近年來(lái)，電池技術(shù)研發(fā)一直是光伏行業(yè)發(fā)展的焦點(diǎn)，為了追求更高的電池轉(zhuǎn)換效率，BC電池技術(shù)作為當(dāng)前光伏行業(yè)備受關(guān)注的技術(shù)路線(xiàn)，被認(rèn)為是未來(lái)3－5年晶硅電池新的主流產(chǎn)品。近期市場(chǎng)一系列熱議和爭(zhēng)論，BC電池概念不斷升溫。

來(lái)源：樂(lè)晴智庫(kù)

值得注意的是，盡管BC電池技術(shù)有顯著的優(yōu)勢(shì)，但其技術(shù)難題和設(shè)備成本仍是我們當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)，BC電池每GW產(chǎn)線(xiàn)需要2－3道激光工藝，設(shè)備總值6000－7000萬(wàn)元。在此背景下，BC電池的核心工藝——激光圖形化加工的重要性尤為凸顯。激光技術(shù)憑借其優(yōu)異性能，將會(huì)參與到BC電池的各種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)技術(shù)中。飛秒／皮秒激光與BC電池技術(shù)的融合，將成為新一輪光伏電池激光設(shè)備的發(fā)展機(jī)遇。

BC技術(shù)早在1975年就有科學(xué)家提出這一概念，而在這48年間，發(fā)展一直較為緩慢，主要受限于太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)所用的光刻工藝成本非常高，導(dǎo)致普及應(yīng)用受限。而所謂的BC電池，即Back Contact（背接觸）電池，是當(dāng)前各類(lèi)背接觸結(jié)構(gòu)晶硅太陽(yáng)能電池的泛稱(chēng)。主要包括IBC、HBC、TBC、ABC、HPBC等。

來(lái)源：pixabay

BC電池的原理主要是其表面沒(méi)有柵線(xiàn)，正負(fù)極采用交叉排列的方式被制備在電池背面，從而減少電極柵線(xiàn)帶來(lái)的遮光損失，能做到最大限度利用陽(yáng)光。

BC電池結(jié)構(gòu)的三大優(yōu)勢(shì)

憑借這三大優(yōu)勢(shì)，BC組件近期占據(jù)了業(yè)內(nèi)主要組件效率對(duì)比平臺(tái)——Taiyang News的排行榜前列，效率最高達(dá)到24％；國(guó)內(nèi)BC電池組件從2022年開(kāi)始進(jìn)行量產(chǎn)，已有40GW＋的產(chǎn)能，即將進(jìn)入快速增長(zhǎng)期。隨著龍頭廠(chǎng)商量產(chǎn)推進(jìn)，產(chǎn)業(yè)鏈上下游成熟度日漸提高，已經(jīng)有越來(lái)越多的TOPCON和HJT實(shí)力廠(chǎng)商將BC技術(shù)列入研發(fā)和中試計(jì)劃，行業(yè)風(fēng)向明晰。

盡管BC電池一直占據(jù)技術(shù)的金字塔尖，但其以背面大面積復(fù)雜高精度圖形化為核心的工藝門(mén)檻和高昂成本一定程度上制約了這一技術(shù)的普及。激光圖形化處理工藝是當(dāng)下最經(jīng)濟(jì)的加工方法，這也意味著激光加工技術(shù)將成為實(shí)現(xiàn)BC電池量產(chǎn)工藝路上的最大受益者。

之所以BC電池工藝一直未能得到普及，主要原因是其工藝流程較為復(fù)雜，關(guān)鍵在于電池背面局域摻雜以及金屬電極。而隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展也讓人們看到了其在工業(yè)加工中的潛力。激光憑借精確、快速、零接觸以及良好的熱控制效應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為了BC電池工藝的主要工藝手段。

目前，主流的TOPCON poly－Si＼HJT a－Si材料體系，在制作BC電池結(jié)構(gòu)時(shí)需要對(duì)背面多層nm膜層進(jìn)行多次圖形化刻蝕處理，因此對(duì)處理工藝要求具有nm級(jí)的刻蝕精度和熱擴(kuò)散控制、um級(jí)的圖形控制精度和秒級(jí)的單片處理時(shí)間（處理時(shí)間主要與光斑尺寸、激光頻率成反比）。

