摘要

異質(zhì)結(jié)技術(shù)是目前硅光伏行業(yè)積極討論的熱門(mén)話題。Hevel最近成為首批采用其舊的微晶組件生產(chǎn)線用于生產(chǎn)高效硅異質(zhì)結(jié)（SHJ）太陽(yáng)能電池和組件的公司之一。根據(jù)Hevel自身的經(jīng)驗(yàn)，本文將介紹從硅片制絨到最終組件封裝的所有生產(chǎn)步驟。

引文

近年來(lái)，硅光伏產(chǎn)業(yè)中的許多太陽(yáng)能電池和組件生產(chǎn)商被迫升級(jí)現(xiàn)有生產(chǎn)線使其適應(yīng)新技術(shù)的生產(chǎn)，從而能夠向市場(chǎng)提供高效和低成本的組件。最常見(jiàn)的升級(jí)改造是從Al背面場(chǎng)（Al-BSF）到鈍化發(fā)射機(jī)和背電池（PERC）技術(shù)，因?yàn)楹笳吣芘c用于標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的現(xiàn)有生產(chǎn)線兼容。不過(guò)，依靠氫化非晶硅（a-Si:H）實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的晶體硅（c-Si）表面鈍化性將使得將硅薄膜生產(chǎn)線上成本最高的部分—稱(chēng)為等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）系統(tǒng)用在硅異質(zhì)結(jié)（SHJ）技術(shù)上成為可能，并且最近已經(jīng)由Hevel LLC實(shí)現(xiàn)。

“SHJ太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，結(jié)合其高效率和低溫處理的優(yōu)勢(shì)，使它們對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)非常有吸引力”

SHJ太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，結(jié)合其高效率和低溫處理的優(yōu)勢(shì)，使它們對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)非常有吸引力。這就是為什么Hevel已決定將其非晶硅/微晶硅生產(chǎn)線(其中包括了大量的PECVD系統(tǒng)(從TEL太陽(yáng)能KAI-MT PECVD反應(yīng)器))進(jìn)行現(xiàn)代化改造，并使之成為一條新的SHJ產(chǎn)線。Hevel是在2017年4月份使用由其公司內(nèi)部薄膜技術(shù)研發(fā)中心（TFTE—Hevel一個(gè)研發(fā)部門(mén)）開(kāi)發(fā)的SHJ太陽(yáng)能電池技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)向SHJ太陽(yáng)能電池和組件生產(chǎn)線轉(zhuǎn)型的。

在該轉(zhuǎn)型項(xiàng)目的第一階段，年產(chǎn)能從最初的97MWp（非晶硅/微晶硅生產(chǎn)線）增加到160MWp，大規(guī)模生產(chǎn)SHJ電池的平均效率為21％。Hevel選擇Meyer Burger的SmartWire電池技術(shù)（SWCT）用于SHJ組件封裝的互連。在項(xiàng)目的第二階段（2017年6月至2019年5月），Hevel生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力增加到了260MWp，大規(guī)模生產(chǎn)的平均電池效率為22.8％。

技術(shù)開(kāi)發(fā)

從圖1中可以看到，SHJ電池的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，并且僅需要6道工藝制造步驟。通常，SHJ電池由n型c-Si硅片制成，該硅片在兩側(cè)涂覆有薄的本征和摻雜的a-Si:H層。厚度只有幾納米的超薄本征a-Si:H層對(duì)SHJ電池的性能有著至關(guān)重要的影響。這些層的作用是通過(guò)化學(xué)鈍化c-Si硅片表面上的懸空鍵以形成Si-Si和Si-H鍵來(lái)抑制表面復(fù)合的，以及防止在沉積摻雜層期間由摻雜劑原子產(chǎn)生缺陷。摻雜的層完全被氧化銦錫（ITO）膜覆蓋，然后使用低溫導(dǎo)電（LTC）Ag漿料絲網(wǎng)印刷接觸金屬柵格以進(jìn)行電流收集。為了增強(qiáng)ITO層和接觸柵格的性能，需要進(jìn)行一次低溫退火。


