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作者：管理员发布于：2025-08-01 12:44 文字：【大】【中】【小】

　　免费领取：{摩登3平台}新手大礼包所有的发明都是为了解决问题，人类遇到的问题，都需要一个最好的解决方案。这是一篇关于太阳能电池原材料的文章，可以说全是化学和物理学。从第一性原理来理解，各大光伏龙头的研发方向和成果到底意味着什么，进而减少知识盲区。

　　作为一种可再生能源，太阳能早就受到了人类的关注。地球每小时接收到的太阳能比2002年全球所消耗的能量还多。地球上平均每平方米得到的太阳能功率约为1400瓦，如果能充分利用起来，就能让一台空调正常运转。

　　1952年，一个名叫达里尔·蔡平(Daryl Chapin)的工程师正在思考如何让居住在没有电力供应的偏远地区的人们也能打电话。他遇到了一个问题：在热带雨林，电话机里的干电池经常因为受潮而过早失效，他打算寻找一种可替代能源。在排除了风力发电、热电发电机组等选项后，他的列表清单上只剩下了最后一项——太阳能电池。

　　1839年，埃德蒙·贝克雷尔向一个装有氯化银酸性电解液的容器里插入了两个铂金属电极片，检测到阳光照射在电极上时，电极间的电流就会瞬间增强。

　　1873年，英国威洛比·史密斯发现半导体硒也具有类似特性。第一个半导体太阳能电池是1883年美国发明家查尔斯·弗里茨做出来的，他在金箔上覆盖了一层硒，使电池的能量转换效率为1%～2%，而这距离能投入应用中的能量转换效率6%的要求还有很远。

　　1941年，人类首次认识到半导体PN结能让太阳能电池的应用成为可能。贝尔实验室的奥尔观测到，光照到硅上的PN结时，就产生了光电流。

　　1952年，贝尔实验室的蔡平想到了使用半导体作为太阳能电池材料，硒作为半导体材料，效果不太理想，转化效率只有0.5%。

　　富勒发明了半导体扩散法，这种技术能大规模地将半导体变成P型或N型，能用于制造PN结，也可用于制造晶体管。

　　实际上，太阳能电池就是由一个P型半导体和一个N型半导体组成的PN结，光照射在PN结上时会激发出成对的电子和空穴，而PN结上的电场则会把它们拆散，继而使电子和空穴朝不同的方向流动，产生电流和电压。

　　1953年3月，富勒给皮尔逊提供一些用最新的扩散工艺制作的硅PN结以便做成太阳能电池。皮尔逊将这个元件连接到电流计上，并用台灯照射它，电流计的指针立刻晃动了起来，指到了一个很大的数值上，比当时已知的任何太阳能电池可产生的电流数值都要大。

　　皮尔逊立刻去找蔡平，告诉他不要在硒上浪费时间了，改用硅作为太阳能电池材料。蔡平将皮尔逊给的硅PN结放置在阳光下，测量发现其能量转化效率达到了2.3%，几乎是硒的5倍。

　　蔡平发现这个硅PN结的能量转化效率无法继续提高，富勒在制作N型硅时用的是锂，这种元素非常活跃，很容易扩散到晶圆内部，导致N型区变厚，使得光照产生的电子与空穴来不及转换成电流，就先复合湮灭掉了。蔡平意识到，要想提高太阳能电池效率，应该让N型区越薄越好，且要使PN结尽可能靠近晶圆表面。于是，他向富勒寻求帮助。富勒想，应该找一种没那么活跃的杂质元素，使其尽量地留在晶圆表面，于是他改用了磷。改造后，太阳能电池的能量转化效率提高了一倍，但离6%的临界点仍有一些距离。

　　富勒又将磷改为砷，使PN结非常靠近晶圆表面。这一次，太阳能电池的效率终于达到了6%

　　蔡平做过计算，理论上硅太阳能电池的转化效率能达到23%。但实际上，受到技术制约，太阳能电池的转化效率提升得非常缓慢，始终徘徊在百分之几到十几，迟迟无法达到大规模生产应用的要求。

