HIT高效電池的前世今生

1、HIT電池結(jié)構(gòu)和原理

HIT是Heterojunctionwith Intrinsic Thin-layer的縮寫(xiě)，意為本征薄膜異質(zhì)結(jié)，因HIT已被日本三洋公司申請(qǐng)為注冊(cè)商標(biāo)，所以又被稱為HJT或SHJ(Silicon Hetero junctionsolar cell)。該類型太陽(yáng)能電池最早由日本三洋公司于1990年成功開(kāi)發(fā)，當(dāng)時(shí)轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到14.5%(4mm2的電池)，后來(lái)在三洋公司的不斷改進(jìn)下，三洋HIT電池的轉(zhuǎn)換效率于2015年已達(dá)到25.6%。2015年三洋的HIT專利保護(hù)結(jié)束，技術(shù)壁壘消除，是我國(guó)大力發(fā)展和推廣HIT技術(shù)的大好時(shí)機(jī)。

下圖是HIT太陽(yáng)能電池的基本構(gòu)造，其特征是以光照射側(cè)的p-i型a-Si：H膜(膜厚5-l0nm)和背面?zhèn)鹊膇-n型a-Si：H膜(膜厚5-l0nm)夾住晶體硅片，在兩側(cè)的頂層形成透明的電極和集電極，構(gòu)成具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的HIT太陽(yáng)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(dòng)，空穴則由于本征層很薄而可以隧穿后通過(guò)高摻雜的p+型非晶硅，構(gòu)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(dòng)，而電子可以隧穿后通過(guò)高摻雜的n+型非晶硅，構(gòu)成電子傳輸層。通過(guò)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產(chǎn)生富集然后從電池的一個(gè)表面流出，從而實(shí)現(xiàn)兩者的分離。

2、HIT電池工藝流程

HIT電池的一大優(yōu)勢(shì)在于工藝步驟相對(duì)簡(jiǎn)單，總共分為四個(gè)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(duì)工藝清潔度要求極高，量產(chǎn)過(guò)程中可靠性和可重復(fù)性是一大挑戰(zhàn)，目前通常用PECVD法制備。

HIT電池的制備工藝步驟簡(jiǎn)單，且工藝溫度低，可避免高溫工藝對(duì)硅片的損傷，并有效降低排放，但是工藝難度大，且產(chǎn)線與傳統(tǒng)電池不兼容，設(shè)備資產(chǎn)投資較大。

3、HIT電池優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)

HIT電池具有發(fā)電量高、度電成本低的優(yōu)勢(shì)，具體特點(diǎn)如下：

(1)低溫工藝

HIT電池結(jié)合了薄膜太陽(yáng)能電池低溫(<250℃)制造的優(yōu)點(diǎn)，從而避免采用傳統(tǒng)的高溫(>900℃)擴(kuò)散工藝來(lái)獲得p-n結(jié)。這種技術(shù)不僅節(jié)約了能源，而且低溫環(huán)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(yōu)化器件特性;低溫沉積過(guò)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(shí)低溫過(guò)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(zhì)”的晶體硅甚至多晶硅來(lái)作襯底。

高溫環(huán)境下發(fā)電量高，在一天的中午時(shí)分，HIT電池的發(fā)電量比一般晶體硅太陽(yáng)電池高出8-10%，雙玻HIT組件的發(fā)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(wú)顏色差異，且雙面率(指電池背面效率與正面效率之比)可達(dá)到90%以上，最高可達(dá)96%，背面發(fā)電的優(yōu)勢(shì)明顯。

(3)高效率

HIT電池獨(dú)有的帶本征薄層的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，在p-n結(jié)成結(jié)的同時(shí)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(shí)驗(yàn)室效率已達(dá)到23%，市售200W組件的電池效率達(dá)到19.5%。

(4)高穩(wěn)定性

HIT電池的光照穩(wěn)定性好，理論研究表明非品硅薄膜/晶態(tài)硅異質(zhì)結(jié)中的非晶硅薄膜沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Staebler-Wronski效應(yīng)，從而不會(huì)出現(xiàn)類似非晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率因光照而衰退的現(xiàn)象;HIT電池的溫度穩(wěn)定性好，與單晶硅電池-0.5%/℃的溫度系數(shù)相比，HIT電池的溫度系數(shù)可達(dá)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(wú)光致衰減

