1、HIT 电池结构和原理

HIT 是 Heterojunction with Intrinsic Thin-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(Silicon Heterojunction solar cell)。该类型太阳能电池最早由日本三洋公司于 1990 年成功开发,当时转换效率可达到 14.5%(4mm2 的电池),后来在三洋公司的不断改进下,三洋 HIT 电池的转换效率于 2015 年已达到 25.6%。2015 年三洋的 HIT 专利保护结束,技术壁垒消除,是我国大力发展和推广 HIT 技术的大好时机。

 

下图是 HIT 太阳能电池的基本构造,其特征是以光照射侧的 p-i 型 a-Si:H 膜(膜厚 5-l0nm)和背面侧的 i-n 型 a-Si:H 膜(膜厚 5-l0nm)夹住晶体硅片,在两侧的顶层形成透明的电极和集电极,构成具有对称结构的 HIT 太阳能电池。

 

图表:HIT 太阳能电池结构示意图

 

 

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。

 

2、HIT 电池工艺流程

HIT 电池的一大优势在于工艺步骤相对简单,总共分为四个步骤:制绒清洗、非晶硅薄膜沉积、TCO 制备、电极制备。

 

图表 2:HIT 太阳能电池工艺流程

 

 

 

制备的核心工艺是非晶硅薄膜的沉积,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 PECVD 法制备。

 

HIT 电池的制备工艺步骤简单,且工艺温度低,可避免高温工艺对硅片的损伤,并有效降低排放,但是工艺难度大,且产线与传统电池不兼容,设备资产投资较大。

 

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)低温工艺

HIT 电池结合了薄膜太阳能电池低温(<250℃)制造的优点,从而避免采用传统的高温(>900℃)扩散工艺来获得 p-n 结。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 80μm);同时低温过程消除了硅衬底在高温处理中的性能退化,从而允许采用“低品质”的晶体硅甚至多晶硅来作衬底。

 

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 8-10%,双玻 HIT 组件的发电量高出 20%以上,具有更高的用户附加值。

(2)双面电池

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。

(3)高效率

HIT 电池独有的带本征薄层的异质结结构,在 p-n 结成结的同时完成了单晶硅的表面钝化,大大降低了表面、界面漏电流,提高了电池效率。目前 HIT 电池的实验室效率已达到 23%,市售 200W 组件的电池效率达到 19.5%。

(4)高稳定性

HIT 电池的光照稳定性好,理论研究表明非品硅薄膜 / 晶态硅异质结中的非晶硅薄膜没有发现 Staebler-Wronski 效应,从而不会出现类似非晶硅太阳能电池转换效率因光照而衰退的现象;HIT 电池的温度稳定性好,与单晶硅电池 -0.5%/℃的温度系数相比,HIT 电池的温度系数可达到 -0.25%/℃,使得电池即使在光照升温情况下仍有好的输出。

(5)无光致衰减

困扰晶硅太阳能电池最重要的问题之一就是光致衰减,而 HIT 电池天然无衰减,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、CSEM 在 APL 上的联合发表也证实了 HIT 电池的光致增强特性。

(6)对称结构适于薄片化

HIT 电池完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 100-180μm 范围内,平均效率几乎不变,100μm 厚度硅片已经实现了 23%以上的转换效率,目前正在进行 90μm 硅片批量制备。电池薄片化不仅可以降低硅片成本,其应用也可以更加多样化。

(6)低成本

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;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。

 

4、HIT 电池产业化现状

OFweek 产业研究院数据显示,在大规模量产方面,首屈一指的当然是日本三洋,现有产能 1GW,量产效率达 23%。除此之外,具有较成熟 HIT 技术的还有 Keneka、Sunpreme、Solarcity、福建均石、晋能、新奥、汉能等企业。

 

图表:国内外 HIT 太阳能电池产业化情况(单位:%,MW)

 

 

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 Q-time 控制:HIT 电池在完成非晶硅镀膜之前,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 Q-time 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。

此外,影响 HIT 产业化的重要因素之一即成本问题,据杨立友博士介绍,HIT 电池 BOM 成本前四项为硅片、导电银浆、靶材、制绒添加剂。针对这几个高成本部分,可进行专项降本,包括降低原材料的消耗量、关键设备的国产化、关键原材料的国产化、新技术的导入等。

 

5、HIT 电池市场前景展望

降本增效始终是光伏行业永恒的主题,随着行业不断的技术进步和政策推动,大众的目光逐渐转移至度电成本上,高效电池因此备受瞩目。继 PERC 电池成为行业热点后,HIT 电池技术初有突破,性价比优势开始显现,未来将是 P 型 PERC 电池与 N 型 HIT 电池争霸光伏产业的时代。