异质结技术:通往高效组件大规模生产之路
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作者｜Igor Shakhray，Alexey Abramov等
出品｜PV-Tech（ID:PVTechCN）
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摘要
异质结技术是目前硅光伏行业积极讨论的热门话题。Hevel最近成为首批采用其旧的微晶组件生产线用于生产高效硅异质结（SHJ）太阳能电池和组件的公司之一。根据Hevel自身的经验，本文将介绍从硅片制绒到最终组件封装的所有生产步骤。
引文
近年来，硅光伏产业中的许多太阳能电池和组件生产商被迫升级现有生产线使其适应新技术的生产，从而能够向市场提供高效和低成本的组件。最常见的升级改造是从Al背面场（Al-BSF）到钝化发射机和背电池（PERC）技术，因为后者能与用于标准技术的现有生产线兼容。不过，依靠氢化非晶硅（a-Si:H）实现优异的晶体硅（c-Si）表面钝化性将使得将硅薄膜生产线上成本最高的部分—称为等离子体增强化学气相沉积（PECVD）系统用在硅异质结（SHJ）技术上成为可能，并且最近已经由Hevel LLC实现。
“SHJ太阳能电池的简单结构，结合其高效率和低温处理的优势，使它们对光伏产业非常有吸引力”
SHJ太阳能电池的简单结构，结合其高效率和低温处理的优势，使它们对光伏产业非常有吸引力。这就是为什么Hevel已决定将其非晶硅/微晶硅生产线(其中包括了大量的PECVD系统(从TEL太阳能KAI-MT PECVD反应器))进行现代化改造，并使之成为一条新的SHJ产线。Hevel是在2017年4月份使用由其公司内部薄膜技术研发中心（TFTE—Hevel一个研发部门）开发的SHJ太阳能电池技术成功实现向SHJ太阳能电池和组件生产线转型的。
在该转型项目的第一阶段，年产能从最初的97MWp（非晶硅/微晶硅生产线）增加到160MWp，大规模生产SHJ电池的平均效率为21％。Hevel选择Meyer Burger的SmartWire电池技术（SWCT）用于SHJ组件封装的互连。在项目的第二阶段（2017年6月至2019年5月），Hevel生产线的生产能力增加到了260MWp，大规模生产的平均电池效率为22.8％。
技术开发
从图1中可以看到，SHJ电池的结构非常简单，并且仅需要6道工艺制造步骤。通常，SHJ电池由n型c-Si硅片制成，该硅片在两侧涂覆有薄的本征和掺杂的a-Si:H层。厚度只有几纳米的超薄本征a-Si:H层对SHJ电池的性能有着至关重要的影响。这些层的作用是通过化学钝化c-Si硅片表面上的悬空键以形成Si-Si和Si-H键来抑制表面复合的，以及防止在沉积掺杂层期间由掺杂剂原子产生缺陷。掺杂的层完全被氧化铟锡（ITO）膜覆盖，然后使用低温导电（LTC）Ag浆料丝网印刷接触金属栅格以进行电流收集。为了增强ITO层和接触栅格的性能，需要进行一次低温退火。
图一：(a)传统SHJ太阳能电池的剖面结构图。(b)SHJ电池的主要制造工艺步骤。
用于SHJ电池的硅片
与所有高性能c-Si太阳能电池的情况一样，硅片质量是实现高效SHJ电池的关键。虽然文献中报道的记录效率值是使用高纯度浮区（FZ）c-Si硅片制造的，但Czochralski工艺的发展和多晶硅质量的不断提高使得在不大幅提高成本的情况下有效降低CZ硅片中的杂质浓度。结果，最近SHJ电池的开路电压（Voc）值达到了750mV。
到目前为止，只有单晶CZ硅片已被用于SHJ太阳能电池的大规模制造。用于高效太阳能电池的单晶硅片的电学特性由杂质和掺杂剂浓度决定。由于这些参数的测量需要使用在大规模生产过程中难以应用的特殊技术，因此在实际生产中通常测量少数载流子寿命和硅片电阻，并成为检测硅片或硅锭质量的主要参数。这些参数通常沿着硅锭和硅锭之间变化，它们的变化曲线取决于硅锭生长过程和后处理的细节。因此，已经提出使用测量的寿命/电阻比值作为硅片和异质结质量的累积表征值。最近的研究还表明，对于Voc> 750mV的SHJ电池必须使用寿命—电阻率大于4ms /Ωcm的钝化硅片。