困擾晶硅太陽(yáng)能電池最重要的問(wèn)題之一就是光致衰減，而HIT電池天然無(wú)衰減，甚至在光照下效率有一定程度的增加，上海微系統(tǒng)所在做HIT光致衰減實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，光照后HIT電池轉(zhuǎn)換效率增加了2.7%，在持續(xù)光照后同樣沒(méi)有出現(xiàn)衰減現(xiàn)象。日本CIC、瑞士EPFL、CSEM在APL上的聯(lián)合發(fā)表也證實(shí)了HIT電池的光致增強(qiáng)特性。

(6)對(duì)稱結(jié)構(gòu)適于薄片化

HIT電池完美的對(duì)稱結(jié)構(gòu)和低溫度工藝使其非常適于薄片化，上海微系統(tǒng)所經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，硅片厚度在100-180μm范圍內(nèi)，平均效率幾乎不變，100μm厚度硅片已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了23%以上的轉(zhuǎn)換效率，目前正在進(jìn)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(yīng)用也可以更加多樣化。

(6)低成本

HIT電池的厚度薄，可以節(jié)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(jià)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(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

OFweek產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)顯示，在大規(guī)模量產(chǎn)方面，首屈一指的當(dāng)然是日本三洋，現(xiàn)有產(chǎn)能1GW，量產(chǎn)效率達(dá)23%。除此之外，具有較成熟HIT技術(shù)的還有Keneka、Sunpreme、Solarcity、福建均石、晉能、新奧、漢能等企業(yè)。

目前HIT產(chǎn)品的量產(chǎn)難點(diǎn)主要包括以下幾方面：

(1)高質(zhì)量硅片：相較常規(guī)N型產(chǎn)品，HIT電池對(duì)硅片質(zhì)量有更高的要求，需要謹(jǐn)慎選擇硅片供應(yīng)商。

(2)制絨后硅片表面潔凈度的控制：HIT電池對(duì)硅片表面潔凈度要求非常高，需要平衡硅片清洗潔凈程度和相關(guān)化學(xué)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(duì)硅片暴露在空氣中的時(shí)間以及環(huán)境要求比較嚴(yán)苛，需要注意各工序Q-time的控制。

(4)生產(chǎn)連續(xù)性對(duì)于TCO鍍膜設(shè)備的影響：TCO鍍膜必須保證連續(xù)投料，否則良率和設(shè)備狀況都會(huì)受到影響，尤其在產(chǎn)線剛投產(chǎn)時(shí)，保持生產(chǎn)連續(xù)性是一大挑戰(zhàn)。

(5)高粘度漿料的連續(xù)印刷穩(wěn)定性：在HIT電池制備過(guò)程中，漿料粘度大導(dǎo)致的虛印斷柵現(xiàn)象較多，需要數(shù)倍于常規(guī)產(chǎn)線的關(guān)注。

(6)焊帶拉力的穩(wěn)定性：拉力穩(wěn)定的窗口窄，雙玻雙面發(fā)電的組件結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增加了電池串聯(lián)的難度。

此外，影響HIT產(chǎn)業(yè)化的重要因素之一即成本問(wèn)題，據(jù)楊立友博士介紹，HIT電池BOM成本前四項(xiàng)為硅片、導(dǎo)電銀漿、靶材、制絨添加劑。針對(duì)這幾個(gè)高成本部分，可進(jìn)行專項(xiàng)降本，包括降低原材料的消耗量、關(guān)鍵設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化、關(guān)鍵原材料的國(guó)產(chǎn)化、新技術(shù)的導(dǎo)入等。

5、HIT電池市場(chǎng)前景展望

降本增效始終是光伏行業(yè)永恒的主題，隨著行業(yè)不斷的技術(shù)進(jìn)步和政策推動(dòng)，大眾的目光逐漸轉(zhuǎn)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(yè)熱點(diǎn)后，HIT電池技術(shù)初有突破，性價(jià)比優(yōu)勢(shì)開(kāi)始顯現(xiàn)，未來(lái)將是P型PERC電池與N型HIT電池爭(zhēng)霸光伏產(chǎn)業(yè)的時(shí)代。