中國可再生能源學(xué)會光伏專業(yè)委員會

(中國可再生能源學(xué)會，北京 100190)

2018年中國企業(yè)使用5BB 技術(shù)制備的HJT電池的產(chǎn)線平均效率可以達(dá)到23%左右；2019年HJT電池的產(chǎn)線平均效率可以達(dá)到23.5%～24.0%。但是MBB產(chǎn)線技術(shù)還需要設(shè)備、材料及組件等產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)進行全面的配合才能成熟，下文將對這些要點進行重點描述。

國內(nèi)有2家企業(yè)使用了鍍銅工藝，其中福建鈞石公司采用MBB鍍銅工藝的HJT電池的產(chǎn)線平均效率可以達(dá)到23.5%～24.0%，其最高效率為24.68%。福建鈞石公司還收購了日本松下公司有關(guān)HJT電池的業(yè)務(wù)；國電投收購了美國Solar City公司的80 MW的HJT電池產(chǎn)線，該產(chǎn)線采用鍍銅工藝。

4.2 HJT電池技術(shù)

圖31為HJT電池的工藝流程。將其與前文所述的PERC電池或TopCon電池的工藝流程進行對比可以發(fā)現(xiàn)，HJT電池的工藝流程很簡潔。HJT電池的2個關(guān)鍵工藝都有2種技術(shù)路線：1)對于非晶硅鍍膜技術(shù)有PECVD和熱絲化學(xué)反應(yīng)氣相沉積(CAT-CVD)這2項技術(shù)；對于透明導(dǎo)電膜TCO的鍍制也有磁控濺射(PVD)和反應(yīng)等離子體沉積(RPD)這2項技術(shù)。

雖然HJT電池的工藝較少，但其工藝難度較大，電池效率也較高。HJT電池要求的表面鈍化水平越高，工藝控制的嚴(yán)格程度就越高。此外，HJT電池技術(shù)脫離了傳統(tǒng)的同質(zhì)結(jié)電池的擴散工藝，而是采用薄膜電池中常用的鍍膜技術(shù)在晶體硅片表面制備p-n結(jié)。

圖31 典型HJT 電池的制備工藝流程Fig. 31 Preparation process flow of typical HJT solar cell

4.2.1 硅片制絨技術(shù)

圖32 PERC電池與HJT電池清洗工藝的差別Fig. 32 Difference between PERC solar cell and HJT solar cell cleaning process

清洗環(huán)節(jié)是確保電池質(zhì)量非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，其工藝流程圖如圖32所示。涉及到的工藝流程主要包括：1)表面去損傷層：NH4OH+H2O2+H2O (REC:SC1)；2)表面拋光處理：KOH+H2O；3)制絨制備金字塔：KOH+H2O+添加劑( 制絨)；4)后清洗：NH4OH+H2O2+H2O(REC:SC1)；5)表面光滑處理：HNO3+HF+H2O；6)表面清洗：HCl+H2O2+H2O(REC:SC2)；7)隔離清洗：DI水。

單晶硅片在使用金剛線切割后，表面十分光滑，損傷層也很薄，因此一般采用帶添加劑的KOH溶液直接制絨即可，但在此之前要進行預(yù)清洗。一般可以采用REC公司開發(fā)的清洗工藝中的SC1試劑(NH4OH+H2O2)去除硅片表面的各種雜質(zhì)；之后采用帶有添加劑的KOH溶液對硅片表面進行制絨。研究結(jié)果顯示，大的金字塔結(jié)構(gòu)對于陷光具有良好的效果，金字塔表面的光滑程度會直接影響其鈍化特性，而這兩者直接決定了太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)前國內(nèi)傳統(tǒng)的制絨添加劑主要是制備小金字塔(如蘇州實創(chuàng)公司和浙江小辰公司的產(chǎn)品)；而目前日本公司開發(fā)的制絨工藝是采用日本林純藥工業(yè)株式會社開發(fā)的T系列添加劑，該工藝需要硅片表面無損傷點、表面光滑，因此需對硅片表面進行化學(xué)拋光處理，拋光后再腐蝕出尺寸為10 μm的大金字塔，此種操作使硅片減薄嚴(yán)重，厚度為180 μm的硅片在制絨清洗之后厚度僅為140～150 μm，加大了光吸收難度。