BC電池對(duì)激光加工裝備的核心五大要求

超快激光是指輸出脈沖寬度在10^－12s以下的激光類(lèi)型，包括皮秒、飛秒、 阿秒等。早期光伏人員嘗試用納秒（10^－9s）激光加工，利用激光能量的熱堆積使材料熔化，脈沖持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，但由于材料中產(chǎn)生熱堆積傳導(dǎo)，加工材料邊緣熱影響大，容易產(chǎn)生殘?jiān)⑺樾?、微裂紋等損傷，無(wú)法滿(mǎn)足BC電池量產(chǎn)工藝的需求。因此這一工藝未能大規(guī)模推廣。但據(jù)筆者調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前已有企業(yè)提出了全新的解決方案并取得一定成果。

今年5月在上海SNEC光伏展，東莞市盛雄激光先進(jìn)裝備股份有限公司重磅發(fā)布了90W綠光皮秒大光斑刻蝕設(shè)備，該設(shè)備為雙線(xiàn)雙激光器結(jié)構(gòu)，最高產(chǎn)能可達(dá)5000uph。從技術(shù)原理上來(lái)說(shuō)，皮秒激光由于脈寬極窄，能夠依靠自身極高的峰值功率，使大部分材料瞬間氣化。與納秒激光的熱加工不同，皮秒激光屬于氣化消融或改質(zhì)加工，熱效應(yīng)及產(chǎn)生熔珠很少，加工邊緣整齊，打破了納秒激光熱影響和熔化區(qū)大的困局。

而在近日，得益于核心大功率飛秒激光器的技術(shù)突破，盛雄激光再次做出升級(jí)，推出了雙線(xiàn)4激光器（飛秒／皮秒）大產(chǎn)能機(jī)型，雙線(xiàn)四激光器的結(jié)構(gòu)，使其能匹配使用不同的激光器，整機(jī)產(chǎn)能最高可達(dá)10000uph。毋庸置疑，飛秒激光憑借GW級(jí)別的峰值功率，帶來(lái)明顯的非線(xiàn)性吸收效應(yīng)，可在波長(zhǎng)吸收特性的基礎(chǔ)上進(jìn)一步壓縮材料吸收深度，實(shí)現(xiàn)nm級(jí)的刻蝕精度和更低的材料損傷控制。

兩款產(chǎn)品的核心在于自研的紫外／綠光飛秒／皮秒激光器，盛雄激光引進(jìn)國(guó)家級(jí)專(zhuān)業(yè)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年研發(fā)，該系列激光器在總功率、脈沖能量、性能穩(wěn)定性等方面達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平。其綠光飛秒激光器平均功率達(dá)到100W，綠光皮秒激光器達(dá)到200W；紫外飛秒激光器平均功率達(dá)到60W，紫外皮秒激光器達(dá)到100W。核心激光器的持續(xù)升級(jí)使其能輸出更大光斑，做到更高精度、更低損傷的加工效果，助力新一代BC電池達(dá)到更高效率（≥27％）、更高產(chǎn)能（≥10000uph）。

可以說(shuō)，飛秒／皮秒激光的BC電池刻蝕工藝，相較于傳統(tǒng)刻蝕設(shè)備具備多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，適合大面積膜層去除圖形化工藝制備，可以有效助推BC電池更快進(jìn)入量產(chǎn)。筆者將提升的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行了對(duì)比總結(jié)如下：

圖1展示了綠光皮秒激光大光斑（＞200um）對(duì)絨面和拋光面的膜層刻蝕樣品顯微圖片，可見(jiàn)整體的形貌規(guī)則完整，內(nèi)部均勻性一致性?xún)?yōu)，從拋光面的形貌對(duì)比看，對(duì)膜層下方的硅基底形貌基本沒(méi)有破壞。

皮秒激光在很大程度上已經(jīng)可以滿(mǎn)足BC電池對(duì)圖形化的要求，但是在精度和損傷控制方面，飛秒激光有著更佳的表現(xiàn)。

圖2 綠光皮秒（a）、綠光飛秒（b）、紫外飛秒（c）刻蝕絨面氮化硅膜層SEM圖像

從圖中對(duì)比可以看出飛秒激光對(duì)金字塔的形貌保存有明顯優(yōu)勢(shì)