　　对于太阳能电池效率来说，即便是1%的提升也是显著的进步，也需要科研人员付出巨大的努力。

　　我们都知道导体是导电的物质，绝缘体是不导电的物质，半导体是介于导体和绝缘体之间的材料，它既可以导电又能阻绝电流，它被发现的比较晚，直到20世纪30年代才被业界认可，它对人类科技和经济发展起着重要作用，并广泛用在我们的日常生活中，比如笔记本、手机、电子产品等都与半导体有着密切的关系。

　　我们看元素周期表，其中半导体主要的元素是14 SI 硅、32 Ge锗，硅在半导体应用中最具影响力的，硅料是光伏的重要原材料。

　　我们观察硅的原子结构，它的最外层有4个电子，想要达到平衡状态，需要再拉拢4个电子，而硅原子在排列时共享了周围的4个电子，组成了8个电子结构，形成共价键。

　　当温度大于绝对零度时，处于价带的电子有可能跃迁，变成自由电子，这时它原来在的位置就空了，形成了一个空穴，这时，硅晶体内存在等量的自由电子和空穴，它们就可以起到导电的作用了。

　　把硅原子替换成5价磷原子时，提高自由电子的浓度，得到N型半导体，SI+P+5=N；

　　把硅原子替换成3个电子的硼原子时，提高空穴的浓度，得到P型半导体，SI+B=P；

　　把这两种半导体连接到一起，N区的自由电子想要跑到P区，P区的空穴想要扩散到N区，就会形成一个由N指向P的“内电场”阻止扩散进行，在两者达到平衡后，会在交界处形成一个空间电荷区，这就是在光伏中常见的PN结。利用太阳光照射PN结，就会激发产生电子空穴对，经过界面层的电荷分离，就会产生一个光生电场，这就是光伏效应，也是太阳能电池的基本原理。

　　当适当频率的光照射PN结时，由于内建电场的作用，半导体内产生电动势，或光生电压，如将PN结短路，则会出现电流，这种内建场引起的光电效应称为“光生伏特效应”，又称为“光伏效应”，伏特是电压的单位，简称“伏”，符号“V”。光伏由此得名。

　　由于原材料和电池制备技术的不同，光伏电池被分为N型和P型两种, N和P指的是各自材料中的主要电荷载体：N型为负电荷（电子），P型为正电荷（空穴）。

　　P型硅片是硅料中加入硼B，电池制备技术有传统的AL-BSF（铝背场和Perc技术）；

　　硅片是用高纯度的单晶硅或者多晶硅材料制成的薄片，它的制作工艺是从硅矿中提取高纯度硅，通过拉晶制成单晶硅棒或者多晶硅铸锭，最后切成薄片，得到硅片，它是个半成品。

　　太阳能电池是以硅片为基础材料，对硅片通过工艺处理，处理过的硅片封装成太阳能电池，是一种能把光能转化为电能的装置。

　　与P型太阳能电池板相比，N型太阳能电池板的效率更高, 所以，市面上大多为N型太阳能电池板。

　　阿特斯在财报中直言，在行业头部企业中，公司P型老旧产能的历史包袱最轻，新增电池产能均采用新一代N型TopCon技术。

　　此外，天合光能也因TOPCon组件产品的销售占比显著提高，推动公司2023年营收首度迈入千亿“大关”。今年一季度，天合光能同样是少数盈利的光伏组件企业之一，实现归母净利润5.15亿元，同比减少70.83%。

　　在此背景下，部分企业也开始调转船头，拥抱TOPCon技术。比如，此前高举ABC技术的爱旭股份，在年报中透露将加码TOPCon产能建设项目，并提出“布局ABC与TOPCon齐头并进迎接N型时代”。

　　今年3月，爱旭股份公告称，拟投资27.15亿元将义乌基地的25GW PERC电池产能升级为TOPCon电池产能；随后又抛出一则15GW N型TOPCon电池扩产计划，预计总投资60亿元。据爱旭股份此前在互动平台上的回复，由于当前N型电池正快速取代P型成为市场主要需求，公司大量客户亦表达了希望向公司采购TOPCon电池的迫切诉求。

　　包括硅料环节，N型硅料的市占率也迅速提升。比如，大全能源一季度N型多晶硅料的产量为4.3万吨，销售3.7万吨，N型多晶硅料生产及销售占比分别达到69.0%及68.6%。