2019年國內(nèi)一些企業(yè)在生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)，對于產(chǎn)業(yè)化來說，中小尺寸的金字塔雖然在吸光性方面稍差，但其在鈍化效果方面卻較好，可能會提高太陽電池的Voc或FF，因此需要在吸光性與鈍化效果之間找到一種平衡。在制備出金字塔后還需要使用HNO3和HF溶液體系對金字塔表面進行光滑處理。

國內(nèi)清洗設(shè)備的供應(yīng)商主要是捷佳偉創(chuàng)公司。國外清洗設(shè)備的供應(yīng)商主要有：

1)德國Singulus公司。該公司為我國國內(nèi)幾個廠家提供清洗設(shè)備，比如泰興中智公司160 MW的HJT電池生產(chǎn)線。

該公司的清洗設(shè)備采用O3清洗代替氨水和HCl清洗硅片表面，如圖33所示，避免了氨氮的排放，同時也降低了成本。此外，該設(shè)備還可以精確控制制絨槽中的溶劑濃度和配比的變化，及時補充藥液，確保腐蝕效果的一致性。德國Singulus公司測算使用O3清洗的成本比使用傳統(tǒng)REC清洗工藝的成本可下降約50%。

圖33 Singulus 公司使用O3清洗工藝代替氨水和 HCl的清洗工藝Fig. 33 Singulus uses O3 cleaning process instead of ammonia and HCl cleaning process

2)日本YAC公司。該公司為三洋公司的HIT電池生產(chǎn)線供應(yīng)清洗設(shè)備。目前我國國內(nèi)的晉能公司和漢能公司的HJT電池產(chǎn)線采用的也是該公司的設(shè)備。

3)德國RENA公司、RET 公司的批次清洗設(shè)備。

雖然目前幾家供應(yīng)清洗設(shè)備的公司都可以提供采用O3清洗工藝的設(shè)備，但由于傳統(tǒng)REC清洗技術(shù)的工藝穩(wěn)定性較好，一些企業(yè)仍選擇采用傳統(tǒng)REC清洗技術(shù)。

4.2.2 非晶硅鍍膜設(shè)備

目前非晶硅鍍膜設(shè)備主要采用PECVD鍍膜和CAT-CVD鍍膜這2種鍍膜技術(shù)。PECVD鍍膜又可分為射頻PECVD(13.56 MHz)和甚高頻鍍膜(27.12 MHz、40 MHz)。

在硅片正、背面均要鍍約5 nm本征非晶硅層作為鈍化膜。在硅片正表面本征非晶硅層外側(cè)還要鍍約10 nm厚的硼摻雜p型非晶硅層，該層作為發(fā)射極需要有足夠的場強，但該層過厚又會造成強烈的光吸收，影響短波響應(yīng)；而在硅片背表面本征非晶硅層外側(cè)則要鍍制約10 nm厚的磷摻雜n型非晶硅層。

目前HJT電池的PECVD沉積設(shè)備為線列式，這與傳統(tǒng)非晶硅薄膜電池中鍍膜設(shè)備多采用團簇并列式設(shè)備有所不同，由于異質(zhì)結(jié)電池每層鍍膜的厚度很薄，只有2～10 nm，因此鍍膜時間很短，若為團簇并列式，就會過于頻繁地進出片子，影響節(jié)拍和機械手的使用壽命。

分解硅烷的方法主要有PECVD法、CATCVD及低壓熱解CVD(LPCVD)法3種，這3種方法中使用不同的能量和溫度，如圖34所示。

圖34 3種不同的硅烷分解的特性Fig. 34 Characteristics of three different decomposition processes of silane

LPCVD法使用較高的襯底溫度，但是不使用等離子增加能量；而PECVD法使用較低的襯底溫度，但是需借助等離子體增加分解能量；而CAT-CVD法使用高溫?zé)峤z催化分解硅烷，襯底溫度較低，同時又不使用等離子體。CAT-CVD法有其優(yōu)點，比如不需要頻繁清洗腔室內(nèi)壁、襯底轟擊弱、薄膜質(zhì)量高等；但也存在缺點，比如需要頻繁更換熱絲、均勻性較差、設(shè)備能耗較高等，尤其是目前熱絲材料及模塊全部需從日本進口，成本較高。

