异质结电池简介

1、异质结电池简介HIT是 Heterojunction with IntrinsicThin layer 的缩写，意为本征薄膜异质结,因HIT已被日本三洋公司申请为注册商标，所以又被称为HJT或SHJ( SiliconHeteroju nctio n solar cell )。1992 年三洋公司的 Makoto Tan aka 和 Mikio Taguchi 第一次成功制备了 HIT( Heterojunctionwithlntrinsic ThinLayer)电池。日本 Panasonic公司于2009年收购三洋公司后，继续 HIT电池的开发 20 IBID10 11 mc-Si (CX n

2、ypetJi-type A-Si： 气 0.01 pmD.01 pm增加幵酷电屈，桃嵩蚌雄嫌举j知pv r-Si -C.D1 pmGrid eleciradkEi-HIT电池结构，中间衬底为 N型晶体硅，通过PECVD方法在P型a-Si和c-Si 之间插入一层10nm厚的i-a-Si本征非晶硅，在形成 pn结的同时。电池背面为 20nm厚的本征a-S： H和N型a-Si: H层，在钝化表面的同时可以形成背表面场。 由于非晶硅的导电性较差，因此在电池两侧利用磁控溅射技术溅射TCO膜进行横向导电，最后采用丝网印刷技术形成双面电极，使得HIT电池有着对称双面电池结构。理想卩血异凰结能带!已匚2Y耳

3、aSiiH - - - - o SiP匚州|开路电压大的原因：除了掺杂浓度差形成的内建电池外；材料的禁带宽度的 差别也会进一步增加电池的内建电势在电池正表面， 由于能带弯曲， 阻挡了电子向正面的移动， 空穴则由于本征 层很薄而可以隧穿后通过高掺杂的 P+型非晶硅，构成空穴传输层。同样，在背 表面，由于能带弯曲阻挡了空穴向背面的移动， 而电子可以隧穿后通过高掺杂的 n+型非晶硅，构成电子传输层。通过在电池正反两面沉积选择性传输层，使得 光生载流子只能在吸收材料中产生富集然后从电池的一个表面流出， 从而实现两 者的分离。最常见的是p型硅基异质结太阳能电池，其广泛应用于光伏产业，因为p型硅片是常见的

4、光伏材料且以 P 型单晶硅为衬底的电池接触电阻较低 ，但是由 于硼和间隙氧的存在，使得以p型单晶硅为衬底的太阳电池有较严重的光照衰减 问题。且由于 c-Si（p）/a-Si（i/p） 界面氢化非晶硅价带带阶（ 0.45ev ）要比导带 带阶大（0.15ev ），n型硅基比p型硅基更适合双面异质结太阳能电池。影响非晶硅电池转换效率和稳定性的主要因素有 :透明导电膜、窗口层性质 （包括窗口层光学带隙宽度、窗口层导电率及掺杂浓度、窗口层激活能、窗口层 的光透过率）、各层之间界面状态 （界面缺陷态密度 ）及能隙匹配、各层厚度（尤其 i 层厚度）以及太阳能电池结构等。非晶硅薄膜电池的结构一般采取叠层式或

5、进 行集成或构造异质结等形式。HJT技术供应商主要有：KANEKA得益于非晶硅薄膜领域多年的耕耘和技术 积累，转换效率25.1%）、SUNPREME!用Tandem串联结构和优化ITO等防反 射材料，在印刷银线和镀铜两种工艺上的效率分别为22%和 22.5%）、 Roth&Rau（磁控溅射、全铝背电极、镀铜栅线、两次印刷、高的高宽比，转换效率可达到 22.8%）。Meyer Burger ）于2014年11月正式开启其在瑞士的异质结太阳电池中试线； 美国光伏安装商 SolarCity 在 2014年 9月宣布破土动工其位于纽约州的新 1GWp 工厂，技术来源于其所收购的 Silevo

