HIT之后的非晶硅晶体硅异质结光伏技术发展（报告人-黄海宾-南昌大学）

HIT之后 的 HAC光 伏技术 发展 ---南昌大学光伏研究院 HAC技术研发简介 黄海宾，周浪 *，等 南昌大学 光伏研究院 2018-11-18 目 录 发展方向 HAC系列器件结构设计 方法 和技术 ---钝化层材料、器件细节的设计、制造装备和耗材等 HAC heterojunction of amorphous silicon and crystalline silicon 技术发展目标 效率再高一些 ， 成本再低一些 一、发展方向 HAC系列器件结构设计 先天 优点 开路电压高；温度系数低（反向饱和电流密度低 ）  HIT heterojunction with intrinsic thin layer是典型 代表 ，目前 最 成功，几乎 成为了 非晶硅 /晶体硅异质结太阳的 “代名词” 。  双面进 光  高 开路电压高 转换效率  低温度系数  制备工序短 、 温度 低 ；  一、发展方向 HAC系列器件结构设计  HJT（ HIT）之后的电池结构是什么 难道这就是晶体硅太阳电池的终点 2018年 11月 08日 14th CSPV 大会报告截图 一、发展方向 HAC系列器件结构设计 HIT结构的不完美之处 吸光损耗、导电性不够好； 价格 昂贵，资源稀缺、装备价格高 吸光损耗、制备要求高、装备价格高 导电性不够好、消耗量大 总结 低 Jsc 低 FF 高 cost 一、发展方向 HAC系列器件结构设计  HACD （ HAC with diffused c-Si front surface field, 庐山电池 1代  前表面重掺杂晶体硅前场 SiNxH 银 栅线  低寄生光吸收损失  低串联电阻  低 ITO消耗量 单面 TCO  低设备成本  背表面非晶硅发射极 TCOAg栅线  保持 a-SiH/c-Si的高开压优势 黄海 宾 , 周浪 . 专利号 201510776929.8， 2017-10-31授权  保持了 a-SiH/c-Si 异质结高 Voc 和低 J0 （反向饱和电流密度）的优点，与 HIT结 构等同。  但相比于 HIT结构，具有明显高的 Jsc 50 100 150 200 250 1E-15 1E-14 1E-13 1E-12 1E-11 J0-HIT J0-HA C W afe r thi c k ness /  m 0. 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 35 40 Jsc mA/cm 2 V ol tag e V Vo c V Js c m A/c m 2 FF Eff HIT 1 0 . 7 6 6 3 7 . 8 2 8 4 . 0 9 2 4 . 3 5 HAC 0 . 7 6 4 3 7 . 8 8 8 4 . 1 3 2 4 . 3 6 HIT 2 0 . 7 6 6 3 7 . 4 9 8 4 . 1 4 2 4 . 1 4 HAC 0 . 7 6 5 3 8 . 5 3 8 4 . 1 9 2 4 . 8  模拟分析 -与 HIT对比（ AFORS-HET，夫琅禾费研究所 ） -单面进光情况 Haibin Huang, et.al. Chin. Phys. B Vol. 27, No. 3 2018 038502. 一、发展方向 HAC系列器件结构设计 HAC 电池 实验结果  比 HIT的短路电流高 VocV Jscm A/cm2 FF Effi. HAC BSF side 0.672 40.1 72.0 19.44 HIT 0.750 39.5 83.2 24.7  第一个 HAC 电池 75mm*75mm HACD 电池 制造技术路线设计  制备技术路线  电池 FSF部分采用常规扩散制结 晶体 硅太阳电池产线制备 ---大大减少了设备的成本，减少了迎光面的栅线电阻。 HACD 电池 小结  针对迎光面进光（相比于 HIT）  在短路电路、串联电阻的性能指标方面有明显提升，  节省了 50 TCO的用量  节省了部分贵重的生产装备，尤其适用于现有常规产线的升级改造  HACD是否 仍有改进空间  发电 性能是否可进一步 提高  贵重原材料的消耗 是否可进一步 降低  产品的制造成本 是否可进一步 简化  。。。。。。 HACL （ HAC with local pn structures, 庐山电池 2代  将硅片表面进行分区，分为  发射极（或背电场） /电极区域 负责形成电势和将载流子导出；  进 光 /钝化区域 负责吸收光和进行光电转换。 一、发展方向 HAC系列器件结构设计 HACL结构 简介 HACL （ HAC with local pn structures, 庐山电池 2代  依此理念，可对器件结构进行更开放式的改动变化。 