HJT制造工艺进展（下）：TCO改进，金属化进展

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传送门：HJT制造工艺进展（上）：臭氧清洗、HWCVD

HJT电池的基本制造工艺包括清洗制绒、非晶硅薄膜沉积、TCO薄膜沉积和金属化电极制作。基于HJT电池的基本工艺, 本部分主要综述臭氧清洗硅片、热丝化学气相沉积技术沉积非晶硅薄膜、TCO薄膜沉积方法和TCO材料的改进, 以及新型金属化电极技术在HJT电池中的应用所取得的进展。

C. TCO 改进

在 HJT太阳电池中，由于 a-Si:H 薄膜的导电性很差，通常需要在 a-Si:H 薄膜表面制备一层 TCO 薄膜，用来收集光生载流子并将其输运到金属电极上。同时，迎光面 TCO 薄膜还必须具备减反射功能，降低电池的表面光反射损失，可见 TCO 薄膜对 HJT 太阳电池的 Jsc 起着重要作用。因此，TCO 薄膜既要有较好的导电性，又要有较高的透过率。

近年来，在硅异质结电池上 TCO 薄膜的进展主要是沉积方法和 TCO 材料的改进。由于 HJT 太阳电池的高开路电压与 a-Si:H 薄膜对 c-Si 表面的良好钝化有关，这就要求后续 TCO 镀膜过程不能破坏 a-Si:H 薄膜的初始钝化效果。显然，低离子轰击损伤的 TCO 镀膜技术对实现高填充因子和高开路电压至关重要。

考虑到诸多光电器件对 TCO 薄膜及其制备技术的苛刻要求，日本住友公司开发了一种低温、低损伤 TCO 薄膜镀膜设备 — 反应等离子体沉积(Reactive plasma deposition，RPD) 或者是离子镀沉积 (ion platin) ，该设备的主要特点是利用特定的磁场控制氩等离子体的形状，从而产生稳定、均匀、高密度的等离子体，其设备原理如图 8 所示。

与传统磁控溅射 (SP) 镀膜技术相比，RPD 技术的等离子体能量分布相对集中且离化率更高，有效粒子的能量分布在 20∼30 eV 范围内，几乎没有能量大于 50 eV 的高能粒子。相反，SP 技术中有效的粒子能量范围在 1∼3eV，但其等离子体中却含有大量的能量高于 100 eV的高能粒子，如二次电子、氩离子和氧离子等，对基板表面有很强的轰击刻蚀作用。

因此，在相同条件下，RPD 技术制备的 TCO 薄膜结构更加致密、结晶度更高、表面更加光滑、导电性更高、光学透过率更好。用 RPD 技术沉积 TCO 薄膜并应用于 HJT 电池，可获得效率达 23% 以上的 HJJT 电池。

为了获得高效率的 HJT 太阳电池，TCO 薄膜必须同时兼备良好的光学性能和电学性能。低电阻率、高透光率和低温生长是 HJT 电池对 TCO 薄膜的基本要求。TCO 薄膜的电阻率与自由载流子浓度和迁移率的关系为 ρ = 1/(qNµ)，式中，ρ 为电阻率，q 为电子电量，N 为自由载流子浓度，µ 为载流子迁移率。要想获得低的电阻率（高导电性），可以通过增加载流子浓度和提高载流子迁移率来实现。

常用的 TCO 材料是 SnO2 掺杂的 In2O3（氧化铟锡，ITO），高导电性的 ITO 薄膜通常是以高载流子浓度作为支撑，但是 ITO 薄膜在长波段光谱的自由载流子寄生吸收很大，会导致异质结电池的 Jsc 相对较低。虽然 R-PD 镀膜技术可以在低温下制备出高品质的 ITO薄膜，但是 ITO 薄膜的迁移率却普遍不高，只有20∼40cm2/(V·s）。

为了使电池效率最大化，开发新型的高迁移率 TCO 薄膜材料显得尤其重要。有几种方式可以实现较高载流子迁移率的掺杂 In2O3：

1)用其他金属氧化物，如 Zn、Ti、Zr、Mo 和 W 的氧化物等取代 SnO2 对 In2O3 掺杂 (In2O3:Me)，可以获得 ∼80 cm2/(V·s) 的载流子迁移率；

2) 用氢掺杂 In2O3 (In2O3:H) 或金属氧化物和氢共掺杂 In2O3（如 In2O3:Ce,H），可以获得 > 100 cm2/(V·s) 的载流子迁移率。日本长洲产业公司用 CeO2 和氢共掺杂的 In2O3 作为 TCO 薄膜材料，得到载流子迁移率达到 140 cm2/(V·s) 的 In2O3:Ce,H 材料，将其应用于异质结电池，获得了效率高达 24.1% 的全面积(243.4 cm2) 异质结电池。