　　据通威股份在业绩说明会上介绍，目前公司N型硅料产品的产量及销量占比均在90%以上，2024年底公司N型电池产能规模将超100GW。

　　领先的光伏厂商隆基绿能正在对“背接触”电池下注，将其作为本公司下一代技术的选择。目前，行业中绝大数多公司认为发展的下一阶段是TOPCon，目前运营的TOPCon额定产能为172GW，而背接触式额定产能仅为23GW。隆基绿能在2023年上半年业绩电话会议上表示，该公司目标是到今年年底前达到25-30GW的背接触式年产能。

　　背接触电池（Back Contact Solar Cell）又称BC电池，是一种光伏电池技术，其设计特点是所有电极都位于电池的背面。这种设计使得正面没有任何金属电极的遮挡，从而能够最大化地吸收光线，提高光电转换效率，主要包括IBC、HBC、PBC、ABC、HPBC。

　　1. 金属化背接触（MWT）：利用激光打孔、背面布线技术，将电池正负极、栅线均布在电池板背面，消除了正面的电极主栅线

　　2. 交叉背接触（IBC）：单面电池，没有遮蔽电池的正面金属触点，具有更高的光子撞击转换面积

　　结构特点：在IBC电池中，所有的P型和N型电极都交错排列在电池的背面，形成一个交错的结构。

　　隆基绿能分布式中国区总裁牛燕燕提出了BC电池的优势：1. 它是一项高包容性的平台技术，它可以用TOPCon、HJT、钙钛矿等技术叠加，形成转化效率更高的TBC、HBC、PSB IBC , 具有极强的平台优势；2. 可以最大程度地利用正面入射光，正面无栅线%的光吸收，提升发电增益；3. HPBC电池的理论效率极值可以达到29.1%，远高于TOPCon和HJT的28.7%和28.5%。

　　背接触（BC）电池的优势和潜在缺点确实是目前光伏技术讨论的热点。让我们分析每个观点的正确性，并探讨BC电池的缺点及其解决方案。

　　BC电池是一项高包容性的平台技术，可以与TOPCon、HJT、钙钛矿等技术叠加，形成转化效率更高的TBC、HBC、PSB IBC，具有极强的平台优势。

　　● 包容性：BC电池确实具有很高的包容性，可以与多种先进的光伏技术结合。例如，TBC（TOPCon BC）、HBC（HJT BC）、PSB IBC（钙钛矿-硅叠层BC）等，都可以在背接触结构上实现。

　　● 技术融合：这种融合可以带来更高的效率，因为背接触设计消除了正面的金属电极遮挡，可以与这些高效技术结合，实现更高的光电转换效率。

　　● 正面无栅线设计：背接触电池的一个显著特点是所有电极都位于背面，从而消除了正面金属电极的遮挡。

　　● 光吸收提升：没有正面电极遮挡，能够增加光吸收，提升整体光电转换效率。具体增加2.27%的光吸收是基于正面遮挡通常占总入射光的比例估算，具体数值可能会根据实际设计略有变化，但趋势是正确的。

　　● 理论效率：HPBC（高效背接触）电池的理论效率确实可以达到29.1%。这是因为其设计优化了载流子分离和收集效率，同时最大化了光吸收。

　　● 比较：相比之下，TOPCon和HJT电池的理论效率分别为28.7%和28.5%，略低于HPBC电池。这主要是由于BC结构在减少正面遮挡和优化载流子收集方面的优势。

　　HPBC电池的理论效率确实可以达到29.1%，比TOPCon和HJT更高。

　　● 复杂工艺：BC电池的制造工艺相对复杂，需要精确的背面电极布局和高精度制造工艺。

　　● 机械应力：背接触设计可能增加电池的机械应力，特别是在大面积应用中，可能会影响电池的机械强度和可靠性。

　　● LID问题：某些背接触设计仍可能面临光诱导衰减的问题，特别是在使用掺硼硅片时。

　　● 先进工艺技术：采用更先进的制造技术和工艺优化，如激光加工技术和高精度印刷技术，以提高生产效率和降低成本。

　　● 散热设计：优化背面电极和组件设计，增加散热通道和材料，以改善热管理。

　　● 主动散热：在大型系统中，可以引入主动散热技术，如风冷或水冷系统，以降低工作温度。

　　BC电池具有显著的优势，如高包容性、无栅线设计带来的光吸收增加和高理论效率。但也存在一些挑战，如制造复杂性、热管理、机械强度和光诱导衰减等。通过技术改进和工艺优化，这些问题是可以克服的。总体来看，BC电池在未来光伏市场中具有广阔的应用前景。