专利号 201810198895.2、 201810198937.2、 201810198958.4 等 例 1双面均采用 a- Si/c-Si异质结，进光 区域有场钝化层 例 2双面均采用 a- Si/c-Si异质结，进 光区域无场钝化层 例 3双面采用其 它异质结，进光区 域无场钝化层 HACL 初步分析 HACL的优点（以下图结构为例）  充分发挥双面进光的优势  保留 a-SiH/c-Si异质结的优势；  完全不用 TCO材料  如 采用 Ni/Cu/Ag等复合电极，可节省多数银材料  与现有组件技术完全兼容  缺点结构复杂，制造技术路线需全部重新开发。 HACL 初步分析 HACL、 HACD、 HIT的模拟对比（ by ATLAS） 电池种类 Jsc mA/cm2 Voc V FF Eff HACL-发射极 43.06 0.766 85.41 28.18 HACL-背电场 42.55 0.766 85.41 27.84 HACD-背电场 41.65 0.769 85.36 27.35 HACD-发射极 41.17 0.769 85.36 27.03 HIT-发射极 40.87 0.763 85.26 26.58 HIT-背电场 40.93 0.762 85.05 26.52 优势主要体现在 Jsc HAC-HIT HACD（庐山电池 1代） HACL（庐山电池 2代） 目标 效率 24 双面率 90 双面 TCO 效率 25 双面率 85 单面 TCO 效率 25.5 双面率 92 无 TCO 技术概 要 提效，降本； 技术方案仍有进步 空间 全新技术路线； 可继续利用现有产线； 初步论证技术方案可 行 以技术的复杂换取贵重 原材料消耗的降低； 采用局域化设计理念； 器件结构及技术路线待 优化 总 结 一、发展方向 HAC系列器件结构设计 二、方法 和技术 HAC- HIT HACD HACL 1 本征钝化层相关 √ √ √ 2 热丝 CVD-热丝的研究 √ √ √ 3 电池组件光学的一体化设计 √ √ √ 4 无氧扩散技术 √ √ 二、方法 和 技术 -本征钝化层相关  为什么要有钝化层 2D， surface， H terminated 3D， film， H terminated  为了可实现、可控 二、方法 和 技术 -本征钝化层相关  PECVD与热丝 CVD的比较  相似的钝化效果， HWCVD沉积速率更快。 HWCVD 21.5A 1100μs 21.5A 22nm/min PECVD 0.05W/cm2 1800μs 0.05W/cm2 6nm/min 少子寿命 沉积速率 2015年 in IPV, NCU  热 丝 CVD做出来的非晶硅报名中 SiHx的结构更简单，易控。 1900 2000 2100 2200 1900 2000 2100 2200 Waven umb er/cm -1 aas deposited b200 o C c250 o C d275 o C Abso rba nce e300 o C f350 o C SiH SiH 2 FTIR ---HWCVD FTIR --- PECVD 二、方法和 技术 -本征钝化层相关  PECVD与热丝 CVD的比较 1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200 1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200 Wave nu mber/cm -1 a 2 0.5 A b 2 1.5 A Abso rban ce c2 2A d 2 2.5 A e 2 3.5 A SiH SiH 2 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200 1 0 . 5 P a W a v e n u mb e r / c m -1 热丝衬底间距 4 c m a 2 1 . 0 P a A b s o r b a n c e 3 1 . 5 P a 4 2 . 0 P a 5 2 . 5 P a S iH 2 S iH 气压 热丝电流 [1] 宁武涛 ,等 . 半导体 技术 , 2015， 40（ 8） 606-610.（中文核心） [2] 田罡煜， 等 , 半导体 制造技术 , 2017,42（ 5） 381-387。（中文核心） 二、方法和 技术 -本征钝化层相关  a-SiOxH钝化 [1]  与 a-SiH钝化相比  改变薄膜中硅的微观网络结构 [2]  氧 有固氢的作用 [3]  改变薄膜中的 SiHx结构 [4]  更宽的工艺窗口 [5]  以上适用于 PECVD和热丝 CVD[6] [1] 黄海 宾 ;等 . 专利 号 201310474909.6, 授权 公告日 2016.04.06. [2] Thomas Mueller, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS. 2010, 107, 014504 [3] G. Lucovsky. Phys. Rev. B 28, 3225–3233 1983 [4] 何玉平 ,等 . 