下面介紹幾家非晶硅鍍膜設(shè)備的供應(yīng)商：

1)日本真空(Ulvac)公司。該公司既推出了PECVD鍍膜設(shè)備，也推出了CAT-CVD設(shè)備，其CAT-CVD設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖如圖35所示。早年該公司為日本三洋公司的HIT生產(chǎn)線供應(yīng)PECVD設(shè)備，但HIT電池的產(chǎn)業(yè)化效率始終無法突破，后來其又為三洋公司提供CAT-CVD設(shè)備，三洋公司HIT電池的平均產(chǎn)線效率達(dá)到23%時使用的就是此種CAT-CVD設(shè)備。目前只有日本Ulvac公司可以生產(chǎn)量產(chǎn)型的CAT-CVD設(shè)備，由于熱絲在加熱過程中容易出現(xiàn)變形，因此采用垂直沉積的形式。在CAT-CVD設(shè)備的內(nèi)部，1個熱絲模塊的兩側(cè)可以放置2片襯底載具，因此提高了沉積效率。該沉積設(shè)備分成2列線性排列，其中一列鍍i/n層，另一列鍍i/p層。

圖35 日本Ulvac公司的CAT-CVD設(shè)備結(jié)構(gòu)圖Fig. 35 CAT-CVD equipment structure of Ulvac in Japan

表17 日本Ulvac公司的CAT-CVD設(shè)備的工藝參數(shù)Table 17 Process parameters of CAT-CVD equipment of Ulvac in Japan

表17列出了日本Ulvac公司的CAT-CVD設(shè)備的工藝參數(shù)，目前單套CAT-CVD設(shè)備的產(chǎn)能可達(dá)80 MW。我國國內(nèi)的泰興中智公司的200 MW產(chǎn)線和中微公司的100 MW產(chǎn)線均采用這種設(shè)備。國內(nèi)廠商的實踐經(jīng)驗認(rèn)為，這種設(shè)備制備的非晶硅薄膜質(zhì)量較高，其不會出現(xiàn)像PECVD設(shè)備起輝時常會出現(xiàn)的電場不穩(wěn)定從而導(dǎo)致薄膜的結(jié)構(gòu)不佳、缺陷較多，以致于影響了硅片表面鈍化效果的情況。此外，由于熱絲溫度高達(dá)1800 ℃以上，因此催化分解硅烷較為充分，成膜質(zhì)量較高。但CAT-CVD設(shè)備的可調(diào)節(jié)參數(shù)不多，因此一旦定型就不易于進一步改進。目前該設(shè)備還存在2個問題：①熱絲更換較為頻繁，導(dǎo)致成本較高；②硅片自動化上、下片及翻片過于復(fù)雜，導(dǎo)致成品率下降。

2)Meyer Burger 的Roth&Rau 公司。該公司產(chǎn)品為鏈?zhǔn)絇ECVD 設(shè)備(HELiAPECVD)和PVD 設(shè)備(HELiAPVD)，并且致力于推廣交鑰匙工程，提供全套生產(chǎn)線。日本長洲產(chǎn)業(yè)公司購買了該公司的PECVD 設(shè)備。2019年Meyer Burger公司為新加坡REC公司交付了600 MW的HJT電池全套交鑰匙生產(chǎn)線，目前其HJT電池的產(chǎn)線效率達(dá)到23.7%，也說明了這種PECVD設(shè)備的鍍膜水平較高，如圖36所示[25]。該設(shè)備具有如下特點：采用了特殊的S-Cub?等離子反應(yīng)器，是一種盒中盒布局，實現(xiàn)了極低污染的均勻沉積；離子源為RF13.56 MHz的沉積頻率；穩(wěn)定而均勻的沉積過程，防止交叉污染；硅片翻片在惰性氣氛中進行；配備沉積腔室的在線清洗功能；節(jié)拍為2400片/h。

