HJT太阳电池技术的发展现状及未来展望.docx

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1、HJT太阳电池技术的发展现状及未来展望摘要：中国的硅基异质结(HJT)太阳电池技术在近5年有了快速发展，逐步进入产业化阶段，但在其发展过程中遇到了一些技术瓶颈。对HJT太阳电池的结构及能带结构进行简述，从衬底和表面制绒技术、a-Si:H薄膜技术、TCO薄膜技术、金属化电极技术等方面对HJT太阳电池关键技术的研究进展进行了分析，并从制造成本、TCo薄膜材料及登层太阳电池技术等方面对HJT太阳电池未来的技术研究方向进行了展望。虽然HJT太阳电池具有工艺流程简单、光电转换效率高、功率衰减低、温度系数低、工作温度低等优势：但其制造成本较高，导致其市场份额上升缓慢，而采用铜电极、无锢或低含锢量TCO薄膜

2、技术是降低HJT太阳电池制造成本的有效方法，一旦突破成木瓶颈，HJT太阳电池未来的应用空间将更加广阔。光伏产业经历长期发展后，光伏发电技术呈现多样化快速发展趋势，其中，硅基异质结(HJT)太阳电池具备诸多性能优势。经过长期研究与技术发展，此类太阳电池已取得长足进步。1972年，JayadeVaiah等1对非晶硅(a-Si)/晶体硅(C-Si)异质结太阳电池的I-V特性进行了研究。1974年，Fuhs等2首次研究了氧化非晶硅(a-Si:H)/c-Si能带结构，测试了其在不同温度条件下的电学特性，并试图将其应用至太阳电池，但由于制备的太阳电池的反向电流未达到饱和值，因此未测试得到该太阳电池的光电转

3、换效率。1981年，KUWano等3开发了通过不同腔室生长P型硼掺杂非品硅层、i型本征.晶硅层及n型磷掺杂晶硅层的钝化结构，并成功制备了应用此钝化结构的HJT太阳电池，推动了HJT太阳电池向工业化生产的迈进。1986年，Nakano等4将p型碳化硅与a-Si:H结合，制备了超晶格HJT太阳电池结构，此类太阳电池的光电转换效率达10.5%,刷新了当时此类太阳电池的光电转换效率纪录。口本松下公司对HJT太阳电池进行了持续的研究开发工作，1994年其研发的HJT太阳电池的光电转换效率达到14.5%,随后其在面积为1cm2的HJT太阳电池上实现了20%的实验室光电转换效率,并于1997年注册了H1.T

4、R商标,正式开始了HJT太阳电池的商业化进程5。2009年,Taguchi等6在厚度低于100Um的薄硅片上制备了HJT太阳电池，为降低该类太阳电池制造成本指出了一个方向。2014年，Taguchi等7制备出光电转换效率为24.7%的HJT太阳电池，刷新了当时此类太阳电池的光电转换效率纪录。2017年，Yoshikawa等将HJT技术与插指背接触（IBe）技术结合，制备出面积为180cm2的HJ-IBC太阳电池,其实验室光电转换效率超过26%o2020年，中国的汉能薄膜发电集团有限公司与北京工业大学合作，在面积为244.5cm2的硅片上制备出光电转换效率达25.1照的HJT太阳电池,推进了大面

5、积HJT太阳电池的商业化进程8。2021-2022年，隆基绿能科技股份有限公司（下文简称为“隆基绿能”）在面积为274.4cm2的硅片上先后制备出了光电转换效率分别为26.3%和26.5%的HJT太阳电池,连续刷新了HJT太阳电池的光电转换效率纪录9.本文对HJT太阳电池的结构及能带结构进行简述，从衬底和表面制绒技术、a-Si:H薄膜技术、透明导电氧化物(TCO)薄膜技术、金属化电极技术等方面对HJT太阳电池关键技术的研究进展进行分析，并从制造成本、TCO薄膜材料及叠层太阳电池技术等方面对HJT太阳电池未来的技术研究方向进行展望。1、HJT太阳电池介绍1. 1HJT太阳电池的结构HJT太阳电池

6、通常以n型单晶硅(n-c-Si)材料为衬底，在衬底正面分别沉积氢化本征非晶硅(i-a-Si:H)薄膜和p型掺杂氢化晶硅(p-a-Si:H)薄膜，顶层分别是TCO薄膜和正面电极：背面分别为i-a-Si:H薄膜、n型掺杂氢化非晶硅(n-aSi:H)薄膜、TCO薄膜及背面电极。HJT太阳电池的基本结构如图1所示。HJT太阳电池的制备流程为：1)采用氢氧化钾与添加剂的混合溶液对硅片表面制绒，用于提高硅片对入射光的吸收率：2)通过化学气相沉积(CVD)法在硅片正面分别沉积i-a-Si:H薄膜和p-a-Si:H薄膜,形成异质结，在硅片背面分别沉积i-a-Si:H薄膜、n-a-Si:H薄膜,形成背表面场：3

