HJT電池的結構和工藝與常規硅基太陽電池的區別

HJT電池：即非晶硅薄膜異質結電池。

是由兩種不同的半導體材料構成異質結。晶體硅異質結太陽電池（HJT）是在晶體硅上沉積非晶硅薄膜，它綜合了晶體硅電池與薄膜電池的優勢，具有轉換效率高、工藝溫度低、穩定性高、衰減率低、雙面發電等優點，技術具有顛覆性。

異質結 HJT ( Hereto- junctionwith Intrinsic Thin-layer )電池(同時也簡稱 HIT ,SH1J, SJT 等),H1JT電池的結構如圖所示。以 N 型單晶硅( C-Si )為襯底光吸收區,經過制絨清洗后,其正面依次沉積厚度為5-10nm的本征非晶硅薄膜(i-a-Si: H 和摻雜的 P 型非晶硅(P-a-Si: H ),和硅襯底形成 p-n 異質結。

硅片的背面又通過沉積厚度為5-10nm的i-a-Si: H 和摻雜的 N 型非晶硅(n-a-Si: H )形成背表面場,雙面沉積的透明導電氧化物薄膜(TC0)不僅可以減少收集電流時的串聯電阻,還能起到像晶硅電池上氮化硅層那樣的減反作用。最后通過絲網印刷在兩側的頂層形成金屬基電極,這就是異質結電池的典型結構。

HJT 電池的結構和工藝與常規硅基太陽電池有很大的區別,總的來說, HJT 太陽電池特點很多。

(1)結構對稱。HJT 電池是在單晶硅片的兩面分別沉積本征層、摻雜層和TC0以及雙面印刷電極。這種對稱結構便于縮減工藝設備,相比于傳統的晶體硅電池, HJT 電池的工藝步驟也更少。同時由于 HJT 電池雙面對稱,正反面受光照后都能發電,可以做成雙面發電組件。

(2)低溫制造工藝。HJT 電池采用硅基薄膜工藝形成 p-n 結發射區,制程中的最高溫度就是非晶硅薄膜的形成溫度(200 C ),避免了傳統晶體硅電池形成 p-n 結的高溫(950C),采用低溫工藝在降低能耗的同時還可以減少對硅片的熱損傷,這就是說, HJT 電池可以使用薄型硅片做襯底,有利于降低材料成本,做到一石多鳥。

(3)高開路電壓。HJT 電池中的本征薄膜能有效純化晶體硅和摻雜非晶硅的界面缺陷,因而 HJT 電池的開路電壓比常規電池要高很多,量產 HJT 電池的開路電壓可以達到735mV以上,有利于獲得較高的轉換效率。

(4)溫度特性好。太陽能電池的性能數據通常在25°C的標準條件下測量的而光伏組件的性能卻是在實際應用環境下測量的。目前,公布的 HJT 的溫度系數為-0.23%/° C ,僅是晶體硅電池溫度系數(-0.45%/° C )的一半,這使得 HJT 電池在高溫與低溫環境下都具有較好的溫度特性。

(5)無 LlD 與 PID 效應。由于 HJT 電池襯底通常為 N 型單晶硅,而 N 型單晶硅為磷摻雜,不存在 P 型晶硅中的氧復合、礎鐵復合等,所以 HJT 電池對于 LID 效應是免疫的。HJT 電池的表面沉積有 TCO 薄膜,無絕緣層,因此無表面層帶電的機會,從結構上避免 PID 現象的發生。而且市場和組件可靠性測試方面也沒有發現過 PID 效應。

在常規組件的衰減方面,一線企業一般承諾10年衰減10%,25年衰減20%。三洋公布過一次 HJT 電池的衰減:使用13年的組件功率只衰減了2-3%,所以 HJT 電池在發電端優勢明顯,這也主要得益于其無 LID 與 PID 效應。

