BC电池在金字塔尖有什么优点?

近年来，电池技术的研发一直是光伏产业发展的焦点。为了追求更高的电池转换效率，BC电池技术被认为是光伏产业的技术路线－五年晶硅电池新主流产品。BC电池的概念在最近的一系列市场热议和争论中不断升温。

来源：乐晴智库

值得注意的是，虽然BC电池技术有明显的优势，但其技术问题和设备成本仍然是我们面临的挑战。BC电池每GW生产线需要2－三道激光工艺，设备总值60000－7000万元。在此背景下，BC电池的核心工艺激光图形化加工尤为重要。凭借其优异的性能，激光技术将参与BC电池的各种结构实现技术。飞秒／皮秒激光与BC电池技术的融合，将成为新一轮光伏电池激光设备的发展机遇。

BC电池在金字塔尖有什么优点？

早在1975年，科学家们就提出了BC技术的概念。在过去的48年里，发展相对缓慢，主要受太阳能电池结构光刻工艺成本高的限制，导致推广应用有限。所谓的BC电池，即Back Contact(背接触)电池是目前各种背接触结构晶硅太阳能电池的总称。主要包括IBC、HBC、TBC、ABC、HPBC等。

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BC电池的原理主要是表面没有栅线，正负极交叉布置在电池背面，减少电极栅线造成的遮光损失，最大限度地利用阳光。

BC电池结构的三个优点

01 效率高，提升空间大

电池正面的PN结和电极栅线转移到电池背面，从而减少电极栅线对3－5％正面材料能更好地发挥吸光和钝化性能，提高整体光电转换效率；

02 纯净的外观，增强美感

电池正面无栅线，外观纯净，增强美感，形成产品差异化，适用于分布式光伏场景；进一步完善背面结构，提高双面率后，也适用于市场广阔的主流大型电站。

03 通用性好，提效降本

BC技术平台通用性好，可与各种材料系统相结合（PERC、TOPCON、HJT、层压电池等。)不断提高效率，降低成本。

凭借这三个优势，BC组件最近占据了行业主要组件的效率比较平台——Taiyang News排名第一，效率最高达24％；自2022年以来，国内BC电池组件已批量生产40GW＋产能，即将进入快速增长期。随着龙头厂商量产的推进，产业链上下游的成熟度越来越高。越来越多的TOPCON和HJT实力厂商将BC技术纳入R&D和中试计划，行业风向明确。

虽然BC电池一直占据着技术的金字塔顶端，但其以大面积复杂高精度图形化为核心的工艺门槛和高成本在一定程度上限制了该技术的普及。激光图形处理技术是目前最经济的处理方法，这意味着激光处理技术将成为实现BC电池大规模生产过程的最大受益者。

BC电池对激光技术的要求和挑战

BC电池工艺之所以没有普及，主要是因为它的工艺流程比较复杂，关键在于电池背面的局部掺杂和金属电极。随着激光技术的快速发展，人们也看到了它在工业加工中的潜力。激光已成为BC电池工艺的主要工艺手段，具有精确、快速、零接触、良好的热控效果等优点。

目前，主流TOPCON poly－Si＼HJT a－Si材料系统在制作BC电池结构时，需要对背面多层NM膜进行多次图形化蚀刻处理。因此，处理过程需要nm级蚀刻精度和热扩散控制、um级图形控制精度和秒级单片处理时间（处理时间主要与斑点尺寸和激光频率成反比）。

BC电池对激光加工设备的五个核心要求

01 光斑尺寸大

光斑尺寸大，需要强大的激光脉冲能量；

02 扫描速度快

扫描速度快，需要使用脉冲频率高、总功率大的激光；

03 光斑均匀性好

光斑均匀性好，需要提高激光出光质量，保证光路系统精度高；

04 低热影响和损伤

高精度、低损伤和低热影响需要超短激光脉冲和超高峰功率；

05 成本与升级

激光国产化率高，成本低，升级迭代速度快。

以上1、2点指向大功率高产能，3点、4点指向高精度、高性能，5点确保整个技术的开发和运行效率。从第一原理出发，激光工艺设备的核心是激光器，只能满足自主研发、技术和成本可控的大功率激光器。

