HIT[异质结]电池技术调研

HIT 电池技术调研HIT 电池简介HIT 是 Heterojunction with Intrinsic Thin-layer 的缩写 ,意为本征薄膜异质结 . HIT 太阳能电池是以光照射侧的 p/i 型 a-Si膜 （膜厚 5～ 10nm）和背面侧的 i/n 型 a-Si 膜 （膜厚 5～ 10nm） 夹住单结晶 Si 片的来构成的 . 图一 . 电池基板以硅基板为主；在硅基板上沉积高能隙 Energy band gap的硅奈米薄膜，表层再沉积透明导电膜，背表面有着背表面电场。通过优化硅的表面织构，可以降低透明导电氧化层（ TCO）和 a-Si层的光学吸收损耗。 HIT 电池抑制了 p 型、 i 型 a-Si 的光吸收率，而增强 n 型 c-Si 的光吸收率。图二 . HIT 电池在技术上的优势由于 HIT 太阳能电池使用 a-Si 构成 pn 结，所以能够在 200℃以下的低温完成整个工序。和原来的热扩散型的结晶太阳电池的形成温度（～ 900℃）相比较，大幅度地降低了制造工艺的温度。由于这种对称构造和低温工艺的特征，减少了因热量或者膜形成时产生的 Si 晶片的变形和热损伤， 对实现晶片的轻薄化和高效化来说是有利的， 具有业界领先的高转换效率（研究室水平为 23％，量产水平为 20％） ，即使在高温下，转换效率也极少降低，利用双面单元来提高发电量。HIT 电池的伏安曲线分析 HIT 电池里 p/n 异质结中所发现的正向电流特性（ 0.4V 附近）的变化是由于 a-Si 顶层膜中存在的高密度间隙态，引起异质结部耗尽层的再复合而造成的。对此，在顶层和结晶 Si 之间插入高质量 a-Si 膜（ i 型 a-Si 膜） ， 通过顶层内的电场来抑制复合电流， 这就是 HIT 构造。 通过导入约 5nm 左右的薄膜 i 型 a-Si 层， 可看到反向的饱和电流密度降低了约 2 个数量级。亦即通过导入 i 型 a-Si 层，能够大幅度提高 Voc,见下图 . 图三化学钝化和 HIT 构造的寿命关系采用 μ -PCD 法测定 HIT 电池的少子寿命。 μ -PCD 法得到的寿命值虽然同时反映了体复合速度和表面复合速度两方面， 但由于是在同一批（ LOT）里抽出相邻的芯片，所以可认为体（ BULK ）的影响基本相同， 所不同的是表面的差异。 根据下图可以发现， HIT 构造的钝化性能要比化学钝化（ CP 法）更优异。图四化学钝化HIT 太阳能电池的 Voc 和寿命之间的依存性发现通过形成低损伤的 a-Si 膜和提高表面的清净度等可以提高寿命和 Voc， Voc 和寿命之间是一种正的线性关系。即 HIT 构造中的 a-Si 钝化性能的好坏和 HIT 太阳电池的 Voc 大小相关。所以，通过提高a-Si 的钝化性能以提高寿命的方法可以认为对提高 HIT 太阳电池的输出电压是有效的。图五HIT 电池单晶体硅的表面清洁度更高， 同时抑制了非晶硅层形成时对单晶体硅表面产生的损伤。 通过这些改良， 这种电池的电能输出功率损失下降，开路电压得到了提高。HIT 太阳电池优异的温度特性HIT 电池 Voc 越高输出特性的温度依存性越小。 也就是说， 在 HIT 太阳电池的高效率化技术中的这种钝化技术的开发（即高 Voc 化）带来了温度特性的提高 .由于新电池在温度上升时发电量的损失降低，预计它的年发电量将比传统晶硅太阳能电池提升 44。图六HIT 电池的制造工艺HIT 电池的关键技术是 a-SiH 薄膜的沉积， 要求说沉积的本征 a-SiH薄膜的缺陷态密度低， 掺杂 a-SiH 的掺杂效率高且光吸收系数低， 最重要的是最终形成的 a-SiH/Si 界面的态密度要低。