真空科学与技术学报 ,2015， 35（ 8） 970-974 [5] 张东华 ,等 . 12th CPVC，北京， 9月 6日， 2012. [6] 何玉平 , 等 . Materials Science in Semiconductor Processing. 2017, 611-4. 3 4 5 5 10 15 20   Photo n e ne rg yh/e V a-SiH a-SiOxH 二、方法 和 技术 -本征钝化层相关  钝化 层制备及后热处理对其性能的影响  后继热处理的影响非常显著；两个温度要相互匹配效果才最好 0 50 100 150 200 250 0 500 1000 1500 2000 2500 E f f e c t iv e li f e t ime /  s a s d e p o s it e d p o s t a n n e a li n g 2 7 5 ℃ D e p o s it e d t e mp e r a t u r e / ℃ 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1 2 3 4 5 1. 6 1. 7 1. 8 1. 9 2. 0 Ef f ec t iv e lif et im e/  s Sam ple Ef f ec t iv e lif et im e/  s Annealing t em perat ure/ o C 沉积温度 相同 热处理温度 不同 沉积温度 不同 热处理温度 相同 Yuping He, 等 . Journal of Materials Science Materials in Electronics, 2016, 275 4659-4664 二、方法 和 技术 -本征钝化层相关  钝化 层制备及后热处理对其性能的影响 分子动力学模拟分析结果表明  合适的退火温度会增加界面处的氢原子浓度；微观结构的有序性增强；  薄膜中 H的总含量会下降 热处理过程中硅片体内、薄膜中的 氢浓度均下降，膜中下降的多 界面处的氢浓度会先增加后减少 Yaorong Luo, 等 . Journal of Non-Crystalline Solids. 471 2017 379–383.  a-SiOxH 制备过程中的热丝氧化问题可通过工艺参数的 调节解决 二、方法 和 技术 -热 丝的 研究 原始表面 氧化损坏的表面 抑制氧化的表面 Yuping He, 等 . Materials Science in Semiconductor Processing. 2017, 611-4  新热丝材质的开发 二、方法 和 技术 -热 丝的 研究 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 NCU1 NCU2 Re fer ence Li feti me/ us S amp l e  新热丝做的本征非晶硅的钝化效果明显优于对比热丝。  电池组件光学减反的一体化设计（ 适用于所有晶体硅光伏电池 ） 二、方法 和 技术 -电池组件光学的一体化设计 问题 晶体硅电池技术发展到现在，制绒是否是必须的 光学设计是否可在组件端进一步加强 模拟分析结果 可通过减反膜层的设计将反射率降下去 抛光硅片的优点（对于 HIT结构） 减少载流子在发射极、 TCO等膜层中的横向迁移距离，降低复合速率； 减少 TCO用量，约 20-30； 背面单面抛可提升电池的短路电流； 可降低“制绒”的难度，减少硅片刻蚀量。 专利申请 号 201810570114.9； 201811112015.1； 2018111120132  适用于 HACD、 HACL、 PERT、 Al-BSF、 PERC 二、方法 和 技术 -无氧扩散技术 第一 步低温沉积重掺杂硅薄膜 第二步高温扩散推结 专利 ZL201210183417.7， 201310474882.0， 2015107392319， 201610210064.3， 201811187630.9 优点 适用于扩硼、扩磷、硼磷共扩，等 可控性高 结深 、浓度分布、方 阻的可调范围大。 均匀性好； 适用于大批量快速生产。 扩硼 0 5 10 15 20 25 30 100 200 300 Sheet R esi st ance /    Sampl e 方阻 0 100 200 300 400 Samp le R    方阻 扩磷 总 结  HAC结构优势明显  HACD、 HACL等将继续拓展其进步空间  HAC的制备技术仍有广阔的技术提升和成本下降的空间 致 谢 感谢合作伙伴们的多年来的大力支持中智电力、 晶科能源、阿特斯、中科院上海高等研究院、南 京航空航天大学、赛维 LDK、等等 感谢国家“双一流”建设、中央财政支持中西部 高校建设专项经费、国家自然基金、江西省科技 厅基金、江西省教育厅基金等各方面的大力支持 Thank you Tel. 86 0791 83969552 E-mail lzhouncu.edu.cn; haibinhuangncu.edu.cn