圖一：(a)傳統(tǒng)SHJ太陽(yáng)能電池的剖面結(jié)構(gòu)圖。(b)SHJ電池的主要制造工藝步驟。

用于SHJ電池的硅片

與所有高性能c-Si太陽(yáng)能電池的情況一樣，硅片質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)高效SHJ電池的關(guān)鍵。雖然文獻(xiàn)中報(bào)道的記錄效率值是使用高純度浮區(qū)（FZ）c-Si硅片制造的，但Czochralski工藝的發(fā)展和多晶硅質(zhì)量的不斷提高使得在不大幅提高成本的情況下有效降低CZ硅片中的雜質(zhì)濃度。結(jié)果，最近SHJ電池的開(kāi)路電壓（Voc）值達(dá)到了750mV。

到目前為止，只有單晶CZ硅片已被用于SHJ太陽(yáng)能電池的大規(guī)模制造。用于高效太陽(yáng)能電池的單晶硅片的電學(xué)特性由雜質(zhì)和摻雜劑濃度決定。由于這些參數(shù)的測(cè)量需要使用在大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程中難以應(yīng)用的特殊技術(shù)，因此在實(shí)際生產(chǎn)中通常測(cè)量少數(shù)載流子壽命和硅片電阻，并成為檢測(cè)硅片或硅錠質(zhì)量的主要參數(shù)。這些參數(shù)通常沿著硅錠和硅錠之間變化，它們的變化曲線取決于硅錠生長(zhǎng)過(guò)程和后處理的細(xì)節(jié)。因此，已經(jīng)提出使用測(cè)量的壽命/電阻比值作為硅片和異質(zhì)結(jié)質(zhì)量的累積表征值。最近的研究還表明，對(duì)于Voc> 750mV的SHJ電池必須使用壽命—電阻率大于4ms /Ωcm的鈍化硅片。

SHJ技術(shù)在降低成本方面最顯著的優(yōu)勢(shì)是所有工藝步驟均在低溫（<250°C）下進(jìn)行，這有利于在SHJ太陽(yáng)能電池生產(chǎn)中使用薄硅片。金剛石線鋸技術(shù)的應(yīng)用使得硅片切片技術(shù)不斷進(jìn)步，目前可以實(shí)現(xiàn)厚度小于160μm的低成本硅片的大規(guī)模生產(chǎn)。最近在SHJ生產(chǎn)過(guò)程中甚至成功實(shí)現(xiàn)了切割厚度為150μm的硅片，同時(shí)不增加組件功率損耗，如圖2所示。雖然SHJ電池厚度的進(jìn)一步減小也可能不會(huì)導(dǎo)致效率的大幅損失，但要實(shí)現(xiàn)薄硅片的大規(guī)模生產(chǎn)目前還是受到了操作過(guò)程的限制，例如操作不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致硅片破損率過(guò)高。

當(dāng)電池生產(chǎn)將切割硅片厚度降到150μm時(shí)，Isc的輕微下降可由Voc增益部分地補(bǔ)償回來(lái)，從而使效率損失控制在非常小的程度（<0.1％）。在組件層面，電池效率的損失則可以通過(guò)電池—組件(CTM)比率降低10％完全補(bǔ)償回來(lái)。硅片厚度降低到150μm帶來(lái)的總體平均收益使每塊組件功率提升1-1.5W。

最近一次對(duì)硅片的更新是在2019年5月進(jìn)行的?，F(xiàn)有的SHJ生產(chǎn)線能夠適用于尺寸為157.35mm×157.35mm（M2 +硅片）的硅片生產(chǎn)?；谶@種硅片進(jìn)行電極接觸網(wǎng)格的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以使每片電池功率增加0.15W（圖3）。 Hevel研發(fā)中心目前還使用M4和M6硅片以及氧濃度更低的硅片和全方形硅片進(jìn)行進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。