BC电池高效蚀刻超快激光开膜

超快激光是指输出脉冲宽度为10^－12以下激光类型包括皮秒、飞秒、 阿秒等。早期光伏人员尝试使用纳秒(10^－9s）激光加工利用激光能量的热堆积熔化材料，脉冲持续时间长。但由于材料中的热堆积传导，加工材料边缘的热影响较大，容易造成残留物、碎片、微裂纹等损坏，不能满足BC电池大规模生产过程的需要。因此，该过程未能得到大规模的推广。然而，根据作者的研究，一些企业提出了新的解决方案，并取得了一定的成果。

今年5月，东莞盛雄激光先进装备有限公司在上海SNEC光伏展上发布了90W绿光皮秒大光斑蚀设备，为双线双激光结构，最高产能可达5000uph。从技术上讲，由于脉宽极窄，皮秒激光可以依靠自身极高的峰值功率瞬间气化大部分材料。与纳秒激光的热加工不同，皮秒激光属于气化消融或改性加工，热效应和熔珠少，加工边缘整齐，打破了纳秒激光的热影响和熔化面积大的困境。

近日，由于核心大功率飞秒激光的技术突破，盛雄激光再次升级，推出了双线4激光(飞秒)／皮秒)大产能机型，双线四激光器结构，使其与使用不同激光器相匹配，整机产能最高可达1万uph。毫无疑问，飞秒激光具有GW级峰值功率，具有明显的非线性吸收效应，可以进一步压缩材料的吸收深度，实现nm级蚀刻精度和较低的材料损伤控制。

两种产品的核心在于自主研发的紫外线／绿光飞秒／经过多年的研发，该系列激光在总功率、脉冲能量、性能稳定性等方面达到了行业领先水平。绿光飞秒激光器平均功率100W，绿光皮秒激光器200W；紫外飞秒激光器平均功率达到60W，紫外皮激光器达到100W。核心激光器的不断升级，使其能够输出更大的光斑，达到更高精度、更低损伤的加工效果，帮助新一代BC电池达到更高的效率（≥27％）、更高产能（≥10000uph）。

可以说，飞秒／与传统的蚀刻设备相比，皮秒激光的BC电池蚀刻工艺具有许多优点。适用于大面积膜层去除图形化工艺的制备，可有效促进BC电池更快进入大规模生产。笔者对提高的实际应用效果进行了比较总结如下：

图1 （a）蓝膜片大光斑刻蚀样品，（b）大光斑切割大面积蚀刻样品，（c）抛光面膜层大光斑蚀样品 绿光皮秒大光斑蚀样微图

图1显示绿光皮秒激光大光斑（＞200um)绒面和抛光表面膜层蚀刻样品的显微图片显示，整体形状规则完整，内部均匀性优良。从抛光表面的形状对比来看，膜下硅基底的形状基本上没有损坏。