7、)采用物理气相沉积(PVD)法在正面和背面的掺杂a-Si:H薄膜表面分别沉积TCO薄膜，用于实现减反射效果，并协助收集正、背面电流；4)通过丝网印刷的方式在正、背面分别形成金属栅线，并通过低温退火工艺固化金属栅线，最终形成电极，收集电流。该制备流程步骤简单，工艺温度低，有效避免了高温对硅片性能的影响。HJT太阳电池的制备流程图如图2所示。1.2 HJT太阳电池的能带结构HJT太阳电池的能带描述了该太阳电池各部分材料禁止或允许电子所带有的能量。HJT太阳电池的能带结构如图3所示。从图3可以看出：在n-c-Si衬底，电子在晶体硅导带上运动形成电流；在n-c-Si衬底与n-aSi:H薄膜接触面能带出

8、现弯曲，导致电子在界面处积累，电子通过直接隧穿的方式在n-c-Sii-aSi:H界面上进行传输，隧穿机制包括场发射、热发射10及陷阱辅助隧穿1U;而在n-c-Si衬底与p-a-Si:H薄膜接触而能带也出现弯曲，导致空穴在界面处积累，在此界面，电子被势垒拦截，电流基于正电荷在价带上运动，空穴通过直接隧穿的方式在n-c-Si/i-a-Si:H界面上进行传输。在n-a-Si:H/TCO界面，由于TCO薄膜的导带能级低，能带匹配良好，电子可以正常传输：在p-a-Si:H/TC0界面，当p-a-Si:H薄膜的激活能低于TCO薄膜导带和劣米能级之间的带隙时，p-aSi:H薄膜的空穴能级传输到TCO薄膜导带

9、，能级将发生跃迁，该跃迁是基于TCO薄膜带隙间的能级跃迁及陷阱辅助跃迁实现的。因此，TCO薄膜的激活能及掺杂浓度是影响能带匹配的重要参数，将直接影响p-a-Si:H薄膜与金属化电极接触时的电荷传输特性。2、HjT太阳电池关键技术的研究进展1.3 衬底和表面制绒技术HJT太阳电池衬底常使用采用直拉技术的11型单晶硅片（即n型宜拉单晶硅片），而并非市场上主流使用的采用直拉技术的P型单晶硅片（即P型直拉单品硅片）。这主要是因为：1）大部分过渡金属点缺陷的电子俘获截而大于空穴俘获截面，因此以电子为少数载流子的P型直拉单晶硅片的俘获截面更大，会导致HJT太阳电池的填充因子更低：且对于相同的杂质浓度，n型

10、直拉单晶硅片的体区少数我流子寿命通常比p型直拉单晶硅片的高12。2）光照可能会引起P型直拉单晶硅片的光致衰减现象，尤其是当硼和氧或硼和铁同时存在时；而n型直拉单晶硅片不存在该机理引起的光致衰减现象。3）p型宜拉单晶硅片的表面态主要以硅悬挂键的形式存在，具有较大的电子空穴俘获截面比，因此P型直拉单晶硅片的钝化效果不如n型宜拉单晶硅片的钝化效果好。11型单晶硅片的晶面通常为（Io0）,由于各晶向的键密度不同，可以采用氢氧化钾和添加剂混合溶液对硅片表面进行各向异性腐蚀，形成“金字塔”形绒面,使硅片表面入射光反射率下降至12%以下13。在“金字塔”成形以后，采用各向同性刻蚀的硝酸/氢翅酸腐蚀系溶液对金

11、字塔绒面进行圆化，在降低“金字塔”锋利程度的同时，可有效降低亚微米级“金字塔”的密度，以便于降低硅片表面的粗糙度，为后续M晶硅层钝化提供便利：最后采用RCA方法对硅片进行清洗，去除硅片表面残留的有机物和金属离子，保证硅片表面的清洁。硅片表面制绒后及圆化后的表面形貌的扫描电子显微镜（SEM）图如图414所示。1.4 a-Si:H薄膜技术沉积a-Si:1.1.薄膜是HJT太阳电池最核心的工艺步骤。在硅衬底上沉积a-Si:H薄膜能够有效钝化硅片表面的悬挂键，降低缺陷态密度，大幅提升硅片的少子寿命15,并形成c-Si/a-Si:H界面。工业大规模沉积i-a-Si:H薄膜所采用的方法是等离子体增强化学气