HJT 電池因為其特殊的晶硅/非晶硅界面態純化結構,對設備、工藝、環境、操作水平等要求較常規的晶硅電池制造要高得多,金屬化(主要討論銀漿的情況)要求也必然非常高,總結起來主要是三個方面:高電性能,對于銀漿的體電阻要求一般在5.0*10-6一一10?-5Q. cm ,需要銀漿有良好的接觸,很低的 Rs 和較高的 FF ,良好的印刷性,目前的部分 HJT 電池印刷的網版開口約在40-45um,后續為了降本和提升 IsC ,網版的開口必然會下降到40um以下,此時需要銀漿具備很好的長期穩定印刷性;合格的拉力,目前主要 HJT 電池制造廠家的拉力要求一般約是1N。

而低溫銀漿是基于工藝溫度在250” C 以下,沒有銀粉燒結過程,銀粉之間、銀與基材之間依靠有機樹脂相進行粘接。不同于傳統晶硅電池漿料采用高溫燒結,銀粉之間依靠表面熔融相互連接,玻璃相在一定程度上熔銀并刻蝕硅板,形成可靠點結和歐姆接觸。因此1N的拉力要求對于低溫銀漿的是一個挑戰。

目前大部分 HIT 電池的金屬化主要是流程是先正面印刷,然后烘干,再進行背面印刷,然后再烘干,接著進行固化,最后測試電池的各項指標。其中,電池正面印刷,可以采用單次印刷,也可以采用 DUP 或者 DP 的印刷方式,其中 DP 的印刷方式較多,主要是為了提高高寬比,獲得優良的線型,進而得到較高的 Isc ,從而極大提高電池效率,而背面印刷考慮成本原因,以單次為主。

網版的使用方面,除了常規的360-16um網版,無網結,380-14/430-13um高目數網版也可以使用。烘干時間和溫度的設定會影響電極棚線的線型和粘附力,過短的時間和過低的溫度,將導致棚線的線型塊塌和粘附力偏低,并直接會導致效率偏低。固化的時間和溫度對拉力的影響較大,較低的溫度和偏短的固化時間,將導致拉力偏低。為防止對非晶硅薄膜的損失,不管是烘干還是固化,最高設定溫度最好不超過220C。

另一種金屬化方法來自于總部位于瑞士的設備制造商 MeyerBurger ,其于2013年向市場發布 SMWT ( SmartWire 縮寫)技術。MeyerBurger 號稱與傳統5主棚技術相比,由于銅線的截面為圓形,制成組件后可以將有效遮光面積減少30%,同時減少電阻損失,組件總功率提高3%。由于30條主棚分布更密集,主棚和細棚之間的觸點多達2660個,在硅片隱裂和微裂部位電流傳導的路徑更加優化,因此由于微裂造成的損失被大大減小,產線的產量可提高1%。更為重要的是由于主棚材料采用銅線,電池的銀材料用量可以減少80%。但是其設備造價極其昂貴,電池可靠性仍待批量驗證。

幾種電池比較：

1）PERC：PERC電池的工藝流程相對簡單且設備成熟，近兩年來，標配一些提效工藝，如激光SE、堿拋、光注入/電注入等。PERC技術以背面鈍化層的沉積和激光開槽為主，后續在此基礎上進行工藝改進優化時增加正面SE激光和光注入/電注入退火等工藝。

2）TOPCon：首先在電池背面制備一層1～2nm的隧穿氧化層，然后再沉積一層摻雜多晶硅，二者共同形成鈍化接觸結構，為硅片的背面提供良好的界面鈍化。

3）HJT：以N型單晶硅(C-Si)為襯底光吸收區，經過制絨清洗后，其正面依次沉積厚度為5-10nm的本征非晶硅薄膜(i-a-Si: H)和摻雜的P型非晶硅(P-a-Si:H)，和硅襯底形成p-n異質結。硅片的背面又通過沉積厚度為5-10nm的i-a-Si:H和摻雜的N型非晶硅(n-a-Si:H)形成背表面場，雙面沉積的透明導電氧化物薄膜(TCO)，最后通過絲網印刷在兩側的頂層形成金屬基電極，即為異質結電池的典型結構。

4）IBC：將p+摻雜區域和n+摻雜區域均放置在電池背面（非受光面）的太陽能電池，ibc電池的受光面無任何金屬電極遮擋，從而有效增加電池的短路電流，使電池的能量轉化效率得到提高。