硅片制絨和清潔

與其他c-Si 光伏技術(shù)一樣，SHJ電池生產(chǎn)流程的第一步是濕化學(xué)處理。通常包含以下步驟:

• 蝕刻硅片的高缺陷表面部分（表面損傷蝕刻—SDE）。

• 形成特殊的表面形貌（制絨），減少硅片表面（TEX）的光反射。

• 清潔硅片表面以去除有機(jī)和金屬雜質(zhì)。

“生產(chǎn)高效SHJ電池需要強(qiáng)化清潔程序”

雖然基于各向同性（SDE）和各向異性（TEX）堿性蝕刻的前兩個(gè)步驟與其他硅光伏技術(shù)中的相似，但最后一步卻有較大差異。為了獲得高質(zhì)量的表面鈍化，硅片表面應(yīng)該保持格外干凈。因此，生產(chǎn)高效SHJ電池需要強(qiáng)化清潔程序；這包括從c-Si硅片表面去除殘留的有機(jī)、離子和金屬污染物（源自濕法蝕刻/制絨溶液）。此外，在每次化學(xué)處理之間使用重去離子（DI）水沖洗步驟。濕化學(xué)處理以短暫的HF浸漬結(jié)束，目的是在a-Si:H PECVD工藝之前去除原生氧化物并用氫原子鈍化c-Si表面。

Hevel一直致力于穩(wěn)定和優(yōu)化硅片制絨和清潔工藝。其中一項(xiàng)優(yōu)化步驟是向單組分制絨添加劑轉(zhuǎn)變；這有助于增加壽命并減少化學(xué)試劑的消耗。


圖二：硅片厚度為150um時(shí)的結(jié)果。


圖三：大面積硅片(M2+)的性能表現(xiàn)。

表面鈍化和結(jié)形成

高質(zhì)量的表面鈍化是提升高效硅基太陽(yáng)能電池Voc值的關(guān)鍵。而在c-Si硅片和摻雜的a-Si:H層之間插入薄的（<10nm）氫化非晶硅（a-Si:H）層可以有效提升Voc值。在過(guò)去的二十年中，許多研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)大大改善了SHJ電池的表面鈍化，使Voc值接近750mV；這一結(jié)果已經(jīng)接近理論極限（760mV），足以顯示該技術(shù)的特殊吸引力。

通常，a-Si:H / c-Si界面應(yīng)該控制在原子級(jí)厚度，這是保證良好表面鈍化的必要條件，這意味著避免了硅外延生長(zhǎng)，即沒(méi)有形成結(jié)晶材料。這可以通過(guò)在沉積過(guò)程中適當(dāng)調(diào)整a-Si:H膜性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上，a-Si:H層通常是采用PECVD方法在接近200℃溫度下的純硅烷或硅烷—氫混合物中的平行板電容耦合等離子體放電進(jìn)行生長(zhǎng)的。表面鈍化的最關(guān)鍵工藝參數(shù)似乎是氫—硅烷氣體流量比和RF功率密度，而氣體壓力可能影響膜厚度均勻性。

摻雜層的性質(zhì)也會(huì)對(duì)電池性能產(chǎn)生很大影響：例如，適當(dāng)調(diào)整n層的厚度和摻雜分布可以使電池效率增加0.5％，而調(diào)整p層的收益約為0.1％。

“提高背面ITO層透明度并減薄厚度可以提高電池效率，這是因?yàn)槟軌蚋美肐R部分光譜的光線”