12、相沉积（PECVD）法，气源是经氢气稀释后的硅烷，沉积时的频率通常采用13.56MHz射频或40MHz甚高频16。在生长i-a-Si:H薄膜时，通过调节氢气稀释程度或在沉积过程中在硅片表面形成极薄的氧化硅薄膜均有利于抑制外延层生长17,保证i-a-Si:H薄膜的钝化性能。由于a-Si:H/TCO界面的接触电阻对P型掺杂发射层的掺杂浓度非常敏感，因而沉积p-a-Si:1.1.薄膜通常使用更高的掺杂浓度，这虽然会轻微影响HJT太阳电池的电学特性,但却能保证p-a-Si:H/TC0界面的接触电阻，进而保证HJT太阳电池的填充因子18。a-Si:H薄膜材料存在两个光学问题：1）对波长低于500nm的短

13、波入射光存在寄生吸收的问题，会造成太阳电池约1.5mcm2的电流密度损失；2）a-Si:H薄膜（折射率约为4.3）会与TCO薄膜（折射率约为2）及c-Si衬底（折射率约为3.8）产生光学失配，造成入射光反射率增高。通过引入氢化/晶硅氧化硅（a-SiOx:H）薄膜来替代a-Si:H薄膜，可以提升硅片正面的透光性，降低光学损失19。近期，更多的研窕集中于使用掺杂氢化纳米晶体硅（nc-Si:H）薄膜或掺杂氢化微晶硅（UC-Si:H）薄膜来替代a-Si:H薄膜作为HJT太阳电池的载流子选择层200在nc-Si:H薄膜或c-Si:H薄膜中,纳米晶粒或微米晶粒嵌入非晶硅原子阵列中，氢会存在于非品相及纳米晶

14、粒的晶界处21。随着晶化率FC的增加，薄膜的透光性及导电性都将有所提升，载流子的电导率也将呈指数级提升，非常有助于提升HJT太阳电池的填充因子。在波长为633nm时,不同薄膜的电导率随折射率n的变化趋势如图521所示。不同晶化率薄膜在不同光子能量下的吸收系数如图622所示。2. 3TCO薄膜技术由于a-Si:H薄膜的横向电导率很差，因而必须沉积1层TCO薄膜来实现载流子的传输。TCO薄膜的工业制备方法为PVD法或反应等离子沉积(RPD)法。PVD法的基本原理是在电场和磁场下，使氨气分子电离为离子，并轰击靶材，使靶材表面的原子脱离品格逸出，溅射出的离子沉积到衬底表面，从而形成薄膜。PVD法具有镀

15、膜均匀性好、工艺稳定、易于控制、靶材寿命较长的优点：缺点为离子对靶材表面的轰击较重，可能造成靶材表面或薄膜的损伤。RPD法的基本原理是通过等离子枪将氧离子通入工艺腔内，在磁场作用下到达靶材，使靶材表面升华，蒸镀在衬底上，从而形成薄膜。RPD法具有离子轰击能量低、靶材表面损伤小、沉积温度低、能够大面积高速率生长薄膜的优点，缺点是镀膜整体均匀性比PVD法制备得到的差。TCO薄膜是一种由多组分金属氧化物组合而成的半导体材料，其包含1种或两种金属元素。该薄膜的电阻需要足够低，以避免导致HJT太阳电池填充因子降低。降低膜层电阻的唯一方法是提高薄膜内的自由载流子浓度。HJT太阳电池正面的TCO薄膜还可以起

16、到减反射的作用，其厚度与少数载流子迁移率由所选材料确定。但TCO薄膜中的H山我流子会吸收红外光，造成HJT太阳电池光学性能损失，导致其短路电流下降23的同时，还会影响少数载流子迁移率的水平24。因此，对于HJT太阳电池正面的TCO薄膜而言，不仅要在HJT太阳电池设计阶段就选出合适的材料，而且在HJT太阳电池制备过程中也要不断调节工之，使TCO薄膜在电阻、光学特性及少数载流子迁移率方面取得平衡。TCO薄膜的电阻率可通过掺杂工艺来调节，最低可达到10-4Qcm：禁带宽度可达到3eV以上25。HJT太阳电池最常用的TCO薄膜材料是氧化锢锡（In）,其能够在不损失光学特性的情况下提升薄膜的导电性能。2