6、公司（赛昂电力）的隧道异质结型太阳电 池；我国在“十二五”期间启动了基于中试水平的 MW级薄膜硅/晶体硅异质结太 阳电池产业化关键技术的 863项目，中科院电工所等承担相关研究工作。 国内新 奥集团、 嘉兴上澎已实现异质结电池量产， 国内其他企业如山西晋能集团、 协鑫 集成、天津中环、福建钧石等都在进行量产准备。TCO层的制备：透明导电膜在太阳能电池上主要用作电池的透明电极 ，有些还可同时作为减反射膜。不同透明导电膜的电学、光学以及结构等都不相同，亦对太阳能电池的光电特性和输出特性(如电池的内外量子效率、短路电流、开路电压、填充因子 等)产生不同的影响。一般，在太阳能电池中对透明导电膜的要求是

7、载流子浓度 高、带隙宽度大、光电特性好、化学性质稳定、较低的电阻率、机械强度高以及 优良的耐磨损性等。溅射法：磁控溅射、离子束溅射等；蒸发法：热蒸发、离子束蒸发等；溅射法的工艺稳定性更好，制备薄膜的质量也较好。HIT电池中TCO层的作用：形成 良好的欧姆接触，过渡金属-硅减少载流子平行硅片表面流动时的复合损耗， 增 加载流子的收集效率；起到钝化表面的效果。高迁移率的 TCO薄膜是获得高Jsc 的关键。纳米 TCIOI化学气相沉积蒸发法热处理化学共沉淀法溶胶-凝胶法高的村底 温度及热 退火温度有机溶剂脉冲激光沉积:小面积沉积澱射- - V - 一 I!求二uEHtJlp 型etrlicd 54+

8、nano TCO rtcfacdI C O| in ill )不同衬底上沉积纳米TCO的表面反射率，利用倾斜角磁控溅射能够制备出 纳米棒状TCO薄膜，并具有好的光学透过率和电学性能，具有应用在硅异质结 太阳电池上的良好潜力。非晶硅a -Si又称无定形硅：非晶硅是一种直接能带半导体，它的结构内部有许多所谓的“悬键”，这些 未呈键电子在电场作用下可产生电流，不需要声子的帮助因而非晶硅可以做得很 薄。无定性硅不存在这种延展开的晶格结构， 原子间的晶格网络呈无序排列。换 言之，并非所有的原子都与其它原子严格地按照正四面体排列。由于这种不稳定性，无定形硅中的部分原子含有悬空键(da ngling bo

9、nd)。这些悬空键对硅作为 导体的性质有很大的负面影响。然而，这些悬空键可以被氢所填充，经氢化之后， 无定形硅的悬空键密度会显著减小，并足以达到半导体材料的标准。但很不如愿的一点是，在光的照射下，氢化无定形硅的导电性能将会显著衰退，这种特性被称为SWE效应(Staebler-WronskiEffect)。解决这些问题的这径就是制备叠层太阳能电池，叠层太阳能电池是由在制备的p、i、n层单结太阳能电池上再沉积一个或多个P-i-n子电池制得的。丄.本征吸收区Ca> 10J cm hv >不受准动鼠守恒的限制e非晶硅的本征光吸收晶体硅的2. 带边(指数吸收区 (l<a<104c

10、m btzoc exp(hv带用态的数分布(Ubacti带尾Eg能锻，E忆标志带尾 的宽度和结构无序的程度3. 次带(带隙态吸收区 (a<10cm_1>提供带隙态的信息。非晶硅的特点：vcf 1-FEWEEIII1.01.52.02.SPhoton energy异质结电池的内建电势与非晶层的掺杂和 TCC均有关。TCO melala-Si:H *Tea metal曾3忻j書宜匸二匸号p型非晶硅层掺杂浓度对开压的影响100101M型衬底的J/n -ITO电池的p：a-Si髙捧杂对于开压的羽响°单晶硅片（M樂单晶）a-SIHmc-El(nlOnm SnmB H.* 31062

11、0930* 14(H) 1&60 2330 2790 34W 4340Efwn "15wm - 70nm制械堆网珀剛（Ag两面非晶硅蒲Si沉积（两面、共斗层）HI1太阳能电池600650800650Open circuit vollag& (mV)10a 10" 10w 10* 10,?sxDfres- cfwriRr dscsily (cmJ)fTsO 2 461 11.干操（弋250摄氏度）异质结电池来说，界面态特性（尤其是界面态密度）决定了电池的输出特性。而界面态密度主要是由沉积在c-Si上的掺杂a-Si:H引入的。引入本征非晶硅层以后，掺杂层和衬底被