透明導(dǎo)電氧化物

ITO層通常在SHJ電池中用作透明導(dǎo)電氧化物層，對(duì)其特性進(jìn)行優(yōu)化非常關(guān)鍵，特別是對(duì)于雙面HJT太陽(yáng)能電池。在Hevel的研發(fā)中心進(jìn)行了對(duì)ITO濺射磁控管靶的各種化學(xué)計(jì)量含量的研究。發(fā)現(xiàn)提高背面ITO層透明度并減薄厚度可以提高電池效率，這是因?yàn)槟軌蚋美肐R部分光譜的光線。這一改進(jìn)可以使組件功率增加3.7W，因?yàn)镃TM損失較低，并且能夠降低電池生產(chǎn)成本，因?yàn)?0:10的ITO目標(biāo)比標(biāo)準(zhǔn)的97:3 ITO目標(biāo)便宜約6％。2018年第一季度Hevel的生產(chǎn)線上第一次采用了優(yōu)化的ITO配比。


圖四：通過(guò)在磁控濺射期間添加Ar/H2混合氣體對(duì)ITO層的優(yōu)化結(jié)果。

用于ITO層優(yōu)化的另一種方法是在磁控濺射期間添加Ar/H2混合物（圖4）；這種方法可以使每片電池的功率增加20mW。此外，目前還在試驗(yàn)許多其他具有更高霍爾遷移率的磁控靶材。其中一些靶材料已經(jīng)在Hevel的研發(fā)中心進(jìn)行了測(cè)試，并得到了令人鼓舞的結(jié)果，這些結(jié)果也在實(shí)際產(chǎn)線的進(jìn)一步測(cè)試中得到證明。

為了盡可能降低電池生產(chǎn)成本，現(xiàn)在正在考慮使用稱(chēng)為狗骨靶材的新材料。這種靶材可以降低靶材消耗，從而進(jìn)一步降低電池生產(chǎn)成本。我們已經(jīng)做了一些額外的改進(jìn)工作，其中包括對(duì)物理氣相沉積（PVD）托盤(pán)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)修改接觸電極網(wǎng)格的設(shè)計(jì)以盡可能降低非有效區(qū)域造成的損失。采用上述電池進(jìn)行封裝的組件實(shí)現(xiàn)了1.8W的平均功率提升。

金屬化

與傳統(tǒng)的同質(zhì)結(jié)c-Si太陽(yáng)能電池相比，制造SHJ太陽(yáng)能電池的工藝要求具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是異質(zhì)結(jié)形成期間的低熱預(yù)算；a-Si:H和ITO層的沉積溫度通常低于250℃。其次，對(duì)于SHJ電池，形成a-Si:H/c-Si結(jié)和接觸層所需的時(shí)間也比基于熱擴(kuò)散工藝的常規(guī)c-Si太陽(yáng)能電池短。第三，SHJ太陽(yáng)能電池的低工藝溫度和對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，抑制了硅片翹曲。

然而，使用低溫工藝也存在弊端，主要是標(biāo)準(zhǔn)的燒穿金屬化技術(shù)（燒制溫度在800-900℃范圍內(nèi)）不能用于SHJ電池。這是因?yàn)閍-Si / c-Si異質(zhì)結(jié)不能承受高于200-250℃的工藝溫度，此時(shí)來(lái)自異質(zhì)結(jié)內(nèi)表面的氫氣滲出會(huì)對(duì)電池性能產(chǎn)生不利影響。由于這個(gè)原因，通過(guò)絲網(wǎng)印刷對(duì)SHJ電池進(jìn)行金屬化時(shí)需要使用低固化溫度（LCT）銀漿，這是目前用于金屬柵格沉積的最先進(jìn)技術(shù)。

表一：羅列了標(biāo)準(zhǔn)和優(yōu)化BOM后的I-V特性結(jié)果平均生產(chǎn)值，包括電池功率的優(yōu)化。

圖五：Hevel的產(chǎn)線。

電池互連和組件封裝

互連工藝是整個(gè)SHJ電池工藝鏈的瓶頸：用于傳統(tǒng)c-Si電池互連的焊接工藝與LTC Ag焊膏不兼容，而后者是因?yàn)閍-Si / c-Si異質(zhì)結(jié)的溫度限制才被用于替代標(biāo)準(zhǔn)燒穿銀漿材料的。低溫型漿料的體電阻率較高（是高溫漿料的2至3倍）和焊接后粘附性也較低。通常，低于1N/mm的力都能使Ag主柵從ITO表面剝離。

