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HIT高效電池的前世今生

鉅大LARGE  |  點擊量:78次  |  2020年07月13日  

摘要
HIT是Heterojunctionwith Intrinsic Thin-layer的縮寫,意為本征薄膜異質結,因HIT已被日本三洋公司申請為注冊商標,所以又被稱為HJT或SHJ(Silicon Hetero junctionsolar cell)。該類型太陽能電池最早由日本三洋公司于1990年成功開發,當時轉換效率可達到14.5%(4mm2的電池),后來在三洋公司的不斷改進下,三洋HIT電池的轉換效率于2015年已達到25.6%。2015年三洋的HIT專利保護結束,技術壁壘消除,是我國大力發展和推廣H

1、HIT電池結構和原理


HIT是HeterojunctionwithIntrinsicThin-layer的縮寫,意為本征薄膜異質結,因HIT已被日本三洋公司申請為注冊商標,所以又被稱為HJT或SHJ(SiliconHeterojunctionsolarcell)。該類型太陽能電池最早由日本三洋公司于1990年成功開發,當時轉換效率可達到14.5%(4mm2的電池),后來在三洋公司的不斷改進下,三洋HIT電池的轉換效率于2015年已達到25.6%。2015年三洋的HIT專利保護結束,技術壁壘消除,是我國大力發展和推廣HIT技術的大好時機。


下圖是HIT太陽能電池的基本構造,其特點是以光照射側的p-i型a-Si:H膜(膜厚5-l0nm)和背面側的i-n型a-Si:H膜(膜厚5-l0nm)夾住晶體硅片,在兩側的頂層形成透明的電極和集電極,構成具有對稱結構的HIT太陽能電池。


在電池正表面,由于能帶彎曲,阻擋了電子向正面的移動,空穴則由于本征層很薄而可以隧穿后通過高摻雜的p+型非晶硅,構成空穴傳輸層。同樣,在背表面,由于能帶彎曲阻擋了空穴向背面的移動,而電子可以隧穿后通過高摻雜的n+型非晶硅,構成電子傳輸層。通過在電池正反兩面沉積選擇性傳輸層,使得光生載流子只能在吸收材料中出現富集然后從電池的一個表面流出,從而實現兩者的分離。


2、HIT電池工藝流程


HIT電池的一大優勢在于工藝步驟相對簡單,總共分為四個步驟:制絨清洗、非晶硅薄膜沉積、TCO制備、電極制備。


制備的核心工藝是非晶硅薄膜的沉積,其對工藝清潔度要求極高,量產過程中可靠性和可重復性是一大挑戰,目前通常用pECVD法制備。


HIT電池的制備工藝步驟簡單,且工藝溫度低,可防止高溫工藝對硅片的損傷,并有效降低排放,但是工藝難度大,且產線與傳統電池不兼容,設備資產投資較大。


3、HIT電池優勢和特點


HIT電池具有發電量高、度電成本低的優勢,具體特點如下:


(1)低溫工藝


HIT電池結合了薄膜太陽能電池低溫(250℃)制造的優點,從而防止采用傳統的高溫(900℃)擴散工藝來獲得p-n結。這種技術不僅節約了能源,而且低溫環境使得a_Si:H基薄膜摻雜、禁帶寬度和厚度等可以較精確控制,工藝上也易于優化器件特性;低溫沉積過程中,單品硅片彎曲變形小,因而其厚度可采用本底光吸收材料所要求的最低值(約80μm);同時低溫過程消除了硅襯底在高溫處理中的性能退化,從而允許采用低品質的晶體硅甚至多晶硅來作襯底。


高溫環境下發電量高,在一天的中午時分,HIT電池的發電量比一般晶體硅太陽電池高出8-10%,雙玻HIT組件的發電量高出20%以上,具有更高的用戶附加值。


(2)雙面電池


HIT是非常好的雙面電池,正面和背面基本無顏色差異,且雙面率(指電池背面效率與正面效率之比)可達到90%以上,最高可達96%,背面發電的優勢明顯。


(3)高效率


HIT電池獨有的帶本征薄層的異質結結構,在p-n結成結的同時完成了單晶硅的表面鈍化,大大降低了表面、界面漏電流,提高了電池效率。目前HIT電池的實驗室效率已達到23%,市售200W組件的電池效率達到19.5%。