17、019年，SoUSa等25制备出厚度为248nm的ITo薄膜，其在可见光范闱内的平均透光率可达到90%,我流子浓度达到了26X1019cm3,薄膜电阻仅为23Q.2. 4金属化电极技术在同质结晶体硅太阳电池中，金属浆料通常会使用700800C的烧结温度来实现欧姆接触，降低接触电阻,而HJT太阳电池的金属化电极工艺温度只允许采用低于200C的低温工艺，主要是为了避免损坏棚线下面的各层薄膜，尤其是对温度敏感的a-Si薄膜26,因此，HJT太阳电池的金属化电极工艺需要在低温条件下实现金属电极与高电导率TCo薄膜的良好接触。HJT太阳电池工业化生产中金属化电极工艺最常采用的是丝网印刷技术，其采用的银浆

18、通常含有银颗粒、树脂粘合剂、有机溶剂、固化剂等。银颗粒是电极的导电主体，占据浆料重量的90%以上：树脂充当银颗粒的粘合剂，并实现电极与TCO薄膜的粘附：有机溶剂通常由低沸点的短链碳氢化合物组成，用于调节银浆的流变性和涧湿性,且其加热后易挥发；固化剂的作用是促进树脂粘合剂在低温固化期间的聚合27。通过低温固化形成的电极通常具有相对较高的体电阻率，因此需要较大量的银浆，以确保HJT太阳电池具有.较高的填充因子，导致电极的制备成本较高。由于具有较高的表面能，低温固化状态中的纳米级银颗粒通常是呈点对点接触。文献28的研究结果证明，微米级片状银粉和纳米级颗粒状银粉的组合可以显著改善通过低温同化形成的电极

19、的导电性。不同形状银颗粒低温固化后形成的电极的截面SEM图如图728所示。低温银浆的体电阻率在固化后可以达到4Qcm29,体电阻率的下降有助于减少银浆耗量，降低栅线宽度，提升HJT太阳电池的光电转换效率。3、HJT太阳电池的未来展望3. 1低成本HJT太阳电池根据德国机械设备制造商协会(VDMA)发布的(2022年国际光伏技术路线图(ITRPV),HJT太阳电池的市场份额会缓慢增长，将于2024年达到10%,2032年接近20%30制约HJT太阳电池市场份额增长的主要因素是相对较高的制造成本。在HJT太阳电池的制造成本构成当中，硅片及金属化电极成本占据了较大比重31,降低这两项成本势在必行。由

20、于HJT太阳电池结构对称，且整个制备工艺的温度不超过200C,因此，其相较于其他类型晶体硅太阳电池，HJT太阳电池更具有薄片化优势，而薄片化有助于降低硅片成本。随着金刚线切割技术的日臻成熟，硅片厚度总偏差已逐步降至IOum以下，硅片厚度也降至150um以下30o此外，采用抗拉强度更高的铅丝替代高碳钢丝作为金刚线的母线,可以使金刚线更细，有望切割成更薄的硅片；而超薄硅片的使用也依赖于设备自动化技术的进步，已有关于厚度为130m的硅片应用于HJT太阳电池的报道,太阳电池碎片率低于0.3%32o可以看出，HJT太阳电池的薄片化趋势已经形成。现有的低温银浆采用了降低银颗粒尺寸和提高固含量的技术方案，使

21、金属化电极成本一直居高不下。在HJT太阳电池金属化电极技术革新中，采用更便宜的铜来替代银制作电极成为更加可行的技术方案33。低温银包铜丝网印刷技术是一种有效降低金属化电极成本的技术方案，即通过在铜颗粒上镀1层银壳实现银包铜颗粒的制备，并以此颗粒作为制备银浆的基础颗粒，可降低约60%的银浆耗量34。该技术能够通过成熟的丝网印刷技术实现，是一种较易实现商业化的技术方案。另一种降低金属化电极制备成本的方案是采用铜电镀技术。利用铜电镀技术制备的铜电极图形化有两种技术方向：1）印刷银种子层，以种子层为电极促进铜在银的周围电镀成电极，该方法对银浆的节省相对较少：2）采用掩膜的方法，在非电极位置制备阻挡层，