12、分开了，因此问题得到解决。HIT结构的本质特征是使HIT电池获得一个良好的界面，从而避免载流子的复合。钝化效果直接反映在少子寿命上，因此开展对本征非晶硅薄层钝化后硅片少子寿命的研究是制备高效电池的前提和关键。RCA6D心HF（1）制绒清洗PrecleaninqStructurinqIpbstcleaningconditioni门q ；!1JF；圉三RCA浦卑和6浦先流程示意图目前主推的清洗流程主要有两种方式：RCA清洗和O3清洗。两种清洗各有优劣：RCA清洗方法能获得低金属杂质界面，但是引入氨水会导致表面粗糙度增加；而臭氧清洗的硅片表面粗糙度几乎不变，能获得比较平滑的表面，臭氧清洗还降低了化学

13、试剂的使用量，大大降低了 HJT电池清洗段的成本，但是相比于RCA清洗，利用03清洗获得的衬底表面在理论上含有较多金属杂质现行HJT电池用RCA清洗较多，日本松下1GW的HJT均采用RCA清洗。/ P-layer / 出片 / fJr/JTf现行的非晶硅沉积主要有两种工艺方法：HWCVD（热丝化学气象沉积）与PECVD。日本松下公司目前拥有的1GW产能均采用HWCVD沉积本征非晶硅 与掺杂非晶硅，此类工艺优点是对界面轰击较小， 薄膜质量较好，对硅片钝化较 好，但是其劣势也比较明显，均匀性较差并且维护成本较高。PECVD现在主要分为射频等离子体化学气相沉积（RFCVD）与甚高频等离子体化学气象沉

14、积 （VHFCVD），两者差异只是在射频频率上。总的来说 RFCVD沉积非晶硅均匀性 较好，薄膜氢含量较高，但是沉积非晶硅薄膜悬挂键和Si-Si弱键较多，成膜质量不如VHFCVD，并且对硅衬底的轰击也强于 VHFCVD。VHFCVD沉积非晶硅 均匀性略差于RFCVD，但是薄膜质量较好，对衬底轰击较小，但是由于受制于 等离子体驻波效应以及趋肤效应难以做成大面积chamber，因此VHFCVD的产能会受一定的限制。总的来说现行的技术方向是往PECVD，在PECVD领域越来越多的设备厂家开始开发 VHFCVD，比如国内的上海理想能源设备有限公司 以及美国应用材料。制备的核心工艺是非晶硅薄膜的沉积，

15、其对工艺清洁度要求极高，量产过程 中可靠性和可重复性是一大挑战，目前通常用PECV法制备。梅耶博格开发的HJT电池片整线工艺，只需六道工序便可生产出高效异质结电池片。其中所采用 的核心设备为 HELiAPECVD和 HELiAPVD。HELiAPECV采用PECV（等离子体增 强化学气相沉积法）在硅片正面和背面沉积非晶硅膜层。HELiAPVD采用PVD（物 理气相沉积）溅射法在硅片正面和背面沉积 TCO膜层。随后，通过丝网印刷完成 双面无主栅金属化，耗银量极低。本征掺杂层特征PECVDHWCVD生长速率慢快生长面积大小生长均匀性好较差薄膜质量较好更好工艺稳定性好较差工艺成熟度成熟发展阶段瑞士的

16、光伏设备制造专业公司INDEOtec SA新一代异质结太阳能电池PECVD 工艺设备成功获得弗劳恩霍夫太阳能系统研究所和沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科 技大学（KAUST的设备认证。使用专有 镜像反应器”既念，避免了硅片沉积顶 部和底部之间的翻转，消除了污染问题，提供了高水平产量，保持了HJ电池高转化效率。图五TCO沉积谎程示意图沉积HJT电池TCO薄膜的方法主要有两种：RPD（反应等离子体沉积）和PVD（物理化学气象沉积）。RPD工艺主要是采用日本住友重工 RPD设备匹配自 己生产的IWO（氧化铟掺钨）靶材制备IWO透明导电薄膜，该方法相对于传统PVD工艺制备ITO效率上0.5-1%的优势。现在日

