异质结系列篇1：异质结概述及生产工艺介绍

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由于拥有高转换率和较低的LCOE，异质结技术成为一匹黑马，在光伏行业中异军突起。自2017年8月异质结电池的效率达到26.6％以来，异质结技术就一直保持硅太阳能电池效率的世界纪录。

本公众号将推出一个以异质结技术为主题的系列文章，共四篇，分别叙述：

1）异质结概述及生产工艺介绍；

2）异质结关键生产设备介绍；（☞☞异质结系列篇2：异质结关键生产设备介绍）

3）HJT技术有关的量产、生产成本、主要限制条件以及未来发展方向概述；（☞☞异质结系列篇3：异质结关键生产设备介绍）

4）名人访谈：异质结新发展阶段（☞☞异质结系列篇4：名人访谈：异质结新发展阶段）

话不多说，本篇文章将针对不同HJT电池及组件生产工艺进行介绍。

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概述

几十年来，HJT电池在光伏行业不断打破电池转换效率的世界纪录，具有良好的发展前景，同时该技术还具有其他几个优点——生产过程短，生产步骤少，加工温度低，衰减低，温度系数低。

HJT电池是基于硅片的太阳能电池技术和薄膜光伏技术的融合体并且兼具两者的优点，这是该技术最重要的特性。HJT技术具有标准硅基太阳能电池优异的光吸收性能和非晶硅薄膜的钝化特性。

N型HJT电池的结构如图一(左)所示，以N型单晶硅(c-Si)为衬底光吸收区，经过制绒清洗后，其正面依次沉积厚度为5-10nm的本征非晶硅薄膜(i-a-Si:H)和掺杂的P型非晶硅(p-a-Si:H)，和硅衬底形成p-n异质结。

硅片的背面又通过沉积厚度为5-10nm的i-a-Si:H和掺杂的N型非晶硅(n-a-Si:H)形成背表面场，双面沉积的透明导电氧化物薄膜(TCO)不仅可以减少收集电流时的串联电阻，还能起到像晶硅电池上氮化硅层那样的减反作用。

最后通过丝网印刷在两侧的顶层形成金属基电极，这就是异质结电池的典型结构。

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异质结电池特点

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对称结构

HJT电池是在单晶硅片的两面分别沉积本征层、掺杂层和TCO以及双面印刷电极。这种对称结构便于缩减工艺设备，相比于传统的晶体硅电池，HJT电池的工艺步骤也更少。同时由于HJT电池双面对称，正反面受光照后都能发电，可以做成双面发电组件。

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低温制造工艺

HJT电池采用硅基薄膜工艺形成p-n结发射区，制程中的最高温度就是非晶硅薄膜的形成温度(200℃)，避免了传统晶体硅电池形成p-n结的高温(950℃)，采用低温工艺在降低能耗的同时还可以减少对硅片的热损伤，这就是说，HJT电池可以使用薄型硅片做衬底，有利于降低材料成本，做到一石多鸟。

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高开路电压

HJT电池中的本征薄膜能有效钝化晶体硅和掺杂非晶硅的界面缺陷，因而HJT电池的开路电压比常规电池要高很多，量产HJT电池的开路电压可以达到735mV以上，有利于获得较高的转换效率。

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温度特性好

太阳能电池的性能数据通常在25°C的标准条件下测量的，而光伏组件的性能却是在实际应用环境下测量的。目前，公布的HJT的温度系数为-0.23%/°C，仅是晶体硅电池温度系数(-0.45%/°C)的一半，这使得HJT电池在高温与低温环境下都具有较好的温度特性。

