异质结电池简介

异质结电池简介HIT是HeterojunctionwithIntrinsicThin－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（SiliconHeterojunctionsolarcell）。1992年三洋公司的MakotoTanaka和MikioTaguchi第一次成功制备了HIT（HeterojunctionwithIntrinsicThinLayer）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。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-Si：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。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（运用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%）。MeyerBurger）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。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α-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(danglingbond)。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。非晶硅的特点：（1）较高的光吸收系数,在0.4~0.75μm的可见光波段,其吸收系数比单晶硅要高出一个数量级,比单晶硅对太阳能辐射的吸收率要高40倍左右,用很薄的非晶硅膜(约1μm厚)就能吸收约80%有用的太阳能；（2）且暗电导很低,在实际使用中对低光强光有较好的适应,特别适用于制作室内用的微低功耗电源。（3）禁带宽度比单晶硅大,随制备条件的不同约在1.5~2.0eV的范围内变化,这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高。其光学带隙为1.7eV,使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感。HIT电池中本征非晶硅层的作用：钝化硅片表面，减少Dit（界面态密度），增加电池的少子寿命；体硅电池中，硅片在未钝化前，表面复合速率一般大于1*105cm/s；氮化硅钝化后可降到1*103cm/s以下，效果很好时可降到102cm/s以下；此处钝化，降到了10cm/s以下。本征a-Si：H具有很好的钝化晶体硅表面缺陷的作用，极大地降低了晶体硅的表面复合，复合速率可降至3cm/s，确保了电池很高的开路电压。异质结电池的内建电势与非晶层的掺杂和TCO均有关。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，掺杂层和衬底被分开了，因此问题得到解决。HIT结构的本质特征是使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HIT电池的前提和关键。(1)制绒清洗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O3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。(2)非晶硅沉积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，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。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。HELiAPECVD采用PECVD（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光伏设备制造专业公司INDEOtecSA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”概念，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。(3)TCO制备工艺流程沉积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。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。(4)丝网印刷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。RPD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RPD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