目前，普遍采用的等离子体增强化学气相沉积法 （ PECVD） 沉积本征及掺杂的 a-SiH膜，同时热丝化学气相沉积发（ HWCVD ）制备 a-SiH 法也被认为很有前景。PECVD 法制备 a-SiH 薄膜利用等离子里中丰富的活性粒子来进行低温沉积一直是 a-SiH 制备的重要方法。 在真空状态下给气体施加电场， 气体在电场提供的能量下会有气态转变为等离子体状态。其中含有大量的电子、离子、光子和各类自由基等活性粒子。 等离子体是部份离子化的气体， 与普通气体相比，主要性质发生了本质的变化，是一种新物质聚集态。等离子体中放置其中的衬底可以保持在室温， 而电子在电厂的激发下会得到足够多的能量 （ 2-5eV） ， 通过与分子的碰撞将其电离， 激发。 PECVD的缺点表现在两个方面， 一是它的不稳定性， 二是电子和离子的辐射会对所沉积的薄膜构成化学结构上的损伤。等离子体作为准中性气体， 它的状态容易被外部条件的改变而发生变化。 衬底表面的带电状态，反应器壁的薄膜附着，电源的波动，气体的流速都会改变活性粒子的种类和数量， 并且等离子体的均匀性也难以控制， 这样都会改变衬底的状态。 等离子体中的离子轰击和光子辐照， 除了会影响沉积膜的质量， 还会影响下面的硅衬底。 光谱相应的研究结果表明对于蓝光区， HIT 电池的光谱相应提高，而在红光区，光谱相应变低。这说明对于本征层的钝化效果提高了蓝光光谱响应的结果， 而对于硅片内部的损伤，则对红光部分，光谱相应降低，量子效率下降。对于这种情况， 可以下调等离子体的功率， 但是同时也会降低等离子体的稳定性。HWCVD 制备 a-SiH 薄膜热丝化学气相沉积 HWCVD 是利用热丝对气体进行催化和分解的软性过程，不会产生高能粒子轰击，对衬底的损伤较小，可以容易的移入或者移出沉积室，能够方便从实验室转换到生产线上。在 HIT 电池中，非晶硅发射极和晶体硅之间夹着 5 纳米后，缺陷密度低于非晶硅的本征非晶硅薄膜。 HWCVD 的缺点在于非晶硅的外延可以穿透 5 纳米后的本征薄膜而与晶体硅直接接触， 这样会导致高缺陷， 这样界面面积和缺陷态密度的增大会导致高的暗电流， 继而开路电压也会减低。 在制备中将温度控制在 200 度以下能够抑制非晶硅的外延。HIT 电池工艺的改良方向提高界面钝化效果当非晶硅和晶体硅的界面陷阱密度由 1011 每平方厘米上升到 1012每平方厘米时，电池效率会降低 20。本征非晶硅的钝化效果由于a-SiH 薄膜的存在而变差， 这可能是衬底中的少子波函数穿过本征非晶硅而和 a-SiH 薄膜中的缺陷态相互作用， 这样构成了载流子的复合通道。 可以使用多形硅来作为钝化层， 因为它具有更低的缺陷态密度和暗电流。光陷结构和表面清洗将制绒后的织构表面层使用硫酸和双氧水进行氧化， 然后使用使用浓度为 1的氢氟酸进行 60 到 180 秒的腐蚀， 这样可以去除缺陷层来使粗糙度降低，接近抛光硅的效果。栅电极的优化设计如果可以去除栅线的延展部分，纵横比提高 1.0 以后，效率可以在提高 1.6。这取决于对于银浆的流变学研究和丝网印刷的改进。HIT 电池的市场展望目前，市面上的 HIT 电池全部来源于松下下属的三洋公司。三洋目前于今年 4 月在美国贩售的代号为 225A 的 HIT 太阳能电池转换率最高为 20.2，该款太阳能电池的模组转换率可达 17.8. 相对于传统晶硅电池， HIT 相对更加环保；可实现薄型化，所以使用少量的硅即可。 制作硅晶圆等时实际上需要相当大的能源， 因此薄型也是一个重要因素。由此看来，如果追求更加环保的方式， HIT 是最佳选择。 HIT 太阳能电池单元实现超薄对公司来说，还具有降低制造成本的效果。从成本来看，在 HIT 等结晶硅型太阳能电池单元中，硅晶圆在总成本中所占的比例非常大，减薄其厚度是降低成本的重点。