22、在后续电镀过程中可实现电极图形化。该方案可以实现无银电极的制备，但增加了掩膜步骤35,会限制成本下降幅度。苏州迈为科技股份有限公司（下文简称为“苏州迈为”）和澳大利亚的SunDrive公司报道了电极基于铜电镀技术的大面积（274.5m2）HJT太阳电池,其光电转换效率可达26.4相，并得到了德国哈梅林太阳能研究所（ISFH）的认证36,证实了铜电镀技术的可行性。但铜电镀技术的产业化还需解决几个问题：D简化铜电镀工艺的流程，实现低成本电镀；2）避免因掩膜孔洞造成的“鬼镀”：3）提升电镀棚线的粘结力。攻克这些技术壁垒后，铜电镀技术通往产业化的大门将有望打开。相较于其他晶体硅太阳电池，n型HJT太阳

23、电池具备更高的光电转换效率，更低的温度系数和工作温度，不存在基于硼氧对的光致衰战问题37。这些优异特性使其在相同环境条件下的发电量更多，进而在计算平准化度电成本（1.CoE）时更具优势38可以预期，未来有利于降低HJT太阳电池制造成本的新技术研究将持续展开，低成本HJT太阳电池将成为更具竞争力的太阳电池。3. 2新型TCO薄膜材料姻作为贵金属之一，是现有HJT太阳电池中TCO薄膜最重要的成分之一。HJT太阳电池正面TCO薄膜采用的ITO或氧化锢鸨（IM）材料都包含烟。基于2019年钢的全球总产量，假设其20%用于HJT太阳电池,仅能支持3595GW的HJT太阳电池产能39。随着HJT太阳电池产

24、能的快速增加，低含锢量及无掴HJT太阳电池的开发势在必行。已有部分研究团队在这方面实现了技术突破，隆基绿能制备的无钢HJT太阳电池的光电转换效率达到了25.40%,创造了2022年此类太阳电池的世界纪录40。苏州迈为联合SunDrive公司采用低含掴量的TCo薄膜材料制备出了光电转换效率达25.9,战的HJT太阳电池41,因此，未来将有更多关于无纲TCO薄膜技术的研究，来克服HJT太阳电池的产能瓶颈。3. 3叠层太阳电池技术单结晶体硅太阳电池理论光电转换效率的极限不超过30%42,因此，随着晶体硅太阳电池技术的不断进步，单结晶体硅太阳电池的光电转换效率终将趋于理论极限值，届时叠层太阳电池将成为

25、进一步提升太阳电池光电转换效率的重点发展方向。登层太阳电池是利用禁带宽度更宽的钙钛矿或川-V族化合物作为顶层太阳电池，使叠层太阳电池能更高效地吸收短波长太阳光；利用晶体硅太阳电池或其他窄禁带宽度的太阳电池作为卷层太阳电池的底层，使残层太阳电池便于吸收长波长太阳光，从而实现整个太阳电池光电转换效率的进一步提升。当钙钛矿太阳电池采用禁带宽度为1.65-1.70eV的晶体硅时,其理论光电转换效率的极限可达到44%左右43,对以钙钛矿太阳电池作为顶层太阳电池的登层太阳电池来说，是一条常有吸引力的技术路线。许多类型的硅基太阳电池，比如：HJT太阳电池、PERC太阳电池及IBC太阳电池，都可以被用作钙钛矿

26、/硅基叠层太阳电池的底层太阳电池。HJT太阳电池的顶层是TCO薄膜，而TCO材料是登层太阳电池的常用层和接触材料：此外，与其他晶体硅太阳电池相比，HJT太阳电池的光电转换效率、开路电压、温度系数、近红外光吸收能力都更优异，因此，叠层太阳电池采用钙钛矿/硅异质结结构具有优势44。然而，由于HJT太阳电池的温度耐受性有限，通常只能在20Oe以下的条件下工作，因而限制了叠层太阳电池中顶层太阳电池的加工流动性，特别是对于含有二氧化钛的退火温度超过400C的钙钛矿层的影响尤为明显。因此，容忍更高的工艺温度，以便于搭配更多种类无机钙钛矿材料，是应用于叠层太阳电池的HJT太阳电池未来面临的挑战之一。4、结论本文简述了HJT太阳电池的结构及能带结构，从衬底和表面制绒技术、a-Si:H薄膜技术、TCO薄膜技术、金属化电极技术等方面对HJT太阳电池关键技术的研究进展进行了分析，并从制造成木、TCO薄膜材料及段层太阳电池技术等方面对HJT太阳电池未来的技术研究方向进行了展望。虽然HJT太阳电池具有工艺流程简单、光电转换效率高、功率衰减低、温度系数低、工作温度低等优势；但其制造成本较高，导致其市场份额上升缓慢，而采用铜电极、无钢或低含烟量TCO薄膜技术是降低HJT太阳电池制造成本的有效方法，一旦突破成本瓶颈，HJT太阳电池未来的应用空间将更加广阔。