太陽能電池技術的發展已經接近兩個世紀，從光生伏特效應的應運而生開始，一場足以撬動人類未來社會發展的能源變革便拉開序幕，命運的齒輪已然開始轉動......

一、太陽能電池發展歷程

當我們把時間拉回1839年，光伏領域的第一塊貝殼被人類從歷史的沙灘上撿瞭起來。1839年，年僅十九歲的亞歷山大·貝克勒爾（Alexandre Becquerel），在協助父親研究將光波照射到電解池（electrolytic cell）所產生的效應時，發現瞭光生伏特效應，也就是後來我們熟知的“光伏效應”。後來有一個留著蓬亂灰白頭發和一撮短胡子的搞怪老頭以此為基礎，建立瞭光量子理論並成功解釋瞭光電效應，因而獲得瞭當年的諾貝爾物理學獎。當然，這都是後話，對於當時剛剛被發現的光伏領域來說，一切才剛剛開始。

1954年，美國科學傢恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室首次制成瞭實用的單晶矽太陽電池，具有實用價值的光伏發電技術誕生瞭。紐約時報把這一突破性的成果稱為“無限陽光為人類文明服務的一個新時代的開始”。

太陽能電池發電原理圖

簡單來說，太陽能電池的結構就決定瞭它能夠進行基礎的光電轉換。第一塊擁有實際應用價值的太陽能電池轉化效率就達到瞭4.5%，在接下來的幾十年裡，通過改進材料和結構，太陽能電池的效率逐漸增加。研究人員成功地將效率水平提高至約10%。1979年的夏天，美國總統吉米·卡特在白宮屋頂新裝的太陽能系統前進行瞭一次演講。此時正逢世界石油危機，他用慷慨激昂的演講向世界表示：太陽能，才是未來。演講的末尾他說：“這是美國有史以來最偉大、最令人激動的冒險。”不過他沒有說的是，這套太陽能系統造價高達28萬美元，並且提供的能量僅夠廚房熱水器使用。

到這裡，大部分讀者朋友應該都已經明白，太陽能電池片是光伏技術當之無愧的核心元件，而光伏領域所有圍繞電池技術的升級最終目的也隻有兩個：

一是降本，二便是增效。

在接著往下說之前，諸君，請允許我講一些光伏技術知識的底層基礎。

太陽能電池技術主要分為薄膜、晶矽和疊層三條路線，各有千秋。

太陽能電池種類示意圖

1、薄膜電池

薄膜電池主要利用薄膜材料，更多是如砷化鎵（AsGa），碲化鎘（CdTe），非晶矽（a-Si），有機(Organic)，銅銦鎵硒（CIGSe）、銅銦鎵硫（CIGS）等化合物類材料或有機材料，優點包括靈活性、透明性、輕量化和較低的制造成本。

常見的薄膜電池樣式

然而，薄膜電池通常穩定性較差，使用壽命較短，因此在實際應用中的普及程度相對較低，應用場景主要是太空和一些需要輕便化材料發電的地點。根據中國光伏行業協會CPIA統計的數據，2021年全球薄膜電池市場占有率僅為3.8%。因此，市面上討論的太陽能電池基本都是屬於晶矽路線。

2、晶矽電池

晶矽，實際上指的就是單質矽。晶矽太陽能電池，就是采用矽材料制作而成的太陽能電池。

f3feaff586c1407d62b4c21d7bc859db晶矽太陽能電池圖片

它的應用最為廣泛，地面的大型光伏電站、房屋建築物等傢庭及工商業領域皆有涉獵。主要原因其實還是因為晶體矽具有穩定性，再直白一些就是耐造。舉個例子，中國最老的光伏電站始建於1983年，正是采用單晶太陽能組件作為核心發電設備。截至目前，已安全穩定運行瞭40年，相比薄膜電池普遍10-15年的使用壽命優勢盡顯。

中國最老的光伏電站

那講瞭半天的單晶、多晶又是啥呢？

別急，容我細細說來。晶矽、薄膜隻是按照材料分的大類，而晶矽內部同樣有著不同的派系：單晶矽電池和多晶矽電池。這倆的區別是多晶矽電池用的矽比較多嗎？

（手動狗頭）【肯定不是】

單晶矽和多晶矽的區別在於，當熔融的單質矽凝固時,矽原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長成晶面取向相同的晶粒，則形成單晶矽；如果這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，則形成多晶矽。

很難懂吧，舉個例子，單晶矽和多晶矽就像是一塊巧克力和一堆巧克力碎片。單晶矽是一塊完整的巧克力，它的每個分子都是按照同樣的方向排列的，所以它很均勻，很純凈；多晶矽是一堆巧克力碎片並攏到一起，其中分子排列的方向都是隨機的，所以它們中間有很多縫隙，會顯得很雜亂。