17、本松下公司的1GW电池均采用RPD工艺。由于RPD工艺采用蒸发 镀膜对硅衬底轰击较小，并且制备的IWO导电薄膜在电学性能上明显优于 PVD 工艺制备的ITO薄膜，并且IWO薄膜功函数高于ITO薄膜，总的来说与非晶P 层匹配较好，总的来说效率上 RPD工艺发制备的IWO薄膜完胜PVD工艺制备 的ITO o PVD工艺主要采用直流磁控溅射制备 TCO，现在HJT电池采用PVD 工艺制备的TCO 一般是ITO，但是由于PVD工艺带来了粒子高轰击，损伤较大， 同时ITO光电学性能差于IWO导电薄膜。由于住友重工持有 RPD设备与IWO 靶材两项专利限制了该技术的发展，而 PVD技术已经较为成熟，并且设

18、备较为 便宜且产能较大。现在PVD技术由于受制于材料ITO本身光电学性能较差，所 以该法短期之内难以取代RPD工艺，但是这两年出现了一些使用 PVD法制备的 新种类的TCO薄膜，在综合性能上拉近了与IWO的差异，如果基于PVD技术 的TCO材料获得突破，PVD制备TCO将是HJT电池的发展方向。丝网印刷圉六鏗网印刷谎程示意图丝网印刷工艺是制作太阳能电池电极最常用的方法，而且就HJT电池电极的工艺流程而言，其与传统晶体硅电池差异较小，均采用普通的钢丝复合网，具 体的网版相关参数也基本一致。但是 HJT 电池正背面的网版在细栅线条数会有 一些差异，一般背面细栅线条数是正面的两倍左右。HJT电池与传

19、统晶硅电池与一般的 N型电池在工艺上有一项主要差异，在于 须采用低温工艺来进行镀膜；而这道手续也对HJT电池的品质影响甚大。一家台 系设备厂对EnergyTrend表示，HJT电池在生产时，需透过RPD设备将金属化透 明导电层透过轰击方式镀在非硅结构上。RPC设备最早由日厂三阳所研发，已获得在异质结技术深耕 20 年的日商 Panasonic 采用。而台系设备厂的RPC设备可利用低功率、长时间的蒸镀方式进行柔性镀膜， 轰击能量低， 避免电池在镀膜的轰击过程中毁损表面薄膜或产生破片。 这种方式 亦可使金属膜层的致密度和开路电压也更高， 创造更优良的导电性， 提高电池的 转换效率。HIT浆料：贺利

20、氏推出了为HJT度身定制的SOL56C和SOL57C系列低温银浆， 全力支 持这些技术供应商从提高效率和降低成本两方面开发了一系列的新型工艺, 从 而一步步的推进HJT高效电池的大规模产业化。丝网印刷工艺是制作太阳能电池电极最常用的方法，而且就HJT电池电极的工艺流程而言， 其与传统晶体硅电池差异较小， 均采用普通的钢丝复合网， 具体 的网版相关参数也基本一致。但是HJT电池正背面的网版在细栅线条数会有一些 差异，一般背面细栅线条数是正面的两倍左右。HJT电池丝印与常规晶体硅的差异主要体现在银浆上，低温银浆是通过树脂 包裹银颗粒与TCO接触隧穿导电，银颗粒之间在固化后也能通过隧穿导电， 低温

21、银浆固化（烧结）温度一般在200°C左右。丝印后的HJT电池存在的主要问题是主栅拉力较低，现在晶体硅电池的拉力 一般需要大于2N,而HJT电池一般要求拉力大于12拉力是由银浆里树脂决定 的，树脂越多拉力越好， 但是银浆电阻率反而会越高。 所以低温银浆的拉力和电 阻率关系是此消彼长， 银浆的性能可以通过拉力和电阻率进行综合评价。 将细栅 与主栅分开印刷比较适合 HJT电池，细栅选用低电阻率银浆，主栅选取高拉力银 浆，这样就能实现在提高了主栅的拉力的同时也获得了较低的线电阻和接触电 阻。3、HIT 电池优势和特点HIT 电池具有发电量高、度电成本低的优势，具体特点如下：(1) 无PID现