皮秒激光在很大程度上满足了BC电池图形化的要求，但飞秒激光在精度和损伤控制方面具有更好的性能。

图2 绿光皮秒（a）、绿光飞秒（b）、紫外飞秒（c）腐蚀绒面氮化硅膜层SEM图像

从图中对比可以看出，飞秒激光在保存金字塔的形状上有明显的优势

图3 绿光纳秒（a）、绿光皮秒（b）、绿光飞秒（c）、紫外飞秒（d）蚀刻抛光表氮化硅膜层SEM图像

从图中可以看出，飞秒激光刻蚀对硅基底表面的影响明显最小

a 绿光皮秒大光斑的蚀蚀效果

b 绿光飞秒大光斑的蚀蚀效果

c 紫外飞秒大光斑的蚀蚀效果

图4 TCO膜层绿光皮秒（a）、绿光飞秒（b）、紫外飞秒（c）刻蚀／非刻蚀区成分分分析对比对比

图4 成分测试表明，皮秒和飞秒激光完全去除了目标膜层

图5 TCO膜层绿光纳秒（a）、绿光皮秒（b）、绿光飞秒（c）、紫外飞秒（d）对比激光刻蚀效果

图5 对比表明，绿光纳秒蚀刻中存在大量残留颗粒，紫外线飞秒在边缘过渡区的控制方面优于绿光飞秒

图6 TCO膜层抛光表面 EDS成分分析绿光飞秒样品

图2－6通过SEM图像呈现的蚀刻细节，可以直观比较飞秒激光和皮秒激光的效果差异。飞秒激光(500fs)与皮秒激光(10ps)相比，与绒面和抛光对氮化硅层的刻蚀效果相比，对刻蚀表面的熔化和形状变化较小。特别是使用紫外飞秒激光时，在SEM图像的微米尺度上几乎看不到边缘过渡区，因此具有最佳的蚀刻效果。

飞秒激光脉冲之所以能在保持能量相等的情况下将脉宽压缩到皮秒1／由于峰值功率提高了20倍，达到了GW级。这种高功率带来了更强的非线性吸收，降低了材料的吸收深度，使材料形成等离子体并被气化。该过程减少了刻蚀的热影响和熔化区域，从而实现了更平整的刻蚀表面，显著减少了残留物、熔珠和微裂纹等缺陷。

飞秒激光刻蚀效果四大优势

01 提高刻蚀精度

高性能飞秒激光可将蚀刻精度控制到nm量级，比皮秒高1－两个数量级；边缘宽度精度控制在um或亚um量级；

02 减少材料损坏

飞秒激光峰值功率高，吸收强，其蚀刻热影响区和熔化深度小于皮秒激光，对蚀刻底部影响较小，可显著减少材料损伤，甚至无损伤；

03 避免损坏底层材料

使用紫外皮秒／飞秒激光蚀刻透明膜层，可避免损坏底层材料；

04 高效完成工艺要求

BC电池各膜层复杂图形制作工艺要求可通过不同的激光配合高效完成。

对于电池工艺，使用飞秒激光可以减少材料损坏，简化清洗工艺，从而降低成本，提高效率。高性能飞秒激光可以更好地保证XBC电池的高效生产，同时保持不低于皮秒的加工速度，使效率高达26－27％。

盛雄激光以自主研发激光为核心，整合成套设备，每GW生产线激光设备总值比现有生产线设备低20%－30％。

小结

从长远来看，在BC电池技术领域，超快激光解决方案可以完全满足工艺要求，成为促进BC电池大规模生产过程普及的关键点之一，就像“超快激光的一小步，BC电池的一大步”一样。当然，新产品的出现并没有在一夜之间实现，皮秒／飞秒激光的解决方案能否得到各大光伏电池厂商的认可，也需要时间验证才能真正实现大规模稳定的量产。

早在2012年，盛雄激光就率先引进了世界领先的德国大功率工业皮秒和飞秒激光，广泛应用于高端精密电子设备、显示面板等精细加工，2021年因其在超快激光技术方面的突出成就而获得评价盛雄激光公司是工业和信息化部第一批专业从事特殊新型小型巨型企业。盛雄激光公司凭借丰富的技术积累和市场洞察力，决心长期投资于皮秒和飞秒激光器的独立研发。目前，进口替代基本实现，年产量超过1000台，在国内工业超快激光设备领域处于领先地位。

近年来，盛雄激光紧跟行业热点，以光伏电池和锂电池行业的高端制造需求为战略培育项目。大功率(百W级)工业皮秒、飞秒激光器的自主研发，为这两个行业带来了创新价值。经过近两年的设备开发和与重点客户的工艺合作试验，设备性能已满足部分客户的工艺路线要求。盛雄激光成功推出双线双激光5000uph产能机型和双线4激光10000uph产能最新机型。与现有竞争产品相比，这些大功率激光器在生产能力上具有显著优势，即将进入量产阶段。