　　背接触电池由于其高效率和美观性，在高端光伏市场和特殊应用场景中具有广阔的应用前景。

　　3. 商业和工业屋顶：高效的背接触电池在有限的屋顶面积上能够提供更多的发电量。

　　近年来，TOPCon备受追捧，它是2013年德国Fraunhofer研究所提出的一种新型钝化接触太阳能电池。从2018年，国内生产商开始积极布局TOPCon，2023年产能占比31.43%，短期来看，TOPCon的性价比占优势，因为TOPCon最大程度保留和利用现有传统P型电池设备制程，只需要添加硼扩和薄膜沉积设备，无须背面开孔和对准，极大地简化了电池生产工艺，量产难度低，生产线升级成本低。

　　TOPCon组件由于先天性材料问题，阻水性能差，难以解决长期困扰组件的湿热难题；扩散工艺温度高，氧扩散加剧，容易形成同心圆，同心圆会导致组件超衰，进而影响组件发电。TOPCon当前的工艺，实现效率提升有限，所以部分厂商会通过硅片薄片化进行降本，而硅片过薄会导致组件的隐裂风险提升。

　　以上论点来自隆基绿能牛燕燕，她指出了TOPCon组件在实际应用中可能面临的一些技术挑战和风险。这些问题确实在理论和实践中都有一定依据，但需要更深入的分析来了解其背后的原因和解决方法。以下是对这些观点的详细分析：

　　● 材料特性：TOPCon电池的核心是隧穿氧化层和掺杂多晶硅层。这些层次如果对水分的阻隔性能不够好，确实可能在高湿环境中受影响。

　　● 湿热挑战：湿热条件下，水分和高温可能会加速电池材料的降解，尤其是界面层和钝化层。

　　● 文献支持：研究表明，湿热条件确实会影响光伏组件的长期性能（参考文献如IEEE Journal of Photovoltaics等）。

　　● 实际测试：光伏组件的湿热试验（如IEC 61215标准）也显示了在高湿高热条件下，一些材料可能会失效。

　　TOPCon电池的高温扩散工艺导致氧扩散加剧，形成同心圆（“鹰眼效应”），从而导致组件的超衰。

　　● 高温扩散：TOPCon电池的制造过程中需要高温扩散，这可能引起氧在硅片中的扩散，特别是在边缘区域。

　　● 同心圆效应：高温扩散过程中的氧浓度不均可能导致同心圆效应（类似“鹰眼效应”），这种效应会导致局部的电性能下降。

　　● 研究支持：文献中有关于高温扩散工艺中氧扩散问题的讨论（如Journal ofAppliedPhysics等）。

　　● 工艺经验：半导体和光伏行业中的工艺经验也支持这一点，高温工艺容易导致氧扩散问题。

　　由于工艺实现效率提升有限，部分厂商通过硅片薄片化降本，但这增加了组件隐裂风险。

　　● 薄片化降本：硅片薄片化是降低材料成本的有效方法，薄片化也有助于提升电池效率（因为光的吸收和载流子的路径更短）。

　　● 隐裂风险：过薄的硅片在制造、运输、安装过程中更容易受到机械应力影响，导致隐裂和微裂纹。

　　● 实验证据：研究表明，薄片化的硅片更容易受到机械应力影响（如AppliedEnergy Materials等）。

　　● 行业实践：光伏行业经验也显示，过薄的硅片在实际应用中隐裂和微裂纹问题较为普遍，需要特别的处理和包装工艺。

　　这些观点总体上是有依据的，确实反映了TOPCon组件在实际应用中的一些挑战和风险。然而，随着技术的进步和工艺的优化，这些问题是可以部分解决或缓解。

　　1. 材料和封装改进：采用更高质量的封装材料和改进封装技术，增强防水和抗湿性能。

　　2. 工艺优化：通过优化扩散工艺参数，减少氧扩散带来的不利影响，避免形成同心圆效应。

　　3. 机械强化：在硅片薄片化的过程中，采用机械强化技术和更好的支撑结构，减少隐裂风险。

　　4. 长期测试与验证：进行更严格的长期环境测试，验证组件在实际应用中的可靠性，并根据测试结果进行改进。

　　通过这些措施，可以在一定程度上克服当前TOPCon技术面临的挑战，提高其在实际应用中的性能和可靠性。

　　2024SNEC上，”0BB（无主栅）技术增强了光吸收的面积，降低了内阻损耗，使得组件功率高达645W，转换效率超过23.1%。”晶澳科技首席技术官欧阳子对记者表示，0BB高效组件减少了焊接过程中对电池片造成的热应力，减少了隐裂的发生，提升了组件的可靠性。