22、象由于电池上表面为TCO电荷不会在电池表面的TCO1产生 极化现象，无 PID 现象。同时实测数据也证实了这一点。(2) 低温制造工艺HJT电池所有制程的加工温度均低于 250C,避免了生产效率低而成本高的高温扩散制结的过程，而且低温工艺使得 a-Si 薄膜的光学带 隙、沉积速率、 吸收系数以及氢含量得到较精确的控制, 也可避免因高温导致的 热应力等不良影响。这种技术不仅节约了能源，而且低温环境使得a_Si: H基薄膜掺杂、 禁带宽度和厚度等可以较精确控制, 工艺上也易于优化器件特性； 低 温沉积过程中， 单品硅片弯曲变形小， 因而其厚度可采用本底光吸收材料所要求 的最低值(约8011 m ；

23、( 3)高效率HJT电池一直在刷新着量产的电池转换效率的世界纪录。HJT电池的效率比P型单晶硅电池高 1-2%，而且之间的差异在慢慢增大。( 4)高光照稳定性同时HJT电池采用的N型硅片，掺杂剂为磷，几乎无光致衰减现象。甚至在 光照下效率有一定程度的增加，上海微系统所在做HIT光致衰减实验时发现，光 照后 HIT 电池转换效率增加了 2.7，在持续光照后同样没有出现衰减现象。日 本CIC、瑞士 EPFL CSEMfe APL上的联合发表证实了 HIT电池的光致增强特性。( 5)对称结构适于薄片化HIT电池的厚度薄，可以节省硅材料；低温工艺可以减少能量的消耗，并且 允许采用廉价衬底；HIT电池完

24、美的对称结构和低温度工艺使其非常适于薄片 化，上海微系统所经过大量实验发现， 硅片厚度在100-180 im范围内，平均效 率几乎不变，100im厚度硅片已经实现了 23%以上的转换效率，目前正在进行 90im硅片批量制备。电池薄片化可以降低硅片成本，其应用也可以更加多样化。( 6)低温度系数HIT电池的温度稳定性好，与单晶硅电池一0.5 %/C的温度系数相比，HIT 电池的温度系数可达到一0.25 %/C,使得电池即使在光照升温情况下仍有好的 输出。高温环境下发电量高，在一天的中午时分，HIT电池的发电量比一般晶体 硅太阳电池高出 810，双玻 HIT 组件的发电量高出 20以上， 具有更高

25、的用 户附加值。(7)低成本高效率使得在相同输出功率的条件下可以减少电池的面积， 从而有效降低了 电池的成本。 HIT 是非常好的双面电池，正面和背面基本无颜色差异，且双面率 (指电池背面效率与正面效率之比)可达到 90以上，最高可达 96，背面发 电的优势明显。目前 HIT 产品的量产难点主要包括以下几方面：(1) 高质量硅片：相较常规N型产品，HIT电池对硅片质量有更高的要求， 需要谨慎选择硅片供应商。(2) 制绒后硅片表面洁净度的控制： HIT 电池对硅片表面洁净度要求非常 高，需要平衡硅片清洗洁净程度和相关化学品以及水的消耗。(3) 各工序 Qtime 控制： HIT 电池在完成非晶硅

26、镀膜之前，对硅片暴露在空气中的时间以及环境要求比较严苛，需要注意各工序Qtime 的控制。(4) 生产连续性对于TCO镀膜设备的影响：TCO镀膜必须保证连续投料， 否则良率和设备状况都会受到影响， 尤其在产线刚投产时， 保持生产连续性是一 大挑战。(5) 高粘度浆料的连续印刷稳定性：在 HIT电池制备过程中，浆料粘度大 导致的虚印断栅现象较多，需要数倍于常规产线的关注。( 6)焊带拉力的稳定性：拉力稳定的窗口窄，双玻双面发电的组件结构进 一步增加了电池串联的难度。自 20 世纪 80 年代以来， 松下一直在探索异质结电池的可能性， 最近在生产 成本方面取得的进步以及一系列创纪录的性能产量已经引