这主要得益于以 In2O3:Ce,H作为 TCO，较高的载流子迁移率和电池在近红外波段的良好光谱响应，有效提高了电池的 FF 和 Jsc，以 In2O3:Ce,H 和 ITO 做TCO 层的 HJT 电池在近红外波段的内量子效率 (IQE) 比较见图 9。

虽然氢掺杂可提高 TCO 的迁移率，但氢掺杂 TCO 的长期稳定性需要关注 。在湿热条件下（85◦C，85%湿度）测试 In2O3:H 的性能变化，发现随测试时间的延长，In2O3:H 的迁移率显著降低，电阻率增大In2O3:H 迁移率的降低被认为和材料晶界处 H 的降低有关，在 In2O3:H 上沉积 ITO 形成复合薄膜可提高其长期稳定性。

另一方面，基于掺杂 In2O3 的 TCO 材料，由于含有稀有金属 In，成本较高。AZO (ZnO:Al) 是一种成本较低的 TCO 材料，将其用于 HJT 电池，可降低电池的制备成本。AZO 在长波段的吸收通常要低于 ITO，但其迁移率通常只有 ∼10 cm2/(V·s)，导电性较差，可用在 HJT 电池的背面，因电池背面的栅线数目通常几倍于正面，对背面 TCO 的导电性要求可适当降低。

AZO 也可以用在背面结 HJT 电池的正面，在背面结 HJT 电池中，电子的横向传输可以由 TCO 层扩展到 n 型硅基底内，可降低对正面 TCO的导电性要求。Cruz 等将 AZO用在背面结 SHJ 电池的正面代替 ITO，获得了较 ITO电池更高的 Jsc 和效率。

同时发现，如在该电池中使用 AZO/SiOx 双层减反射薄膜，在维持同等减反射效果的前提下，AZO 的厚度可降低一半。AZO 厚度降低使得其寄生吸收降低，方块电阻增大，使电池的 Jsc增大，FF 减小，电池的效率可保持不变。而 AZO 厚度的降低意味着 TCO 材料成本的下降。使用低成本的 TCO 材料，通过电池结构设计维持较高的电池效率应是未来发展的一个方向。

D. 金属化进展

太阳电池的正反面一般都会有电极，以与 p-n 结两端形成紧密欧姆接触。在电池光照面上的电极称为上电极，通常是栅线状，以收集光生电流；而在电池背面的电极称为下电极或背电极。下电极可以布满电池背面（如常规铝背场电池），这样则形成单面电池；也可以是栅线状，以形成双面电池，背面栅线数目通常几倍于正面栅线数目以减少电池串联电阻。制作电极的材料一般是具有优良导电性能、收集效率高的 Ag、Cu、Al 等金属材料，制作电极的方法目前主要是丝网印刷。

对 HJT 电池而言，降低电池正面遮光损失、减小栅线的欧姆损耗、改善电极与 TCO 的接触、低成本的电极制备方式是金属化的研究方向。选择低电阻的银浆、减小栅线宽度及提高栅线的高宽比是常规应用于改善 HJT 电池电极性能的方法。

近年来兴起的无主栅技术和铜金属化技术是突破丝网印刷技术瓶颈、提高载流子收集几率的有效尝试，本小节将综述异质结电池在电极方面取得的进展。太阳电池的栅线会遮挡部分太阳光进入电池，为提高电池转换效率则希望栅线越细越好，然而栅线越细则电阻损失越大，填充因子也因此降低，所以太阳电池栅线设计的核心是平衡遮光和导电的关系。

在太阳电池片上，主栅线 (Busbar，BB) 的主要作用是收集电流并进行汇流。从电池片电流收集角度考虑，主栅线数量的增加，通过每根主栅线的电流减小，电阻损耗减小；另一方面细栅线的电阻损失随主栅线数量的增加而显著降低，因为主栅线数量的增加使得载流子通过细栅线的传输距离极大地缩短，细栅线上承载的电流减小，从而欧姆损失也显著降低。

因此，增加主栅线的数量，可以实现减小主栅线和细栅线物理尺寸，从而实现减少遮光和降低单位银耗量。在同质结晶体硅太阳电池上，从最初的 2BB、3BB，发展到现在的 4BB 和 5BB，是一个渐变的过程，本质上与传统的 2BB 电池制作工艺差异不大。目前主栅的发展趋势是从 4BB/5BB 发展到所谓的多主栅 (Multi Busbar，MBB)。