SHJ技术在降低成本方面最显着的优势是所有工艺步骤均在低温（<250°C）下进行，这有利于在SHJ太阳能电池生产中使用薄硅片。金刚石线锯技术的应用使得硅片切片技术不断进步，目前可以实现厚度小于160μm的低成本硅片的大规模生产。最近在SHJ生产过程中甚至成功实现了切割厚度为150μm的硅片，同时不增加组件功率损耗，如图2所示。虽然SHJ电池厚度的进一步减小也可能不会导致效率的大幅损失，但要实现薄硅片的大规模生产目前还是受到了操作过程的限制，例如操作不当会导致硅片破损率过高。
当电池生产将切割硅片厚度降到150μm时，Isc的轻微下降可由Voc增益部分地补偿回来，从而使效率损失控制在非常小的程度（<0.1％）。在组件层面，电池效率的损失则可以通过电池—组件(CTM)比率降低10％完全补偿回来。硅片厚度降低到150μm带来的总体平均收益使每块组件功率提升1-1.5W。
最近一次对硅片的更新是在2019年5月进行的。现有的SHJ生产线能够适用于尺寸为157.35mm×157.35mm（M2 +硅片）的硅片生产。基于这种硅片进行电极接触网格的优化设计可以使每片电池功率增加0.15W（图3）。 Hevel研发中心目前还使用M4和M6硅片以及氧浓度更低的硅片和全方形硅片进行进一步开发。
硅片制绒和清洁
与其他c-Si 光伏技术一样，SHJ电池生产流程的第一步是湿化学处理。通常包含以下步骤:
• 蚀刻硅片的高缺陷表面部分（表面损伤蚀刻—SDE）。
• 形成特殊的表面形貌（制绒），减少硅片表面（TEX）的光反射。
• 清洁硅片表面以去除有机和金属杂质。
“生产高效SHJ电池需要强化清洁程序”
虽然基于各向同性（SDE）和各向异性（TEX）碱性蚀刻的前两个步骤与其他硅光伏技术中的相似，但最后一步却有较大差异。为了获得高质量的表面钝化，硅片表面应该保持格外干净。因此，生产高效SHJ电池需要强化清洁程序；这包括从c-Si硅片表面去除残留的有机、离子和金属污染物（源自湿法蚀刻/制绒溶液）。此外，在每次化学处理之间使用重去离子（DI）水冲洗步骤。湿化学处理以短暂的HF浸渍结束，目的是在a-Si:H PECVD工艺之前去除原生氧化物并用氢原子钝化c-Si表面。
Hevel一直致力于稳定和优化硅片制绒和清洁工艺。其中一项优化步骤是向单组分制绒添加剂转变；这有助于增加寿命并减少化学试剂的消耗。
图二：硅片厚度为150um时的结果。
图三：大面积硅片(M2+)的性能表现。
表面钝化和结形成
高质量的表面钝化是提升高效硅基太阳能电池Voc值的关键。而在c-Si硅片和掺杂的a-Si:H层之间插入薄的（<10nm）氢化非晶硅（a-Si:H）层可以有效提升Voc值。在过去的二十年中，许多研究团队已经大大改善了SHJ电池的表面钝化，使Voc值接近750mV；这一结果已经接近理论极限（760mV），足以显示该技术的特殊吸引力。
通常，a-Si:H / c-Si界面应该控制在原子级厚度，这是保证良好表面钝化的必要条件，这意味着避免了硅外延生长，即没有形成结晶材料。这可以通过在沉积过程中适当调整a-Si:H膜性质来实现。实际上，a-Si:H层通常是采用PECVD方法在接近200℃温度下的纯硅烷或硅烷—氢混合物中的平行板电容耦合等离子体放电进行生长的。表面钝化的最关键工艺参数似乎是氢—硅烷气体流量比和RF功率密度，而气体压力可能影响膜厚度均匀性。
掺杂层的性质也会对电池性能产生很大影响：例如，适当调整n层的厚度和掺杂分布可以使电池效率增加0.5％，而调整p层的收益约为0.1％。
“提高背面ITO层透明度并减薄厚度可以提高电池效率，这是因为能够更好利用IR部分光谱的光线”
透明导电氧化物
ITO层通常在SHJ电池中用作透明导电氧化物层，对其特性进行优化非常关键，特别是对于双面HJT太阳能电池。在Hevel的研发中心进行了对ITO溅射磁控管靶的各种化学计量含量的研究。发现提高背面ITO层透明度并减薄厚度可以提高电池效率，这是因为能够更好利用IR部分光谱的光线。这一改进可以使组件功率增加3.7W，因为CTM损失较低，并且能够降低电池生产成本，因为90:10的ITO目标比标准的97:3 ITO目标便宜约6％。2018年第一季度Hevel的生产线上第一次采用了优化的ITO配比。
图四：通过在磁控溅射期间添加Ar/H2混合气体对ITO层的优化结果。
用于ITO层优化的另一种方法是在磁控溅射期间添加Ar/H2混合物（图4）；这种方法可以使每片电池的功率增加20mW。此外，目前还在试验许多其他具有更高霍尔迁移率的磁控靶材。其中一些靶材料已经在Hevel的研发中心进行了测试，并得到了令人鼓舞的结果，这些结果也在实际产线的进一步测试中得到证明。