圖36 Meryer Burger 公司的HJT 電池產(chǎn)線的PECVD 設(shè)備——HELiAPECVDFig. 36 Meryer Burger's HJT solar cell production line PECVD equipment——HELiAPECVD

3) 美國應(yīng)用材料(AM)公司。該公司的團簇式PECVD以往供應(yīng)非晶硅薄膜太陽電池產(chǎn)線，但目前也在向HJT電池產(chǎn)線方向轉(zhuǎn)移。國內(nèi)的杭州賽昂公司使用的就是該公司提供的PECVD設(shè)備，晉能公司在其100 MW生產(chǎn)線上有50 MW產(chǎn)線采用的也是該公司的PECVD設(shè)備，愛康公司新建的200 MW HJT電池產(chǎn)線使用了美國AM公司的團簇式PECVD設(shè)備，國電投從美國Solar City購置的80 MW的HJT電池產(chǎn)線也是采用的這種團簇式設(shè)備。此外，之前美國AM公司的一些設(shè)備是供應(yīng)給非晶硅薄膜電池產(chǎn)線，但現(xiàn)在改造后是供應(yīng)給HJT電池產(chǎn)線使用，類似的案例還有俄羅斯電池生產(chǎn)商Hevel公司和意大利電池生產(chǎn)商3Sun公司(ENEL Green Power公司的子公司)。山西晉能公司利用這種PECVD設(shè)備制備的HJT 電池的產(chǎn)線效率平均值已接近24%，也說明了這種設(shè)備擁有的技術(shù)潛能。該種團簇式PECVD設(shè)備如圖37所示[26]。

圖37 晉能公司HJT電池產(chǎn)線上使用的美國AM公司 生產(chǎn)的團簇式PECVD設(shè)備Fig. 37 Cluster PECVD equipment produced by AM Company in USA used on Jinneng’s HJT solar cell production line

美國AM公司的PECVD設(shè)備源于其制備液晶顯示器的平臺，目前該設(shè)備已經(jīng)發(fā)展到8.5代，鍍膜面積達(dá)到5.3 m2。

美國AM公司的PECVD設(shè)備的鍍膜質(zhì)量很高，但其當(dāng)前的主要目標(biāo)是將原來非晶硅產(chǎn)線中的PECVD設(shè)備改造成適合鍍制HJT電池的設(shè)備，因此目前一些產(chǎn)線設(shè)備需要根據(jù)HJT電池的特性進行有針對性的工藝優(yōu)化。設(shè)備優(yōu)化時所面臨的問題主要包括：①HJT電池的非晶硅膜層較薄，因此要頻繁進出腔室，這對于團簇式PECVD機械手的速度提出了更高的要求；②HJT電池為雙面鍍膜，而傳統(tǒng)非晶硅電池為單面鍍膜，這就要求團簇式設(shè)備重新設(shè)計翻片機構(gòu)；③HJT電池要求貼近晶體硅表面的一層非晶硅層的質(zhì)量較高，盡量減小孵化層的厚度，因此要求等離子體起輝階段快速匹配，縮短起輝時不穩(wěn)定輝光的時間，這對于等離子電源提出了更高的要求；④HJT電池產(chǎn)線需要大產(chǎn)能連續(xù)生產(chǎn)，這就要求設(shè)備維護時間盡量短。目前美國AM公司的5.5代設(shè)備為改造后的PECVD設(shè)備，主要用于HJT電池產(chǎn)線，射頻頻率為13.56 MHz。

目前美國AM公司還未發(fā)布專門針對HJT電池的PECVD設(shè)備，但是已經(jīng)有多家企業(yè)購置了該公司改造后的PECVD設(shè)備。

4) 國內(nèi)的理想萬里暉公司。該公司是國內(nèi)最早開發(fā)用于HJT 電池生產(chǎn)的PECVD設(shè)備的廠家，其設(shè)備如圖38所示[27]。該公司開發(fā)的多層盒中盒腔體的PECVD設(shè)備獨具特色，目前已經(jīng)開發(fā)出1個大腔室內(nèi)有1個和2個小腔室的設(shè)備，產(chǎn)能增加了1倍，而且在后續(xù)的開發(fā)中可以在1個大腔室內(nèi)放置最多10個小腔室，使產(chǎn)能大幅提升，如圖39所示[27]。與傳統(tǒng)的單層反應(yīng)腔室相比，這種套盒結(jié)構(gòu)的優(yōu)點為：反應(yīng)腔形變?。环磻?yīng)腔上、下極板同時加熱，不易產(chǎn)生熱飄移，不易產(chǎn)生顆粒； 清理徹底，無需開腔維護；氣體耗量小，為傳統(tǒng)單層腔室的1/8。

