市场为何选择了HJT？

全球光伏 2023-01-12

HJT 技术仅有有四道工序，分别为清洗制绒、非晶硅薄膜沉积，TCO 薄膜制备和丝网印刷。其中清洗制绒和丝网印刷都是传统硅晶电池的工艺，HJT 独特的工艺在于非晶硅薄膜沉积和 TCO 膜的沉积。HJT技术大大减化了制备流程，未来更容易实现产业化和流程化。

（一）HJT 的发展进程和基本结构

自1974年Waler Fuhs首先提出了非晶硅与晶硅材料结合的HJT结构开始，HJT电池的发展进入起始阶段。1989年三洋集团首次成功开发了运用HJT结构的太阳能电池，并申请专利，效率达到15%。1997年三洋为HJT申请注册商标，并开始提供商业化光伏组件，HJT电池进入初步发展阶段。2010年后，松下对HJT电池的专利保护结束，各电池厂商们迎来了大力发展该技术的机会，HJT电池进入工业生产阶段，在这个阶段中，HJT电池的转换效率不断提升，2017年HJT电池迈入商业化阶段，关注进入HJT行业的公司增加，进入小批量生产阶段，随着100MW规模以上产能投入运营的数量持续增加，预计未来HJT电池还将获得不断的发展。截至2021年2月，HJT电池的最高实验室效率已达到29.52%，量产效率达到24.53%。
HJT电池结构，首先在N型单晶硅片（c-Si）的正面沉积很薄的本征非晶硅薄膜（i-a-Si:H）和P型非晶硅薄膜（p-a-Si:H），然后在硅片的背面沉积很薄的本征非晶硅薄膜（i-a-Si:H）和N型非晶硅薄膜（n-a-Si:H）形成背表面场，再在电池的两面沉积透明氧化物导电薄膜(TCO)，TCO不仅可以减少收集电流时的串联电阻，还能起到减反作用，最后在TCO上制作金属电极。

