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異質結（HIT）技術，看這一篇就夠了！
2021-09-02

異質結太陽電池英文名稱縮寫為HIT（Heterojunction with Intrinsic Thin-layer），中文名稱為本征薄膜異質結電池。異質結電池最早由日本三洋公司于1990年研發(fā)成功，并被注冊為商標，后續(xù)進入異質結領域的企業(yè)為了避免專利糾紛而紛紛采用了不同的稱謂，比如HJT/ SHJ/ HDT等，雖然英文名稱和縮寫略有差異，但是其含義都代表本征薄膜異質結電池。


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       圖1.太陽能電池分類

       資料來源：新型TCO材料在光伏行業(yè)的應用前景 


HIT電池結構



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圖2. HIT電池結構圖

資料來源：HIT電池模擬計算的研究

HIT電池一般是以N型硅片為襯底，典型結構如圖2所示：在正面依次為透明導電氧化物膜（簡稱TCO）、P型非晶硅薄膜，和本征富氫非晶硅薄膜；在電池背面依次為TCO透明導電氧化物膜，N型非晶硅薄膜和本征非晶硅膜。

此外，HIT電池在制造工藝流程上也較為簡潔，在以上提到的電池結構中的薄膜都是通過沉積的方式形成，最后通過絲網(wǎng)印刷或者電鍍工藝在電池兩面制備金屬電極，再經(jīng)過低溫固化工藝，完成HIT電池的制造，如圖3所示。

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圖3. HIT電池結構以及工藝流程圖

資料來源：CNKI




HIT電池生產(chǎn)工藝



相比于傳統(tǒng)的PERC電池生產(chǎn)工藝以及TOPCon電池工藝，HIT電池的工藝制程相對較短，只有四大環(huán)節(jié)，依次是清洗制絨、非晶硅沉積、TCO沉積、絲印固化。

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圖4. 三種量產(chǎn)電池工藝流程對比

資料來源：梅耶伯格，招商證券


1. 清洗制絨

與常規(guī)P型或者N型電池制造工藝類似，HIT電池也是以清洗制絨為電池制造的第一步，這一步驟的主要目的是清除N型襯底表面的油污和金屬雜質，去除機械損傷層，形成金字塔絨面，陷光并減少表面反射。


2. 制備非晶硅薄膜

硅片在PECVD設備中制作鈍化膜和PN結。HIT電池高效率的根源在于本征非晶硅薄膜優(yōu)良的鈍化效果。由于晶硅襯底表面存在大量的懸掛鍵，光照激發(fā)的少數(shù)載流子到達表面后容易被懸掛鍵俘獲而復合，從而降低電池效率。此外，通過在硅片正面和背面沉積富氫的本征非晶硅薄膜，可以有效地將懸掛鍵氫化并降低表面缺陷，從而顯著提高少子壽命，增加開路電壓，最終提高電池效率。

雖然每一層膜的厚度只有4-10nm，每1-2nm實現(xiàn)的功能和制備工藝卻大不相同，因此本征和摻雜非晶硅薄膜需要在多個腔體中完成，PECVD中需要導入多腔室沉積系統(tǒng)。

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圖5. HIT電池非晶硅薄膜PECVD工藝圖

資料來源：邁為股份，招商證券


3. 沉積金屬氧化物導電層（TCO）

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圖6. 鍍膜技術分類

資料來源：新型TCO材料在光伏行業(yè)的應用前景


硅片沉積完非晶硅薄膜之后就進入SPUTTER(磁控濺射)或者RPD（離子反應鍍膜）設備，沉積透明金屬氧化物導電膜TCO。TCO縱向收集載流子并向電極傳輸。由于非晶硅層晶體呈無序結構，電子與空穴遷徙率較低，且橫向導電性較差，不利于光生載流子的收集。因此需要在正面摻雜層上方沉積一層75-80nm厚的TCO，用于縱向收集載流子并向電極傳輸，TCO同時可以減少光學反射。