所谓多主栅，一般是指太阳电池有 5 根以上的主栅线，图 10(a) 是 12BB 的多晶太阳电池实物照片。根据大量数据和研究显示，多主栅技术在电池端转换效率可提升大约 0.2%，节省正银耗量 25∼35%。 多主栅技术在同质结晶体硅太阳电池上获得的效果，完全可以复制到异质结太阳电池上，目前已有部分企业在布局多主栅异质结电池，相信不久就会有多主栅异质结电池面世。为进一步减少正面的遮挡和降低银浆的消耗量，太阳电池栅线的发展是往无主栅 (Busbar-free) 方向发展。在制作此类无主栅电池时，保留传统的正面丝网印刷，在电池上制作底层的细栅线，而后通过不同的方法将多条垂直于细栅的栅线覆盖在其上，形成交叉的导电网格结构（示意图见图 10(b)），第二层栅线仍可称为主栅，主栅的材料目前多为金属线。这里金属线其实更可以看作是替代了传统焊带的角色，让更多更细的焊带直接连接电池细栅，汇集电流的同时实现电池互连，取消了常规组件工艺中电池焊带串焊的环节，在电池层面取消了传统的主栅，故该技术也称无主栅技术。

瑞士 Meyer Burger 公司利用所谓的 “Smart Wire Connection Technology” (SWCT) 技术，将一层内嵌铜线的聚合物薄膜覆盖在异质结电池正面，这层薄膜内嵌的铜线表面镀有低熔点金属，可在组件层压过程中，依靠层压机的压力和温度使得铜线和丝网印刷的细栅线直接结合在一起。金属线的材料目前多为铜线，代替银主栅，节省了材料成本。

无主栅技术能够提升电池的效率，瑞士 Meyer Burger公司制作的 6 英寸大小的无主栅异质结电池，其效率超过了 24%，并且正面银浆的耗量减少 ∼80%。进一步，异质结电池的金属化方案可以往无栅线电池方向发展，即在沉积 TCO 薄膜后，不再制备金属栅线电极，直接贴合低温合金包覆的铜丝到 TCO 上面，通过热压促使低温合金融化，与 TCO 形成良好的欧姆接触特性，无栅线电池示意图见图 10(c)。

无栅线技术的应用，将使太阳电池不再消耗昂贵的银浆，大大降低成本。Levrat 等用 InSn 合金包覆的铜丝(InSn/Cu) 与 TCO 直接接触，得到了效率为 19.9% 的异质结单电池组件 (Voc = 0.734 V, Jsc = 37.3 mA/cm2,FF = 0.74)，但是由于没有银栅线，载流子的传输和收集能力下降，接触电阻变大，导致无栅线电池组件的填充因子降低，限制了性能的进一步提升。我们近期采用聚合物包覆的铜线 (C/Cu) 直接焊接到背结 HJT电池的 TCO 层上，获得了效率超过 22% 的异质结电池 ，展现出实用化的前景。

直接 C/Cu 金属化的背结异质结电池的结构和性能见图 11。采用丝网印刷技术制作 HJT 电池的电极，银浆的消耗量远比常规晶体硅电池大，因为 HJT 电池的上下电极均需要使用银浆。另外，HJT 电池需使用可在低温下烧结的银浆，即低温银浆。为保证导电性，其银含量高于常规电池使用的高温银浆。低温银浆的高耗量和高成本成为制约 HJT 电池成本降低的主要因素之一。因此，降低低温银浆耗量，用其它金属代替银应用于 HJT 电池的电极一直是产业的目标。

除使用上述基于铜线的无主栅和无栅线技术外，开发能代替银浆的导电浆料也是实现目标的方法之一。这其中金属铜的导电性仅次于银，但是价格仅为银的 1/100，因此铜浆受到关注 ，但是铜浆受限于其相对较差的可印刷性及更高的体电阻率，还没有在太阳电池中大量应用。

另一种方法是采用铜电镀技术实现 HJT电池的金属化。日本 Kaneka 公司和比利时 IMEC 合作，将铜电镀技术应用于 HJT 电池的正面栅线制作，实现了高效铜电镀电极的异质结电池，效率达到了 23.5%。 其后，Kaneka 公司创造晶体硅电池效率世界纪录 (26.6%) 的背接触异质结电池也采用了铜电镀电极。

Silevo 公司（后被 Solarcity 收购）采用电镀铜电极，也实现了效率 > 23% 的 6 英寸隧道氧化物异质结电池。电镀铜电极在导电性、电极高宽比、栅线设计等方面相比丝网印刷低温银浆有明显的优势。然而，电镀铜金属化工艺更复杂，铜电镀液的处理和排放也会带来一定环境问题。

作者：

李正平 1，杨黎飞 2，沈文忠 1,3,∗

1 上海交通大学物理与天文学院，人工结构及量子调控教育部重点实验室，太阳能研究所，上海 200240

2 协鑫集成科技股份有限公司，苏州 215000

3 教育部人工微结构协同创新中心，南京 210093

由上海市太阳能学会、光伏领跑者创新论坛联合主办，中国质量认证中心技术支持的“第四届异质结电池与装备产业化发展论坛”（点击文字了解更多详情）将于3月19-20日在江苏无锡召开。

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