27、起人们对该技术的关 注。据报道，异质结电池和组件生产不能在低于 180。C的温度下进行，硅晶片 电池和主栅线连接技术常见的异质结电池和组件生产已成为开发该技术的重大 障碍。“HIT相对PERC来说成本仍较高，主要体现在设备、银浆、TCO导电玻璃方 面，等到HIT产能上升到一定高度后，这些成本都会有很大的下降。若短期内 HIT量产效率能达到23-24%，即便价格比PERC高出10-15%，由于其高效率等特点，总体来说还是有一定的优势。”上海华东理工大学教授、日本原松下PV事业部长木山精一博士表示。2014年，钧石能源开始在高效单晶异质结（HDT太阳能电池技术的研发中 取得重大突破，并于2017年

28、启动了福建莆田HDT高效太阳能电池项目。据福建钜能电力有限公司常务副总经理张茂斌介绍， 从产能上看， 目前真正 上GW级的HDT产线我们是全中国第一个；生产技术部分，我们和同类产品像松 下，几乎在同一个水平上，可以说挤入全球前三名是没问题的；在成本部分，因 为核心设备是我们自主开发的再加上我们制程比松下可能还短些， 整体在成本上 的优势非常明显，我们初步预测可能会比松下在成本上低50%左右。山西晋能科技一直致力于HJT高效异质结电池的研发生产，并已于 2017年 5月份宣布投产。目前，晋能科技 HJT电池量产平均效率达23.27%,量产最高效 率可达24.04%。在未使用半片、MBB等组件提效

29、技术前提下，量产60片单面组 件最高功率达到332.6W，组件双面性达89.61%,并有望在2018年年底实现24% 的电池量产平均效率。自2017年7月HJT实现批量出货以来，产品良率始终保 持高位水平。今年3月份测试分选显示，HJT良率已突破97.42%。同时，由于其具备双面发电特性，在不同的应用环境中发电量有 8%-20%的 增加。与普通高效组件相比，整体发电量提升 44%。晋能的目标是三年内将 HJT 组件的量产成本降至每瓦 0.4 美元，为促进光伏度电成本进一步下降、 大幅提升 电站项目整体收益奠定了良好开局。2018年 5月，通威太阳能与上海微系统所、三峡资本共同合作研发成功最 高

30、效的硅基异质结SHJ太阳能电池，并应用在通威太阳能自主研发的高效组件 上。这是业内首次将SHJ电池与叠瓦双玻组件技术结合， 在三方研发团队的努力 下，攻克一系列技术难题，最终成功的开发出了第一片SHJ叠瓦双玻组件。日托光伏接手德鑫后，计划将其现有常规生产线部分升级改造为MWT电池生产线，并将投资新建1GW的“ MWT+PERC超高效电池生产线，使其实现产 能和技术同步升级， 产品质量和成本上达到迭代优化。 同时，日托光伏还将投资 新建800MW的高效MWT背接触组件生产线，实现60片多晶电池组件平均功率 300W以上，单晶组件平均功率320W以上的行业领先水平，成为行业内首家单、 多晶产品均进入“光伏3.0时代”的超级领跑者企业。该新型 SHJ电池叠瓦组件 功率经成都国家光伏产品质量监督检验中心检测认证， 组件正面发电输出功率高 达442W，组件转换效率高达21.7%, 举突破业界72版型组件功率世界纪录， 成为国家“技术领跑者”中的技术领跑者。“HIT 的发展不是远期的事情，而是这一俩年的事情。”泰兴中智董事长彭 德香同样表示了对HIT的看好。据介绍，中智目前HIT电池量产效率达22.6-22.8%, 预计年底可达23%，2019年可达23.5-24%。由于SHJ具有超高双面率，双面率 大于90%,在正常的反射光下，双面SHJ叠瓦组件高达500W，是有史以来最高 的单