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圖7.  SPUTTER磁控濺射原理圖

資料來源：新型TCO材料在光伏行業(yè)的應用前景

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圖8. RPD離子反應鍍膜原理圖

資料來源：新型TCO材料在光伏行業(yè)的應用前景


TCO膜在可見光范圍內(nèi)（波長380-760nm）具有80%以上的穿透率，且電阻很低，其成分主要為In、Sb、Zn、Sn、Cd及其氧化物的復合體。目前應用最廣泛的是ITO，SCOT，IWO，AZO。TCO制備存在SPUTTER(磁控濺射)或者RPD（離子反應鍍膜）兩種工藝，目前由于成本考慮大多選擇SPUTTER(磁控濺射)工藝。

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圖9. 磁控濺射工藝與RPD離子反應鍍膜工藝對比

資料來源：CNKI


4. 絲印固化

HIT電池生產(chǎn)的最后一步是絲印固化，制備金屬電極并固化?？紤]到HIT是低溫工藝，不區(qū)分正銀和背銀，因此絲網(wǎng)印刷加低溫固化的工藝相對比較簡單，但是這一特性的缺點之一就是價格較高且消耗量較大，因此目前業(yè)內(nèi)也有部分企業(yè)嘗試使用鍍銅工藝來制作電極。因為在鍍銅工藝中不會使用到銀漿，成本較為低廉。但即便如此該工藝也并未被廣泛應用，因為工藝非常復雜，且廢液排放存在嚴重的環(huán)保制約，使其推廣受到了限制。




HIT電池的優(yōu)勢



轉換效率高

HIT電池高轉換效率源于高開路電壓，HIT電池的開路電壓Voc可以接近750mV，而普通PERC電池則普遍低于700mV。

HIT電池的高開路電壓來源于兩點：

  • 氫化本征非晶硅薄膜優(yōu)良的鈍化效果

  • 光生載流子可以貫穿氫化非晶硅薄膜，因此不需要激光開膜和形成歐姆接觸，可以有效減少復合


由于多主柵技術和光致再生技術的導入，目前HIT的研發(fā)效率普遍已經(jīng)超過24%。

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圖10. 主流HIT制造商的效率數(shù)據(jù)

資料來源：NREL，招商證券


低衰減

由于HIT電池的特殊結構，其衰減程度要顯著低于PERC電池：

  • HIT電池表面的TCO具有導電特性，電荷不會在表面產(chǎn)生極化現(xiàn)象，無電位誘導衰減PID；

  • N型硅片摻磷，沒有硼氧復合體和硼鐵復合體，光致衰減LID很小


據(jù)相關數(shù)據(jù)顯示，HIT電池的首年衰減和年均衰減均低于PERC電池，并得到電站發(fā)電實證。

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圖11. HIT與PERC電池衰減數(shù)據(jù)對比

資料來源：WIND，招商證券


低溫度系數(shù)

組件的溫度系數(shù)能夠衡量輸出功率隨溫度升高而下降的程度。陽光照射下組件表面不斷升溫，電池的開路電壓不斷下降，進而導致輸出功率下降。HIT相較于其他類型電池，具備非常顯著的低溫度系數(shù)。

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圖12. 不同類型電池溫度系數(shù)對比

資料來源：CNKI


組件的初始標稱功率是在STC標準條件下測試的，對應溫度是25℃，但在實際運營中，組件的工作溫度多數(shù)時間在50℃左右，HIT低溫度系數(shù)帶來的發(fā)電量增益在3%，可溢價0.126元/瓦。

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圖13. HIT電池低溫度系數(shù)帶來發(fā)電增益數(shù)據(jù)

資料來源：WIND，招商證券


高雙面率

HIT電池雙面率較高。HIT電池正反面三層膜和TCO都是透光的，且結構對稱，天然就是雙面電池，其雙面率可以輕松做到90%以上，甚至達到98%的水平。PERC電池雙面率可以做到80%-85%。



HIT技術市場現(xiàn)狀


目前布局HIT的企業(yè)越來越多，產(chǎn)業(yè)化醞釀開啟。當前全球最大HIT量產(chǎn)規(guī)模僅600MW，近兩年新建產(chǎn)線以100-200MW的中試線為主。相較于2019年，2020年已經(jīng)有超過20家企業(yè)宣布了GW級的擴產(chǎn)計劃，其中包括山煤國際，鈞石能源，東方日升，愛康科技，騰暉光伏，比太科技等。規(guī)模化以及關鍵設備國產(chǎn)化的突破，將成為HIT產(chǎn)業(yè)化的發(fā)令槍。

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