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无LID与PID效应

由于HJT电池衬底通常为N型单晶硅，而N型单晶硅为磷掺杂，不存在P型晶硅中的硼氧复合、硼铁复合等，所以HJT电池对于LID效应是免疫的。

HJT电池的表面沉积有TCO薄膜，无绝缘层，因此无表面层带电的机会，从结构上避免PID现象的发生，而且市场和组件可靠性测试方面也没有发现过PID效应。

03

HJT电池工艺流程

与常规电池处理一样，经过机械切割的硅片表面存在一定的损伤层需要通过蚀刻去除，然后进行制绒处理。制绒处理后，首先在硅片两侧沉积本征非晶硅薄膜，然后在硅片两侧沉积极性相反的掺杂非晶硅薄膜。非晶硅薄膜的沉积通常使用PECVD方法完成。大量使用本征掺杂非晶硅薄膜来形成发射极和背电场(BSF)，不仅可以提高Voc和发电效率，而且还给避免因铝背场导致的薄硅片翘曲问题开辟了一条新道路。

具体步骤分为：制绒清洗、非晶硅沉积、TCO制备。

01

制绒清洗  

获得表面洁净的硅片是HJT电池生产过程中至 关重要的一个环节。目前主推的清洗流程主要有两种方式：RCA清洗和臭氧清洗。两种清洗各有优劣

1）RCA清洗：能获得低金属杂质界面，RCA清洗法非常有效，但是引入氨水会导致表面粗糙度增加且成本十分高昂；

2）臭氧清洗：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，但衬底表面残留较多金属杂质。

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非晶硅沉积

在湿化学处理之后，硅片进入沉积阶段。这一步骤十分关键，因为pn结是在表面形成的并且沉积层也决定了钝化的效果，因此这是决定HJT性能好坏的关键。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：

1）HWCVD: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。

2）PECVD:涉及本征和掺杂非晶硅薄膜的多层堆叠，并在纳米尺度上对其进行控制。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，PECVD为主流技术方向，目前越来越多的设备厂家开始攻克这一难题。

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TCO薄膜沉积

在HJT工艺中沉积的后半部分涉及制备透明导电氧化层TCO薄膜，用作减反层以及横向输运载流 子至电极的导电层。TCO薄膜位于HJT电池的两侧。银浆也可以完全覆盖在HJT电池的整个背面区域，但这会形成单面HJT电池，而今天的HJT技术旨在从双面电池方面获益。

TCO薄膜通常应用溅射的方法在PVD设备中完成。制备TCO薄膜也是HJT电池生产工艺中非常重要的一步。这里，必须注意保持电池背面的非晶硅薄膜的钝化特性。TCO薄膜的质量影响横向电荷收集。

目前，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)。

1）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。

2）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。

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金属化

由于HJT电池结构与常规电池完全不同，因此 HJT的金属化工艺也不同。HJT电池采用非晶硅薄膜，将艺温度限制在200℃至220℃的低温环境。HJT电池通常使用可在低温下固化的特殊银浆。银浆是通过将银加入到热塑性聚合物体系中得到的，但有一定的局限性，如加工时间长和电阻较高。后者导致银浆沉积量较高，才能使导电率保持在相同水平。这些缺点促进了替代金 属化方法的发展，例如电镀。

另一个关键的方面是，金属化工艺的选择与组件生产中的互连技术密切相关。因此，在选择HJT电池的表面金属化技术时，必须认真考虑电池片互联问题。电镀铜和丝网印刷是HJT金属化的两种主要方法。

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丝网印刷

截至目前，丝网印刷是太阳能电池金属化的主要手段。丝网印刷技术是光伏制造商的普遍采用的工艺，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电池丝印与常规晶体硅的差异主要体现在银浆上，常规晶体硅电池采用高温银浆，高温烧结后通过银和硅衬底隧穿导电，烧结温度一般在950°C。而低温银浆是通过树脂包裹银颗粒与TCO接触隧穿导电，银颗粒之间在固化后也能通过隧穿导电，低温银浆固化(烧结)温度一般在200°C左右。