　　2024年6月13日，隆基在第十七届（2024）国际太阳能光伏展（SNEC）上正式发布Hi-MO X6 别墅款光伏组件。该组件发电功率最高可达450W，具备美观、科技、可靠、低碳等优势，是高端别墅用户光伏电站SNEC的首选。因其外表美观特质，隆基Hi-MO X6别墅款组件还获得了由国际奖项协会（IAA）组织的2024年度法国设计奖金奖。

　　Hi-MO X6别墅款组件采用HPBC至黑电池，电池正面无栅线%，单位面积发电更高。同时，该组件还应用低反绒面技术产生的表面粗糙褶皱，增加光照吸收1.2%。

　　隆基绿能董事长钟宝申表示，光伏技术迭代在加快，BC时代已经来临，隆基对“BC技术是未来5-6年的主流技术”这一判断没有改变。

　　2022年隆基绿能自主研发出了HPBC技术，2023年9月份宣布坚定不移的走BC技术路线。

　　爱旭股份在此次展会上也推出了“满屏”组件新品，据悉，该款组件采用了超高阻N型硅片、ABC电池技术，叠加0BB串焊技术，通过汇流条隐藏、精准叠焊等工艺，进一步提升了电池片满铺率。技术，叠加0BB串焊技术，通过汇流条隐藏、精准叠焊等工艺，进一步提升了电池片满铺率。爱旭股份董事长陈刚称，最近在考虑能否加快济南工厂的建设。此后会根据市场需求，加快产能空间的利用。未来，爱旭股份所有新增的产能均是ABC电池和组件。

　　6月14日，隆基绿能宣布其研制的晶硅-钙钛矿叠层太阳能电池取得重大突破，该电池的光电转换效率高达34.6%，再次刷新世界纪录，其理论峰值高达43%，远超单结太阳能电池的SC极限效率33.7%。

　　6月14日，中国核电旗下中核光电科技（上海）有限公司与隆基绿能签署钙钛矿晶硅叠层太阳能电池合作协议。

　　晶硅-钙钛矿叠层太阳能电池是一种新型的高效光伏技术，可以是N型也可以是P型，它结合了晶体硅太阳能电池和钙钛矿太阳能电池的优点，通过将两种不同类型的光伏材料叠加在一起，提高整体的光电转换效率。以下是对晶硅-钙钛矿叠层太阳能电池的详细解释：

　　● 特点：具有成熟的制造工艺和较高的光电转换效率，通常在18%-22%之间。

　　● 上下叠层：晶硅-钙钛矿叠层太阳能电池通过将钙钛矿电池层置于晶体硅电池层之上，形成叠层结构。

　　● 带隙匹配：钙钛矿材料可以通过调节化学成分调整带隙，使其与晶硅电池的带隙互补，从而覆盖更宽的太阳光谱范围。

　　1. 光吸收：上层的钙钛矿电池首先吸收高能量的蓝光和紫外光，同时部分红光和近红外光透过钙钛矿层，被下层的晶体硅电池吸收。

　　2. 电子-空穴对生成：光子被吸收后，钙钛矿层和硅层分别生成电子-空穴对。

　　3. 载流子分离与传输：各层的电子和空穴被分离并传输到电极，从而产生电流。

　　1. 高效率：由于钙钛矿和晶硅电池分别吸收不同波长的光，叠层结构能够更有效地利用太阳光，提高整体的光电转换效率。

　　2. 低成本：钙钛矿材料的制备成本低，且可以采用低温工艺制备，有助于降低整体生产成本。

　　3. 良好的温度系数：钙钛矿材料的温度系数较低，与晶硅电池结合后，整体组件在高温下的性能表现优异。