（二）工艺流程简洁，非晶硅薄膜和 TCO 膜沉积是关键

HJT技术有四道工序，分别为清洗制绒、非晶硅薄膜沉积，TCO薄膜制备和丝网印刷。其中清洗制绒和丝网印刷都是传统硅晶电池的工艺，HJT独特的工艺在于非晶硅薄膜沉积和TCO膜的沉积。
清洁制绒——对清洁度要求更高，主流工艺为RCA法。硅片经过前期的工序加工后，表面可能受到有机杂质、颗粒、金属离子等沾污，在制作电池的第一步都是对硅片进行清洗，同时为了增加对光的能量吸收以及提升钝化效果，在硅片表面腐蚀出金字塔形貌以作为陷光结构也非常重要。异质结电池要形成高钝化的a-Si:H/c-Si（n）界面，硅面表面清洁度要更高。在对硅片进行湿法处理之前有三个步骤，分别是去除硅片切割过程的损伤、制绒和表面清洁，目的是除去有机物的金属杂质。清洗主流工艺为RCA法。RCA法最早由美国Radio Corporation of America研发用于半导体晶圆清洗工艺，该工艺包含SC1和SC2两个步骤，分别使用NH4OH、H2O2和HCI、H2O2。由于NH4OH 和H2O2本身的挥发性较强，而RCA工艺温度高于60摄氏度更是加剧了其挥发，从而引起更高的清洗成本。另外一种新的清洗工艺是以臭氧法，臭氧去离子水（DIO3）不仅可以更高效地去除有机杂质和金属杂质，同时减少化学品的消耗，而且不会产生含氮废水。根据测算，臭氧清洗的异质结电池转化效率比RCA最高可高出绝对值0.45%，臭氧清洗工艺已于2015年开始在异质结规模化生产中进行推广，但在国内的应用还不广泛。非晶硅薄膜沉积——PECVD是主流，Cat-CVD有潜力。非晶硅薄膜沉积是HJT电池生产过程中最关键的步骤，因为其决定了HJT电池钝化的有效性，而钝化效果是转换效率提升的保证。该过程涉及在硅片两侧沉积本征非晶硅薄膜和沉积极性相反的掺杂非晶硅薄膜。非晶硅薄膜沉积过程中化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition）是主流工艺，其中以PECVD（离子体增强化学气相沉积）和Cat-CVD（热丝化学气相沉积）为主。目前PECVD是主流，Cat-CVD具有潜力，PECVD是等离子体增强化学的气相沉积法，这种方法具备基本温度低，沉积速度快，成膜质量好等优点。PECVD方法使用源气体分子与电子之间的碰撞，即三维空间中各点之间的碰撞，而Cat-CVD方法使用气体分子与催化剂主体表面之间的接触。过程为将气体分解为中性基团，对硅片表面无轰击，比较柔和，相较于PECVD所得的非晶硅薄膜中氢含量更高，有利于钝化效果提升，从这一角度来看，Cat-CVD方法的潜力比PECVD大得多。此外，Cat-CVD对于源气体的利用率在80%以上，而 PECVD目前仅为10%-20%，而且Cat-CVD理论上可在热丝两侧同时沉积，生产速度更快。但制约Cat-CVD大规模生产应用的原因是其存在着催化剂表面逐渐变性问题以及原料气和催化剂种类组合等问题，均匀性较差，热丝需要周期性更换，更换周期小于一个月，这增加了Cat-CVD设备的运行成本，未来需不断改善工艺，延长热丝寿命。TCO薄膜沉积：PVD是主流，RPD效率高价格贵。制备透明导电氧化层（TCO）薄膜，是用作减反射层和横向运输载流子至电极的导电层。TCO最关键的指标是透过率和电阻率，透过率越高且电阻率越低，对于入射光的利用和转换效率越好。透过率与电阻率对立，导电性好意味着载流子浓度高，而载流子浓度高会造成近红外区域吸收增加，则透过率降低。制备TCO目前有PVD和RPD两种方式，更主流的为PVD（Physical Vapor Deposition）即物理气相沉积，其基本原理是辉光放电产生的氩离子轰击阴极靶材，靶材被溅射出来而沉积到基板表面。RPD（Reactive plasma deposition）即反应等离子体沉积，是由日本住友公司开发的一种低温、低损伤TCO薄膜镀膜工艺，其制备的TCO薄膜结构更加致密、结晶度更高、导电性和透光性更好。但目前住友公司对RPD 核心设备具有垄断优势，能带来0.5%左右的效率提升，但其成本相对较高。丝网印刷：低温固化时间长。由于HJT电池的工艺温度限制在200摄氏度以内的低温环境中，所以传统的高温烧结生产工艺并不适用于HJT电池的生产。目前主要的手段包括以下两个，一个是丝网印刷，这是太阳能电池金属化的主要手段，是目前常用的工艺，成熟度较高，与常规P型电池差别不大，主要区别在于印刷后的固化阶段。HJT 所用银栅线是靠浆料中的有机高分子成分在固化炉中将栅线粘附在电池表面和TCO形成良好接触，所以只能在200摄氏度以内完成，持续时间较长需要几十分钟。而常规P 型电池只需要在800℃高温烧结几秒即可。另一个是电镀法，这是用光刻的方式得到良好的栅线图案，主要材料为铜，成本较低，栅线结构可控性高，电池的串联电阻小，但电镀铜工艺流程长，技术复杂，对污水处理要求较高。因此目前行业主流采用的仍为丝网印刷。