圖3 綠光納秒（a）、綠光皮秒（b）、綠光飛秒（c）、紫外飛秒（d）刻蝕拋光面氮化硅膜層SEM圖像

從圖中對(duì)比可見(jiàn)飛秒激光刻蝕對(duì)硅基底表面的影響明顯最小

a 綠光皮秒大光斑刻蝕效果

b 綠光飛秒大光斑刻蝕效果

c 紫外飛秒大光斑刻蝕效果

圖4 TCO膜層綠光皮秒（a）、綠光飛秒（b）、紫外飛秒（c）刻蝕／非刻蝕區(qū)域成分分析對(duì)比

圖4 成分測(cè)試表明皮秒和飛秒激光都實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)膜層的完全去除

圖5 TCO膜層綠光納秒（a）、綠光皮秒（b）、綠光飛秒（c）、紫外飛秒（d）激光刻蝕效果對(duì)比

圖5 對(duì)比顯示綠光納秒刻蝕存在大量殘留顆粒，紫外飛秒比綠光飛秒在邊緣過(guò)渡區(qū)控制上有更好表現(xiàn)

圖6 拋光面TCO膜層 綠光飛秒樣品EDS成分分析

圖2－6通過(guò)SEM圖像呈現(xiàn)的刻蝕細(xì)節(jié)，可以直觀(guān)地比較飛秒激光和皮秒激光之間的效果差異。對(duì)比絨面和拋光面對(duì)氮化硅層的刻蝕效果，飛秒激光（500fs）與皮秒激光（10ps）相比，對(duì)刻蝕表面的熔化和形貌改變更小。特別是使用紫外飛秒激光時(shí)，其在SEM圖像的微米尺度上幾乎看不到邊緣過(guò)渡區(qū)，因此具有最佳的刻蝕效果。

飛秒激光脈沖之所以能在保持能量相當(dāng)?shù)那闆r下將脈寬壓縮到皮秒的1／20，是因?yàn)槠浞逯倒β侍岣吡?0倍，達(dá)到了GW級(jí)別。這種高功率帶來(lái)了更強(qiáng)的非線(xiàn)性吸收，導(dǎo)致材料吸收深度降低，更多的激光能量使材料形成等離子體并被氣化。這一過(guò)程使得刻蝕的熱影響和熔化區(qū)域變小，從而實(shí)現(xiàn)了更平整的刻蝕表面，并顯著減少了殘?jiān)?、熔珠和微裂紋等缺陷。

飛秒激光刻蝕效果四大優(yōu)勢(shì)

對(duì)于電池工藝而言，采用飛秒激光器可以減少材料損傷，簡(jiǎn)化清洗工藝，從而實(shí)現(xiàn)降本增效。高性能的飛秒激光器在保持不低于皮秒的加工速度的同時(shí)，能夠更好地確保XBC電池的高效量產(chǎn)，使效率高達(dá)26－27％。

盛雄激光以自主研發(fā)激光器為核心整合成套設(shè)備，每GW產(chǎn)線(xiàn)的激光設(shè)備總值可比現(xiàn)有產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備降低20－30％。

長(zhǎng)久來(lái)看，在BC電池技術(shù)領(lǐng)域，超快激光解決方案能完全滿(mǎn)足工藝要求，并成為推動(dòng)BC電池量產(chǎn)工藝普及的關(guān)鍵點(diǎn)之一，恰如“超快激光的一小步，BC電池的一大步”。當(dāng)然，新產(chǎn)品的問(wèn)世沒(méi)有一蹴而就，皮秒／飛秒激光的解決方案能否讓各大光伏電池制造商認(rèn)可，真正實(shí)現(xiàn)大規(guī)模穩(wěn)定量產(chǎn)也需要時(shí)間驗(yàn)證。

早在2012年，盛雄激光便率先引進(jìn)了全球領(lǐng)先的德國(guó)大功率工業(yè)皮秒以及飛秒激光器，廣泛應(yīng)用于高端精密電子器件、顯示面板等精細(xì)加工，2021年因在超快激光技術(shù)方面的突出成績(jī)獲評(píng)為國(guó)家工信部第一批專(zhuān)精特新小巨人企業(yè)。憑借豐富的技術(shù)積累和市場(chǎng)洞察，盛雄激光決意長(zhǎng)期投入皮秒、飛秒激光器的自主研發(fā)。如今，已基本實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代，年產(chǎn)超過(guò)1000臺(tái)，獨(dú)占國(guó)內(nèi)工業(yè)超快激光設(shè)備領(lǐng)域的鰲頭。