光電轉換最高實驗室效率的比較：PERC是24%；TOPCon是26%，是德國4厘米的小面積實驗室記錄，大面積來看晶科能源商業化最高效率是25.4%；HJT是隆基綠能M6實驗室最新數據達到26.5%，而HJT+鈣鈦礦疊層電池理論效率可達43%。

HJT異質結太陽能電池制備工藝

清洗制絨

祛除硅片表面的雜質和損傷層：

損傷層是在硅片切割過程中形成的表面（10微米左右）晶格畸變，具有較高的表面復合。

形成陷光絨面結構：

光線照射在硅片表面，通過多次折射，達到減少反射率的目的。

絨面制作方法：

目前，晶體硅太陽電池的絨面一般的是通過化學腐蝕的方法制作完成，針對不同的硅片類型，有兩種不同的化學液體系：

單晶硅絨面制作：

Si+2NaOH+H2O →Na2SiO3 +2H2↑

此反應為各向異性反應，也是形成金字塔絨面的原因。

多晶硅絨面制作：

3Si+4HNO3 →3SiO2+4NO+2H2O

SiO2+4HF→SiF4+2H2O

SiF4 +4HF→H2SiF6

此反應為各向同性反應，形成蠕蟲狀絨面。

薄膜沉積方法

物理沉積：蒸發和濺射等

化學沉積：如CVD等

常用的a-si:H薄膜沉積方法：

PECVD(等離子體增強化學氣相沉積)

HWCVD(熱絲化學氣相沉積）

上表面沉積p型a-si:H薄膜目的：制造太陽電池的PN結，PN結是太陽電池的“心臟”。

下表面沉積n型a-si:H薄膜目的：形成背場。

下表面沉積本征a-si:H薄膜目的：對晶體硅表面進行良好的鈍化作用。

TCO薄膜的沉積

TCO薄膜在HJT太陽電池中的作用:

盡可能多的光透過TCO，進入發射極和基區。

因為TCO的折射率與SiN薄膜接近，可以同時用作減反射層。

電學方面滿足導電的要求。（TCO的光學性能和電學性能是相互依存的，不能單獨優化其中之一，必須在兩者之間找到平衡點。

磁控濺射沉積工藝的優點:

1、膜厚均勻、易控制，通過改變功率來控制濺射速率，從而控制膜厚，而且可以大面積鍍膜。

2、鍍膜工藝穩定，薄膜質量的重復性好。

3、靶材壽命長，適合連續鍍膜生產。

4、濺射原子動能大，薄膜與基片的附著力強。

5、可以在較低的襯底溫度下制備致密的薄膜。

磁控濺射沉積工藝的缺點：

1、設備復雜、投資高。

2、影響因素復雜，要獲得高性能薄膜，必須首先制備出高質量的靶材。

3、離子轟擊對薄膜的性能有損傷。

絲網印刷電極

電極就是與pn結兩端形成緊密歐姆接觸的導電材料。習慣上把制作在電池光照面上的電極稱為上電極。把制作在電池背面的電極稱為下極或背電極。制造電極的方法主要有真空蒸鍍、化學鍍鎳，鋁漿印刷燒結等。鋁（銀或混合）漿印刷是近幾年比較成熟和在商品化電池生產中大量被采用的工藝方法。

對于制作的上下電極材料一般要滿足下列要求:

（1） 能與硅形成牢固的接觸。

（2） 接觸電阻比較小，應是一種歐姆接觸。

（3） 有優良的導電性。

（4） 遮擋面積小，一般小于8%。

（5） 收集效率高。

（6） 可焊性強。

（7） 成本低廉。

（8） 污染比較小。

絲網印刷金屬柵線：上下電極以及細柵收集載流子。

背電場：提高電子的收集率，提高短路電流和開路電壓。

燒結的目的、作用：

燃盡漿料的有機組分，使漿料和硅片形成良好的歐姆接觸，從而提高開路電壓和短路電流并使其具有牢固的附著力與良好的可焊性。

背面場經燒結后形成的鋁硅合金，鋁在硅中是作為P型摻雜，它可以減少金屬與硅交接處的少子復合，從而提高開路電壓和短路電流，改善對紅外線的響應。

上電級的銀、氮化硅、二氧化硅以及硅經燒結后形成共晶，從而使電極與硅形成良好的歐姆接觸，從而提高開路電壓和短路電流。

絲網印刷原理：

絲網印刷由五大要素，即絲網、刮刀、漿料、工作臺以及基片。

基本原理：

利用絲網圖形部分網孔透漿料，非圖文部分網孔不透漿料的基本原理進行印刷。印刷時在一端到入漿料，用刮刀在絲網的漿料部位施加一定壓力，同時朝絲網另一端移動。油墨在移動中被刮板從圖形部分的網孔中擠壓到基片上。

邊緣隔離

采用高速激光掃描系統在HIT太陽能電池邊緣區域,掃描刻劃出邊緣隔離槽狀結構,從而完成邊緣漏電隔離。

測試

通過I-V測試得出該太陽能電池片的ISC、VOC、FF，從而知道該太陽電池的光電轉換效率，由此來判斷其好壞。

主要設備廠商：

TOPCon?VS HJT

1.HJT 電池技術：

1990 年，日本三洋公司首次開發出異質結太陽能電池，當時 HJT 電池轉換效率為 14.5%，經過三十年的發展，目前 HJT 量產效率已經超過 24%。常規的太陽電池的 p-n 結都是由導電類型相反的同一種材料——晶體硅組成的，屬于同質結電池。

而異質結(heterojunction，HJT)電池由兩種不同的半導體材料晶體硅和非晶硅組成的 p-n結，因此稱為異質結電池。異質結一般以 n 型單晶硅片為襯底，在經過清洗制絨的 N 型單晶硅正面依次沉積厚度為 5-10 nm 的的本征 a-Si:H 薄膜、p 型 a-Si:H 薄膜，在背面依次沉積厚度為 5-10 nm的 i-a-Si:H 薄膜、n 型 a-Si:H 薄膜形成背表面場，在摻雜 a-Si:H 薄膜的兩側，再沉積透明導電氧化物薄膜(TCO)，最后通過絲網印刷技術在兩側的頂層形成金屬集電極，構成具有對稱結構的 HJT 電池。HJT 技術通過在 p-n 結之間插入本征非晶硅作為緩沖層，對晶體硅表面起到良好的鈍化作用，很好地解決了常規電池摻雜層和襯底接觸區域的高度

載流子復合損失問題，實現較高的少子壽命和開路電壓。HJT 獨特結構使其具備工藝結構簡單、工藝溫度低、效率高、無電致誘導衰減等優點，電池理論效率可達到 27.5%，是 N 型電池的代表性技術之一。

2.TOPCon 電池技術：

2013 年，德國 Fraunhofer 研究所首次提出了 TOPCon 的電池結構，TOPCon 是隧穿氧化層鈍化接觸（Tunnel Oxide Passivated Contact）的簡稱，其電池結構為 N 型硅襯底電池，在 PERC (PERT)電池制備工藝的基礎上，在電池背面制備一層超薄二氧化硅，然后再沉積一層摻雜硅薄層，二者共同形成了鈍化接觸結構，有效降低表面復合和金屬接觸復合，在鈍化界面的同時起到吸收載流子的作用，可以極大地提升太陽能電池的效率，量產效率較 PERC 高 1%左右，最高理論效率為 28.7%，為電池轉換效率進一步提升提供了更大的空間。

TOPCon 技術與 HJT 技術相比的最大優勢在于其與 PERC 電池產線的良好兼容性，HJT 電池由于其特殊的電池結構，產線需要使用全新的設備。而 TOPCon 與 PERC 相比主要變動及新增三個環節設備：硼擴散，隧穿氧化和非晶硅(LPCVD 或 PECVD)，去繞鍍清洗。其中隧穿氧化和非晶硅鍍膜為 TOPCon 工藝的關鍵環節，LPCVD 為關鍵設備，2018 年以前 TOPcon 設備以德國的 Tempress 和韓國 PV-tech 設備為主，隨著國產化設備的逐漸成熟，目前國內企業拉普拉斯（連城參股公司）、北方華創、捷佳創等均能夠提供相應生產設備，極大降低了 TOPCon 電池的成本。目前行業內 PERC 電池產能在 250GW以上，部分較新的產線都預留有 TOPCon 電池的升級空間，預計未來 2-3 年，將出現TOPCon 與 HJT 兩種技術路線共同發展的局面。