（三）比较优势明显，发展潜力巨大

HJT电池工艺流程简洁。目前市场上主流的电池技术PERC需要8-10道工序，而HJT 技术只有四道工序，大大减化了制备流程，未来更容易实现产业化和流程化。
薄膜沉积工艺带来巨大的发展潜力。由于HJT电池采用的是薄膜沉积工艺，这就使得其可以和IBC或者钙钛矿电池结合，技术的相融性决定了其具有很大的发展潜力。IBC和HJT的结合结构是采用非晶硅钝化层结构或隧穿钝化层来形成HBC结构，HBC电池同时具备了IBC电池的高短路电流以及HJT电池的高开压，实验室转换效率高达26.63%，其发展潜力已得证明。钙钛矿和HJT的结合能够更加高效地利用太阳光中高能的蓝光部分，理论转换率的极限为43%。截至2021年2月，牛津光伏公司在其实验室的钙钛矿硅异质结串联结构电池的效率再创新高，达到29.52%。在量产方面，截至2021年2月，国家电投中央研究院所属新能源科技有限公司研发的、具有完全自主知识产权的“高效晶体硅铜栅线异质结光伏电池（C-HJT）”最高量产效率已达24.53%。高开路电压带来强大的效率优势。效率是光伏电池的核心竞争力，从技术原理来看，电池转换效率的决定因素由开路电压、短路电流和填充因子构成，HJT 电池的核心优势在于良好的钝化带来的开路电压高，从而带来效率的优势。开路电压是决定电池的效率重要因素之一。获得更高开路电压的两个途径为：更低的载流子复合速率即避免少数载流子与多数载流子发生复合、更低的接触阻抗即促进多数载流子有效运输。目前主流的PERC电池技术与传统BSF技术相比增加了氧化铝背钝化和激光开槽两道工艺，即利用场钝化削弱了BSF背面直接与Si接触带来的载流子复合严重的问题，开路电压的极限从685mV提升到690mV，而HJT技术则使用非晶硅薄膜作为钝化材料。避免最外层TCO薄膜中的载流子复合速率高和非硅晶薄膜接触电阻率高这些缺点。从而结合了TCO薄膜接触电阻率低和非硅晶薄膜载流子复合速率低的优点，实现载流子的一维运输的同时减少了向金属接触区域迁移导致的损失，开路电压可提升到740-750mV。无光衰问题使HJT具有长期发电增益。在实际使用过程中，光衰问题是电池的重大问题。电池的效率会受光衰的影响，不会一直保持最佳状态，从而导致每年发电的递减。PERC电池采用P型硅片，传统工艺为掺硼形成，新工艺为掺镓形成。掺硼的工艺会导致形成硼氧复合体 BO-LID进而引起光衰现象，甚至PERC单晶电池的首年衰减比光电转化效率相对较低的多晶电池还高出0.5%。而由于N型硅片掺磷，不存在硼氧复合体，由此导致的光衰几乎可以忽略。组件的预期寿命长达25年，因此光衰参数的差异在长期中将会放大，对光伏电站的收益将产生影响。根据实测数据，在使用同是22%效率的PERC电池组件和异质结电池组件，异质结双面组件发电量比高效单晶PERC单面组件发电量高20%-30%左右，比高效单晶PERC双面组件发电量高10%。当考虑光伏组件全生命周期时，发电增益的优势更为明显。HJT电池温度系数更低，效率更高。通常情况下，电池片温度每升高1摄氏度，常规单晶电池的温度系数为-0.42%，PERC电池-0.37%，PERC有所改善但幅度并不大。异质结电池的温度系数仅为-0.25%。而HJT电池本身的效率就更高，功率更高，因而高温的功率损失更低，比较优势更为突出。

（四）产能规划近百 GW，规模化量产在即

截至目前，包括爱康科技、东方日升、中利集团、天合光能、比太科技、钧石能源、山煤国际、通威股份等在内的多家光伏电池片知名企业均已宣布投资新建GW级的HJT相关项目。经检索公开渠道信息，下表列式2020年以来部分下游电池片厂商HJT电池片产能规划情况，据公开资料显示，目前市场上规划HJT电池片技术的产能有近100GW。截至到2021年一季度末，各大公司的已经开始采购设备进行中试线建设或者实现小规模量产的产能及所用设备厂商如下，可以看出目前国有的设备厂商开始崭露头角，未来将替代进口设备成为主角。同时，这些近3GW的产能有望在2021年释放。