为了尽可能降低电池生产成本，现在正在考虑使用称为狗骨靶材的新材料。这种靶材可以降低靶材消耗，从而进一步降低电池生产成本。我们已经做了一些额外的改进工作，其中包括对物理气相沉积（PVD）托盘进行优化，同时修改接触电极网格的设计以尽可能降低非有效区域造成的损失。采用上述电池进行封装的组件实现了1.8W的平均功率提升。
金属化
与传统的同质结c-Si太阳能电池相比，制造SHJ太阳能电池的工艺要求具有几个优点。第一个优点是异质结形成期间的低热预算；a-Si:H和ITO层的沉积温度通常低于250℃。其次，对于SHJ电池，形成a-Si:H/c-Si结和接触层所需的时间也比基于热扩散工艺的常规c-Si太阳能电池短。第三，SHJ太阳能电池的低工艺温度和对称结构，抑制了硅片翘曲。
然而，使用低温工艺也存在弊端，主要是标准的烧穿金属化技术（烧制温度在800-900℃范围内）不能用于SHJ电池。这是因为a-Si / c-Si异质结不能承受高于200-250℃的工艺温度，此时来自异质结内表面的氢气渗出会对电池性能产生不利影响。由于这个原因，通过丝网印刷对SHJ电池进行金属化时需要使用低固化温度（LCT）银浆，这是目前用于金属栅格沉积的最先进技术。
表一：罗列了标准和优化BOM后的I-V特性结果平均生产值，包括电池功率的优化。
图五：Hevel的产线。
电池互连和组件封装
互连工艺是整个SHJ电池工艺链的瓶颈：用于传统c-Si电池互连的焊接工艺与LTC Ag焊膏不兼容，而后者是因为a-Si / c-Si异质结的温度限制才被用于替代标准烧穿银浆材料的。低温型浆料的体电阻率较高（是高温浆料的2至3倍）和焊接后粘附性也较低。通常，低于1N/mm的力都能使Ag主栅从ITO表面剥离。
为了克服这一限制，已经提出了新的电池互连技术，例如使用导电粘合剂（ECA）粘合带，或者使用嵌入式InSn涂层电线的箔带实现低温粘黏来进行多线互连（Meyer Burger的SmartWire连接技术）—SWCT。熔点约120℃的InSn合金对Ag浆料和ITO层本身具有良好的粘合性；因此，在加热处理之后实现导线和电池表面之间的合金接触。SWCT技术不需要连接带与金属化网格之间的定位非常准确，而这是多线技术的主要挑战之一。在SWCT中将电池初始连接到电线上，不需要将电线精确焊接到焊盘上，并且通常通过含有粘合剂层的箔来完成，这允许使用大量（最多24个）相对较细的直径为200-250μm的电线。
“电池生产的总体改进（更高的FF，导致更低的CTM）和Hevel生产线上的组件封装使得2017年第四季度至2019年第二季度的平均功率从300W增加到318W。”
通过优化SWCT组件材料清单（BOM）—即通过调整层压箔的光学特性和电线的电气特性—Hevel实现了将60片电池组件功率比标准BOM提高9W，并且不增加材料成本（见表1）。
图六：Hevel产线的视觉检查站
电池生产的总体改进（更高的FF，导致更低的CTM）和Hevel生产线上的组件封装使得2017年第四季度至2019年第二季度的平均功率从300W增加到318W。
2019年6月，Hevel开始使用胶合五主栅电池建立了一条新的双玻组件封装线。计划于2019年7月全面启动。新的双玻组件将提升额外的产能，因为它们可以为发电厂提升高达30％的额外组件功率。
Hevel新装配线的另一个优点是采用特殊的陷光带（LCR）；它能够扩散反射光，可以使组件效率提高4％（根据生产商数据）。因此，下一代Hevel组件具有更高的效率以及更高的耐用性和稳定性，这是玻璃—玻璃结构带来的结果，同时可以降低组件衰减。
总结
在破纪录项目计划里，Hevel将其子公司研发中心TFTE开发的工艺使其低产能（97MWp）非微晶组件生产线提升为中等产能生产线（260MWp），并用于生产高效SHJ电池/组件（图5和图6）。在关闭薄膜生产线后不到两年的时间内，平均电池效率达到了22.8％（最高效率超过23.5％），使大规模平均60片组件功率提升到318W（最大组件功率甚至达到328W）。
致谢
作者希望感谢他们的设备供应商对Hevel生产线设备给予的支持，以及Skolkovo基金会对使用其实验室设备的资助。
备受瞩目的国际知名能源媒体中国行已正式落下帷幕，外媒记者团于2019年12月3日-12日专程赴西安、西宁、成都、合肥、苏州拜访了中国领先的光伏企业，活动结束后各国记者将用本国语言撰写活动稿件。
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