPCon 电池相关的专利占到总量的 55%，为主要的专利申请布局的重点。由于 PERC 电池在 TOPCon 电池出现之前一直占据较大的市场份额，因此专利数量上也占有 39%的份额。对于 XBC 电池和叠层电池只占专利申请的一小部分。

通威光伏自 2020 年开始，大量投入资金、人力、时间成本进行 TOPCon 电池研发工作。除此之外， 还建立了XBC 电池试验线，首片 XBC 电池已于 2022 年 7 月正式下线，目前正在进一步优化产线。同时，钙钛矿实验室也已经搭建完成。 因此有少部分专利与 XBC 电池和叠层电池相关。

阿特斯在高效单晶 PERC 技术中具有自主知识产权。除 PERC 电池外， 阿特斯还在 TOPCon 技术进行布局，同步布局 N 型 HJT 技术，技术参数各方面也处于行业领先地位。叠层技术和 XBC 技术在该公司申请专利总数中占比很少，反映出此技术并非研发重点。

综合专利申请情况来看，虽然BC电池技术与其他电池层结构兼容性好，且理论转换效率高，但是因为加工环节较多，技术集成度高，因此一部分头部公司并没有把此类电池作为研发战略技术。

4 结语

XBC电池技术百花齐放，基本是围绕硅片基底和 PN 结增加钝化层、减反射层、电极等功能层，提高电池转换效率。头部企业技术布局各有侧重，同时采用多路线并行策略，寻找工艺最优解。隆基绿能、爱旭股份、Maxeon率先开启XBC电池，强势推进扩产规模。简化工艺步骤、降低制造成本，是实现XBC电池产业化的关键因素。需开发配套工艺和设备升级改造，以最小代价实现与目前规模化产线兼容的XBC工艺路线。

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