近年來，電池技術研發(fā)一直是光伏行業(yè)發(fā)展的焦點，為了追求更高的電池轉換效率，BC電池技術作為當前光伏行業(yè)備受關注的技術路線，被認為是未來3－5年晶硅電池新的主流產品。近期市場一系列熱議和爭論，BC電池概念不斷升溫。

來源：樂晴智庫

值得注意的是，盡管BC電池技術有顯著的優(yōu)勢，但其技術難題和設備成本仍是我們當前面臨的挑戰(zhàn)，BC電池每GW產線需要2－3道激光工藝，設備總值6000－7000萬元。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。激光技術憑借其優(yōu)異性能，將會參與到BC電池的各種結構實現(xiàn)技術中。飛秒／皮秒激光與BC電池技術的融合，將成為新一輪光伏電池激光設備的發(fā)展機遇。

BC技術早在1975年就有科學家提出這一概念，而在這48年間，發(fā)展一直較為緩慢，主要受限于太陽能電池結構所用的光刻工藝成本非常高，導致普及應用受限。而所謂的BC電池，即Back Contact（背接觸）電池，是當前各類背接觸結構晶硅太陽能電池的泛稱。主要包括IBC、HBC、TBC、ABC、HPBC等。

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

BC電池結構的三大優(yōu)勢

憑借這三大優(yōu)勢，BC組件近期占據了業(yè)內主要組件效率對比平臺——Taiyang News的排行榜前列，效率最高達到24％；國內BC電池組件從2022年開始進行量產，已有40GW＋的產能，即將進入快速增長期。隨著龍頭廠商量產推進，產業(yè)鏈上下游成熟度日漸提高，已經有越來越多的TOPCON和HJT實力廠商將BC技術列入研發(fā)和中試計劃，行業(yè)風向明晰。

盡管BC電池一直占據技術的金字塔尖，但其以背面大面積復雜高精度圖形化為核心的工藝門檻和高昂成本一定程度上制約了這一技術的普及。激光圖形化處理工藝是當下最經濟的加工方法，這也意味著激光加工技術將成為實現(xiàn)BC電池量產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雜，關鍵在于電池背面局域摻雜以及金屬電極。而隨著激光技術的快速發(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等優(yōu)勢，已經成為了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電池結構時需要對背面多層nm膜層進行多次圖形化刻蝕處理，因此對處理工藝要求具有nm級的刻蝕精度和熱擴散控制、um級的圖形控制精度和秒級的單片處理時間（處理時間主要與光斑尺寸、激光頻率成反比）。

BC電池對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)時間長，但由于材料中產生熱堆積傳導，加工材料邊緣熱影響大，容易產生殘渣、碎屑、微裂紋等損傷，無法滿足BC電池量產工藝的需求。因此這一工藝未能大規(guī)模推廣。但據筆者調研發(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備，該設備為雙線雙激光器結構，最高產能可達5000uph。從技術原理上來說，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加工，熱效應及產生熔珠很少，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突破，盛雄激光再次做出升級，推出了雙線4激光器（飛秒／皮秒）大產能機型，雙線四激光器的結構，使其能匹配使用不同的激光器，整機產能最高可達10000uph。毋庸置疑，飛秒激光憑借GW級別的峰值功率，帶來明顯的非線性吸收效應，可在波長吸收特性的基礎上進一步壓縮材料吸收深度，實現(xiàn)nm級的刻蝕精度和更低的材料損傷控制。

兩款產品的核心在于自研的紫外／綠光飛秒／皮秒激光器，盛雄激光引進國家級專業(yè)團隊經過多年研發(fā)，該系列激光器在總功率、脈沖能量、性能穩(wěn)定性等方面達到行業(yè)領先水平。其綠光飛秒激光器平均功率達到100W，綠光皮秒激光器達到200W；紫外飛秒激光器平均功率達到60W，紫外皮秒激光器達到100W。核心激光器的持續(xù)升級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電池達到更高效率（≥27％）、更高產能（≥10000uph）。

可以說，飛秒／皮秒激光的BC電池刻蝕工藝，相較于傳統(tǒng)刻蝕設備具備多項優(yōu)勢，適合大面積膜層去除圖形化工藝制備，可以有效助推BC電池更快進入量產。筆者將提升的實際應用效果進行了對比總結如下：

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

皮秒激光在很大程度上已經可以滿足BC電池對圖形化的要求，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

從圖中對比可以看出飛秒激光對金字塔的形貌保存有明顯優(yōu)勢

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

從圖中對比可見飛秒激光刻蝕對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)域成分分析對比

圖4 成分測試表明皮秒和飛秒激光都實現(xiàn)對目標膜層的完全去除

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）激光刻蝕效果對比

圖5 對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SEM圖像呈現(xiàn)的刻蝕細節(jié)，可以直觀地比較飛秒激光和皮秒激光之間的效果差異。對比絨面和拋光面對氮化硅層的刻蝕效果，飛秒激光（500fs）與皮秒激光（10ps）相比，對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，其在SEM圖像的微米尺度上幾乎看不到邊緣過渡區(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的情況下將脈寬壓縮到皮秒的1／20，是因為其峰值功率提高了20倍，達到了GW級別。這種高功率帶來了更強的非線性吸收，導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。這一過程使得刻蝕的熱影響和熔化區(qū)域變小，從而實現(xiàn)了更平整的刻蝕表面，并顯著減少了殘渣、熔珠和微裂紋等缺陷。

飛秒激光刻蝕效果四大優(yōu)勢

對于電池工藝而言，采用飛秒激光器可以減少材料損傷，簡化清洗工藝，從而實現(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，能夠更好地確保XBC電池的高效量產，使效率高達26－27％。

盛雄激光以自主研發(fā)激光器為核心整合成套設備，每GW產線的激光設備總值可比現(xiàn)有產線設備降低20－30％。

長久來看，在BC電池技術領域，超快激光解決方案能完全滿足工藝要求，并成為推動BC電池量產工藝普及的關鍵點之一，恰如“超快激光的一小步，BC電池的一大步”。當然，新產品的問世沒有一蹴而就，皮秒／飛秒激光的解決方案能否讓各大光伏電池制造商認可，真正實現(xiàn)大規(guī)模穩(wěn)定量產也需要時間驗證。

早在2012年，盛雄激光便率先引進了全球領先的德國大功率工業(yè)皮秒以及飛秒激光器，廣泛應用于高端精密電子器件、顯示面板等精細加工，2021年因在超快激光技術方面的突出成績獲評為國家工信部第一批專精特新小巨人企業(yè)。憑借豐富的技術積累和市場洞察，盛雄激光決意長期投入皮秒、飛秒激光器的自主研發(fā)。如今，已基本實現(xiàn)進口替代，年產超過1000臺，獨占國內工業(yè)超快激光設備領域的鰲頭。