虽然低温固化浆料的成本与常规工艺没有太大差别，但高体电阻率需要较厚的浆料沉积层，这使得浆料成本增加。但是在过去十年中，浆料制造商已经能够显著降低体电阻率。根据CSEM研发中心的技术论文，随着由多峰分布的薄片和颗粒组成的银浆料的改进，最佳的体积电阻率从2009年的18μΩ?cm降至 2018年的约三分之一（即6μΩ?cm左右）。现在，银浆在200℃固化10分钟和30分钟后，比电阻率降低了6μΩ?cm和5μΩ?cm，而少数常规浆料在200℃固化5-10分钟后达到了更低的4-4.5μΩ.cm。这仅为1.58μΩ?cm的纯银体电阻率的三倍。

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电镀

电镀是可替代丝网印刷的一项技术。与丝网印刷一样，电镀也需要进行特定的改进才能使其适用于HJT电池。主要原因是HJT电池表面存在导电的TCO薄膜。在扩散结电池中，钝化和抗反射介电膜用作掩模，使得能够自对准。因此，这里优选电镀，而不是众所周知的光诱导电镀。

电镀的优点是可实现双面电镀。这意味着电池正背面金属化可以同时完成，这也与HJT双面电池的本质相符合。HJT电池的电镀是基于种子层栅线的方法，它可以通过几种方式实现。

CSEM研究中心的论文讨论了三种处理途径。一种是在整个硅片表面上沉积种子层栅线并施加有机电镀掩模。另一种方法是使用电介质作为掩模来施加种子层 栅线，其中通过图案化溅射的种子层或通过印刷金属浆料来形成导电层栅格。

电镀的另一个优点是它可以与标准的基于焊接的组件互连技术结合使用。尽管电镀有这么多优点，但该技术相对复杂。这就是为什么行业内大多数仍然采用基于低 温银浆的丝网印刷来进行HJT电池的金属化工艺。

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HJT光伏组件生产

HJT技术在组件方面面临几种选择。组件生产的重要步骤是互连和层压。对于层压，HJT光伏组件不是在于生产工艺的变化而是有关加工额外的物料清单（BOM）需要更改。

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电池片互连

当涉及电池片互连工艺时，可以选择改变工艺和材料，如上述金属化部分中简要讨论的那样。虽然有一些限制，但光伏焊带的焊接（标准组件制造中互连 的主流工艺）也是HJT光伏组件生产中最常用的方法，至少初始生产阶段是这样。除了需要在电池级别使用大量浆料外，该方法还需要将焊接温度降低至低 于200℃。几乎每一个串焊设备供应商都支持低温加工工艺。

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焊接互连

对于采用焊带的互连技术，通过使用导电粘合剂或导电膜可以减少银浆的用量。这些是装入热固性环氧树脂基料中的金属填料，以及一些固化和稀释的添加剂。最终形式是胶状物质。它适用于将焊带固定到太阳能电池上，并在低于120℃的温度下固化后形成永久性粘合。

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SWCT

MeyerBurger提供了替代传统串焊互连技术的多线互连先进技术。它被称为SmartWire连接技术(SWCT），最初由Day4Energy开发，后被MeyerBurger收购。将低熔点合金涂层的细金属导线嵌入到聚合物箔中用作互连介质，以此替代光伏焊带。将该金属箔放置在电池上，并进行堆叠层压，在此期间金属箔与电池的表面金属化结合，完成互连过程。这种低温工艺非常适用于HJT电池。

CSEM研究中心评估了所有互连技术，如标准焊接，导电粘合剂，镀铜和SWCT技术。最终认为使用SWCT技术进行电池片互连是将HJT电池集成至组件中的最佳选择。该研究中心制作了有关互连技术成本的统计分析（见图表），根据该图表，5主栅电池的金属化成本约为44欧分，而可靠的SWCT工艺每瓦成本约为27欧分。

温馨提示：

下篇异质结技术介绍文章（☞☞异质结系列篇2：异质结关键生产设备介绍）将于8月10日放出，敬请期待！

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