多晶矽與單晶矽的差異主要表現在物理性質方面。例如在力學性質、電學性質等方面，多晶矽均不如單晶矽。實際上，多晶矽是作為制造單晶矽的原料的。由於涉及到拉晶、切片等制造要求較高的工藝環節，單晶組件制造難度相比多晶組件幾何式地提升。但相應的，單晶組件的光電轉化效率較於多晶組件也更高。目前一般來說單晶太陽能組件的轉化效率在18.5-23%左右，多晶的太陽能組件轉化效率在14-18.5%左右。

晶矽電池技術的技能點不斷地點在瞭降本、增效上，在有單晶、多晶之分的基礎上，其實還有P型電池與N型電池兩種分類。它們最主要的區別在於：P型電池使用的矽片在矽材料中摻加硼元素制成，而N型矽片是在矽材料中摻加磷元素制成。在後面我們將提到的BSF鋁背場電池、PERC電池都將是P型電池的典型代表，P型電池的特點在於成本相對較低，但問題在於P型電池的電池效率上升空間也不大瞭。而近兩年以TOPCon、HJT等為代表的N型電池技術異軍突起，在成本控制更為成熟後，未來也將占據一定規模的市場。

3、疊層電池

疊層電池，也被稱為光伏電池的終極技術，顧名思義就是通過將多個不同材料的光伏電池單元垂直堆疊在一起來實現高效利用太陽能。每個單元都具有不同的帶隙寬度，可以吸收特定波長的光線。通過這種疊層設計，疊層電池能夠同時利用不同波長的光線，提高光電轉換效率。本質上來講疊層電池其實有點像奧利奧，比起單塊的餅幹更加好吃。

經過數十年的發展，晶矽太陽能電池已十分逼近其理論轉換效率極限：29.4%。而疊層電池之所以被稱為終極，是因為它能在此基礎上實現光電轉換效率的再次躍升。6月14日，隆基綠能在Intersolar Europe 2023上正式宣佈，經歐洲太陽能測試機構ESTI權威認證，隆基在商業級絨面CZ矽片上實現瞭晶矽-鈣鈦礦疊層電池33.5%的轉換效率，距離世界最高紀錄僅差距0.2%。未來在控制成本的前提下，量產化的疊層電池將成為太陽能電池的終極之路。

二、電池技術路線發展

簡單介紹完背景，讓我們再跳回歷史的長河中會發現，從上世紀八十年代起，多晶矽太陽能電池開始瞭商業化應用，市場份額也不斷增長，電池轉化效率也達到瞭12-14%。在那時晶矽電池已然成為主流。而在九十年代初引入瞭單晶矽太陽能電池之後，轉化效率進一步提高，超過瞭20%，一場轟轟烈烈的單多晶技術路線之爭也正式拉開瞭帷幕。

1、第一代光伏技術——BSF鋁背場電池

BSF鋁背場電池（Aluminium Back SurfaceField），這項技術最早1985年被提出，在接下來的近三十年得到不斷的改進和完善，被稱之為第一代光伏技術。在P-N結制備完成後，在矽片的背光面沉積一層鋁膜，制備P+層，稱為鋁背場電池。

2016年之前，多晶的BSF鋁背場電池成為主流電池技術，市占率一度甚至超過90%。

BSF電池技術結構示意圖

2、第二代光伏技術——PERC電池

單、多晶電池技術路線之爭，以單晶的全面勝利而告終。其標志性事件正是第二代光伏技術PERC電池的誕生並且迅速成為主流技術。

PERC電池（Passivated Emitter and Rear Cell），直譯名稱為發射極鈍化和背面接觸電池。比較拗口，但它與BSF電池最大的區別就是背鈍化。這個可能有點抽象。先看一張PERC電池的結構圖：

PERC電池技術結構示意圖

事實上，在P型襯底之上，PERC電池於BSF並無二致，最大的區別在背面——鈍化膜。

首先，我們先解釋一下鈍化的概念。鈍化是因為矽片的“鋒利”邊緣而產生的步驟。矽片是通過切割矽棒獲得的，切割過程中使用瞭金剛線的超高速運動和砂輪的作用。這種切割導致矽片看似平整的薄片，但實際上表面存在很多共價鍵斷裂，形成瞭暴露的共價鍵斷裂，我們稱之為“懸掛鍵”。這些突出的復合中心會引起正負電荷的結合，從而降低整個電池的開路電壓。為瞭防止這種結合現象，鈍化技術應運而生。

作為第二代光伏技術，根據 CPIA 數據，2021 年 PERC電池市占率達到91%。而在2023年的今天，雖然P型電池的PERC技術仍然占據市場主流，但已經越來越接近理論轉換效率極限（24.5%），導致P型PERC單晶電池很難再有大幅提升，技術替換的時間點又一次到來，第三代光伏技術桂冠的爭奪至今仍未分出勝負。