(4)高穩定性


HIT電池的光照穩定性好,理論研究表明非品硅薄膜/晶態硅異質結中的非晶硅薄膜沒有發現Staebler-Wronski效應,從而不會出現類似非晶硅太陽能電池轉換效率因光照而衰退的現象;HIT電池的溫度穩定性好,與單晶硅電池-0.5%/℃的溫度系數相比,HIT電池的溫度系數可達到-0.25%/℃,使得電池即使在光照升溫情況下仍有好的輸出。


(5)無光致衰減


困擾晶硅太陽能電池最重要的問題之一就是光致衰減,而HIT電池天然無衰減,甚至在光照下效率有一定程度的新增,上海微系統所在做HIT光致衰減實驗時發現,光照后HIT電池轉換效率新增了2.7%,在持續光照后同樣沒有出現衰減現象。日本CIC、瑞士EpFL、CSEM在ApL上的聯合發表也證實了HIT電池的光致增強特性。


(6)對稱結構適于薄片化


HIT電池完美的對稱結構和低溫度工藝使其非常適于薄片化,上海微系統所經過大量實驗發現,硅片厚度在100-180μm范圍內,平均效率幾乎不變,100μm厚度硅片已經實現了23%以上的轉換效率,目前正在進行90μm硅片批量制備。電池薄片化不僅可以降低硅片成本,其應用也可以更加多樣化。


(6)低成本


HIT電池的厚度薄,可以節省硅材料;低溫工藝可以減少能量的消耗,并且允許采用廉價襯底;高效率使得在相同輸出功率的條件下可以減少電池的面積,從而有效降低了電池的成本。


4、HIT電池產業化現狀


OFweek產業研究院數據顯示,在大規模量產方面,首屈一指的當然是日本三洋,現有產量1GW,量產效率達23%。除此之外,具有較成熟HIT技術的還有Keneka、Sunpreme、Solarcity、福建均石、晉能、新奧、漢能等公司。


目前HIT產品的量產難點重要包括以下幾方面:


(1)高質量硅片:相較常規N型產品,HIT電池對硅片質量有更高的要求,要謹慎選擇硅片供應商。


(2)制絨后硅片表面潔凈度的控制:HIT電池對硅片表面潔凈度要求非常高,要平衡硅片清洗潔凈程度和相關化學品以及水的消耗。


(3)各工序Q-time控制:HIT電池在完成非晶硅鍍膜之前,對硅片暴露在空氣中的時間以及環境要求比較嚴苛,要注意各工序Q-time的控制。


(4)生產持續性關于TCO鍍膜設備的影響:TCO鍍膜必須保證持續投料,否則良率和設備狀況都會受到影響,尤其在產線剛投產時,保持生產持續性是一大挑戰。


(5)高粘度漿料的持續印刷穩定性:在HIT電池制備過程中,漿料粘度大導致的虛印斷柵現象較多,要數倍于常規產線的關注。


(6)焊帶拉力的穩定性:拉力穩定的窗口窄,雙玻雙面發電的組件結構進一步新增了電池串聯的難度。


此外,影響HIT產業化的重要因素之一即成本問題,據楊立友博士介紹,HIT電池BOM成本前四項為硅片、導電銀漿、靶材、制絨添加劑。針對這幾個高成本部分,可進行專項降本,包括降低原材料的消耗量、關鍵設備的國產化、關鍵原材料的國產化、新技術的導入等。


5、HIT電池市場前景展望


降本增效始終是光伏行業永恒的主題,隨著行業不斷的技術進步和政策推動,大眾的目光逐漸轉移至度電成本上,高效電池因此備受矚目。繼pERC電池成為行業熱點后,HIT電池技術初有突破,性價比優勢開始顯現,未來將是p型pERC電池與N型HIT電池爭霸光伏產業的時代。


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