為了克服這一限制，已經(jīng)提出了新的電池互連技術(shù)，例如使用導(dǎo)電粘合劑（ECA）粘合帶，或者使用嵌入式InSn涂層電線的箔帶實(shí)現(xiàn)低溫粘黏來(lái)進(jìn)行多線互連（Meyer Burger的SmartWire連接技術(shù)）—SWCT。熔點(diǎn)約120℃的InSn合金對(duì)Ag漿料和ITO層本身具有良好的粘合性；因此，在加熱處理之后實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線和電池表面之間的合金接觸。SWCT技術(shù)不需要連接帶與金屬化網(wǎng)格之間的定位非常準(zhǔn)確，而這是多線技術(shù)的主要挑戰(zhàn)之一。在SWCT中將電池初始連接到電線上，不需要將電線精確焊接到焊盤(pán)上，并且通常通過(guò)含有粘合劑層的箔來(lái)完成，這允許使用大量（最多24個(gè)）相對(duì)較細(xì)的直徑為200-250μm的電線。

“電池生產(chǎn)的總體改進(jìn)（更高的FF，導(dǎo)致更低的CTM）和Hevel生產(chǎn)線上的組件封裝使得2017年第四季度至2019年第二季度的平均功率從300W增加到318W。”

通過(guò)優(yōu)化SWCT組件材料清單（BOM）—即通過(guò)調(diào)整層壓箔的光學(xué)特性和電線的電氣特性—Hevel實(shí)現(xiàn)了將60片電池組件功率比標(biāo)準(zhǔn)BOM提高9W，并且不增加材料成本（見(jiàn)表1）。


圖六：Hevel產(chǎn)線的視覺(jué)檢查站

電池生產(chǎn)的總體改進(jìn)（更高的FF，導(dǎo)致更低的CTM）和Hevel生產(chǎn)線上的組件封裝使得2017年第四季度至2019年第二季度的平均功率從300W增加到318W。

2019年6月，Hevel開(kāi)始使用膠合五主柵電池建立了一條新的雙玻組件封裝線。計(jì)劃于2019年7月全面啟動(dòng)。新的雙玻組件將提升額外的產(chǎn)能，因?yàn)樗鼈兛梢詾榘l(fā)電廠提升高達(dá)30％的額外組件功率。

Hevel新裝配線的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是采用特殊的陷光帶（LCR）；它能夠擴(kuò)散反射光，可以使組件效率提高4％（根據(jù)生產(chǎn)商數(shù)據(jù)）。因此，下一代Hevel組件具有更高的效率以及更高的耐用性和穩(wěn)定性，這是玻璃—玻璃結(jié)構(gòu)帶來(lái)的結(jié)果，同時(shí)可以降低組件衰減。

總結(jié)

在破紀(jì)錄項(xiàng)目計(jì)劃里，Hevel將其子公司研發(fā)中心TFTE開(kāi)發(fā)的工藝使其低產(chǎn)能（97MWp）非微晶組件生產(chǎn)線提升為中等產(chǎn)能生產(chǎn)線（260MWp），并用于生產(chǎn)高效SHJ電池/組件（圖5和圖6）。在關(guān)閉薄膜生產(chǎn)線后不到兩年的時(shí)間內(nèi)，平均電池效率達(dá)到了22.8％（最高效率超過(guò)23.5％），使大規(guī)模平均60片組件功率提升到318W（最大組件功率甚至達(dá)到328W）。

致謝

作者希望感謝他們的設(shè)備供應(yīng)商對(duì)Hevel生產(chǎn)線設(shè)備給予的支持，以及Skolkovo基金會(huì)對(duì)使用其實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的資助。