3、TOPcon電池

TOPcon電池，全稱為隧穿氧化層鈍化接觸電池，在2013年由德國提出，它采用N型矽作為基底材料，並通過添加氧化物來增加背板的反射，以提高光電轉換效率。在工藝上，TOPcon技術非常直觀，它在原有的PERC電池背板區域加入瞭一層氧化物隧道，進一步提高瞭光的反射和吸收率。

TOPcon電池技術結構示意圖

從本質上講，可以將TOPcon技術視為PERC電池的升級版。簡單來說，TopCon最大優勢是與PERC產線具備兼容性，因此對於產業資本而言，短期內的升級成本是最低的。然而從降本、增效兩個維度考量，我們仍然有理由認為N型TOPCon電池隻是短期過渡技術路線。真正的第三代光伏技術，另有其人。

4、HJT電池

HJT電池（Hereto-junction with Intrinsic Thin-layer），又稱為異質結電池，全稱為本征薄膜異質結電池。它是一種特殊的PN結，由非晶矽和晶體矽材料形成，是在晶體矽上沉積非晶矽薄膜制成的混合型太陽能電池。

a3377ac3884c7bb9e153fd68fdc2e60cHJT電池技術結構示意圖

HJT電池由於其獨特的雙面對稱結構及非晶矽層優秀的鈍化效果，具備著轉換效率高、雙面率高、幾乎無光致衰減、溫度特性良好等優勢。目前晶矽太陽能電池領域的最高效率世界紀錄便是由2022年11月隆基推出的26.81%異質結電池保持的。

e6ccb7dc3115aa40223bae0a9117839c隆基HJT電池

然而對於HJT而言，目前仍有一個關鍵要點需要解決，那就是降本

1. 設備成本高，HJT生產線設備不同於TOPcon在PERC的基礎上進行升級，需要全盤重新投入，造價更為高昂；

2. 材料成本高，銀耗遠高於PERC和TOPCon。貴金屬的大量投用也將抬升單塊電池的價格，自然而然，競爭力也會大幅下降。

正如前文提到的，降本是產業化的必備條件，盡管不少學者認為HJT電池將是未來的終極技術之一，但在成本仍舊高昂的當下，HJT電池並不能成為第一選擇。

5、BC電池

話題來到BC電池，先簡單介紹下。BC（back contact）電池結構兩種柵線都在背面，最大的好處是正面沒有柵線，因為柵線都是金屬的柵線，金屬柵線會遮掉一部分的太陽，所以背接觸電池技術不管太陽光從任何角度入射，都不會存在柵線反射的情況，發電效益肯定會更高。

對比HPBC電池（左）與PERC電池（右）正面柵線情況

BC電池將PN結和金屬接觸都設於太陽電池背面，電池片正面采用SiNx/SiOx雙層減反鈍化薄膜，沒有金屬電極遮擋，最大限度地利用入射光，減少光學損失，帶來更多有效發電面積，擁有高轉換效率，且外觀上更加美觀，更加適合分佈式市場。

光學損失和電學損失一直是影響光伏電池效率的兩大最重要的因素。盡管矽材料的極限理論電池效率能夠達到29.4%，但是目前在實驗室中晶矽太陽能電池的最高轉化效率還是隆基在去年11月發佈的26.81%世界紀錄。中間幾個百分點的損耗主要還是受光學損失和電學損失的影響。而BC類電池通過把柵線放置到電池反面、表面刻蝕，形成絨面等方式減少瞭電池的效率損失，同時某種程度上也提升瞭光電轉換效率的上限。

應用BC技術的隆基Hi-MO 6組件產品案例

並且BC電池作為一種平臺型的技術，可與PERC、HJT、TOPCON等技術結合形成HPBC、HBC、TBC等多種技術路線。學界也一直有聲音認為太陽能電池的最終技術呈現將是BC技術匹配HJT與鈣鈦礦疊層，理論效率甚至可以達到43%及以上。

而最令人的擔心的成本問題，這也曾是過去制約BC電池發展的重要因素。BC技術中的IBC電池涉及到的光刻工藝成本非常高，但在近年激光圖形化技術突破後，BC電池就已經為降本難題交上瞭一份滿意的答卷。

經過隆基的技術研判，未來5年-6年，BC類電池會是晶矽電池的絕對主流，並且接下來隆基大量產品都會走向BC技術路線。

在近百年的發展下，太陽能電池的歷史也可以看作是世界科學發展的縮影，從科學原理到技術的研發，從實驗室走向真正的量產。真正可貴的並非僅是科學的進步，更是背後人類智慧與探索精神的體現。

從一片迷蒙駛向未來世界，人類的探索將不會停止。科技也許將成為時代最寶貴的答案。