异质结系列篇1:异质结概述及生产工艺介绍
原创: TestPV 光伏领跑者创新论坛 8月9日
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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。
01
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。
02
异质结电池特点
01
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。
02
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。
03
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。
04
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。
05
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。
02
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
原创: TestPV 光伏领跑者创新论坛 8月9日
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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。
01
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。
02
异质结电池特点
01
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。
02
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。
03
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。
04
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。
05
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。
02
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