HJT“PK”TOPCon，各有何優勢？

1、TOPCon良率持續優化，HJT工藝更簡潔

PERC的工序基本有9個，TOPCon在PERC的基礎上多了3個環節左右，共約12道工序，主要是增加在制結這一環節。目前TOPCon工藝繁雜且技術路線并不統一，多條技術路線并行。主要有三種，第一種是LPCVD 制備多晶硅膜結合傳統的全擴散工藝；第二種是LPCVD制備多晶硅膜結合擴硼及離子注入磷工藝；第三種是PECVD制備多晶硅膜并原位摻雜工藝。雖然工藝與技術路線問題導致TOPCon整體良率在93-95%，但頭部廠商正加速優化工藝水平，其電池組件良率水平已接近PERC。而HJT相比于PERC和TOPCon工藝步驟大大減少，僅有四步：制絨清洗、非晶硅薄膜沉積、TCO薄膜沉積、電極金屬化。理論上工藝步驟少，可以提高產品良率以及節約部分生產成本。

左圖TOPCon工藝流程，右圖HJT工藝流程圖源：華爾街見聞

2、TOPCon短期性價比高，HJT中長期降本空間大

由于TOPCon和PERC的產線重合度高，只要在PERC產線上新增非晶硅沉積的LPCVD/PECVD設備和鍍膜設備就可升級為TOPCon產線，且單GW改造成本在0.6-0.8億元左右。因此，具備性價比優勢的TOPCon極大降低了新設備的投資成本，同時也避免了舊產線淪為沉沒成本，傳統光伏企業如隆基、晶科、天合等廠商在TOPCon布局上相對更積極。HJT相比TOPCon而言，因為設備不可在PERC上改造，需要投產新設備，短期成本較高。目前單GW的TOPCon設備投資約2-2.5億元，HJT投資額在4-4.5億元左右。

盡管傳統頭部廠商大多選擇率先量產TOPCon，但這并不意味著未來方向已經被確定下來。HJT的短期成本劣勢主要集中于現有銀漿和設備價格過高，這兩大問題正被加快解決。銀漿方面，通過多主柵技術、銀包銅技術可使HJT的銀耗大幅下降至160mg左右，甚至低于TOPCon耗量。根據CPIA的數據，2020年HJT電池雙面低溫銀漿消耗量已經同比下滑了超25%，今年及未來估計會以更快的速度下降；在設備方面，從2018年的10-20億元/GW，到如今的4億元/GW左右?？梢娫O備國產化進程快速推進中，也意味著HJT的成本劣勢在未來可能超預期填平。根據華晟新能源的測算，到2022年HJT電池的單位成本有望降至0.65元/W，屆時將完全有能力和TOPCon電池正面競爭。

3、TOPCon現有經濟效益高，HJT未來增效空間廣

晶科能源數據顯示，在內蒙古200MW直流電站項目的經濟性測算中， TOPCon組件對比超大尺寸P型電池組件，能為電站帶來BOS成本5.31%的提升和LCOE成本6%的額外下降。如今大型光伏基地和分布式光伏加速推進，更能發揮TOPCon雙面組件高效率高收益的優勢。從中長期來看，TOPCon技術較難與鈣鈦礦電池形成疊層，而HJT在可疊加鈣鈦礦電池的基礎上，其理論轉化效率極限在27.5%-29%。另據《中國光伏產業發展路線圖2020版》的數據展示，未來HJT的增效空間更為廣闊。

2020-2030年各種電池技術平均轉換率預測圖圖源：中國光伏產業發展路線圖2020版

編輯：黃飛

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