圖38 理想萬里暉公司的用于HJT電池生產(chǎn)的PECVD設(shè)備Fig. 38 Ideal Wanlihui company’s PECVD equipment for HJT solar cell production

圖39 理想萬里暉公司的盒中盒結(jié)構(gòu)沉積腔室Fig. 39 Box-in-box structure deposition chamber of Ideal Wanlihui company

除了盒中盒的新型設(shè)計之外，理想萬里暉公司的另一項創(chuàng)新設(shè)計是采用變頻掃描匹配功率，固定電感和電容使功率匹配的速度加快。這種匹配方式使等離子起輝后0.3 s就建立起穩(wěn)定的等離子體功率，而常規(guī)電源則需要3 s以上的時間才能夠穩(wěn)定下來。而這一優(yōu)勢對制備HJT電池尤為重要，由于HJT電池雙面的本征層只有2～5 nm，若等離子體功率不穩(wěn)定的時間較長，鍍膜剛開始時的數(shù)層薄膜的結(jié)構(gòu)會較差，導(dǎo)致鈍化效果也較差。而理想萬里暉公司的PECVD設(shè)備可連續(xù)鍍膜，就不存在這樣的問題。

理想萬里暉公司的PECVD設(shè)備參數(shù)如表18所示[27]，該公司的單套盒PECVD設(shè)備的產(chǎn)能為1600片/h，年產(chǎn)能可以達(dá)到50 MW；該公司已于2019年開發(fā)出了大腔室中放置2個小片盒的設(shè)備，節(jié)拍為3000片/h，產(chǎn)能可達(dá)到100 MW。2019年該公司已經(jīng)向中微公司銷售了其雙套盒的PECVD設(shè)備。

表18 理想萬里暉公司的單層套裝腔室 PECVD設(shè)備參數(shù)Table 18 Parameters of PECVD equipment in single-layer packaged chamber of Ideal Wanlihui company

理想萬里暉公司在2018年為漢能公司提供了1臺生產(chǎn)型的PECVD設(shè)備，漢能公司創(chuàng)造的電池25.11%的世界最高轉(zhuǎn)換效率就是在這臺設(shè)備上實現(xiàn)的。2019年其中標(biāo)的中微公司的100 MW電池產(chǎn)線采用的PECVD設(shè)備，經(jīng)過調(diào)試，最高的產(chǎn)線單片效率可達(dá)到24.5%，產(chǎn)線批次效率平均值已經(jīng)達(dá)到24%。

5)福建鈞石公司。該公司自行開發(fā)了HJT電池生產(chǎn)中的2個主要設(shè)備：PECVD設(shè)備和鍍TCO膜的PVD設(shè)備。鈞石公司很少公開發(fā)布其自行設(shè)計的PECVD設(shè)備，該設(shè)備是基于傳統(tǒng)線列式PECVD設(shè)備，使用13.56 MHz的射頻電源，如圖40所示[28]。但該公司在載板設(shè)計方面有獨到之處，在1個無邊框的大載板上放置若干小托盤，每個小托盤上放置4片硅片，每個載板放置的硅片數(shù)目為12×12，這樣可避免由于熱應(yīng)力而產(chǎn)生的載板形變，同時便于翻片；該設(shè)備的沉積節(jié)拍為3500片/h。鈞石公司在其與合作者共建的HJT電池產(chǎn)線上建立了600 MW的PECVD沉積設(shè)備，該產(chǎn)線全部為鍍銅電極工藝，產(chǎn)線上得到最高效率為24.68%，但未經(jīng)國際檢測機構(gòu)的認(rèn)證，自測產(chǎn)線平均效率可達(dá)到24%。

圖40 鈞石公司的PECVD設(shè)備Fig. 40 PECVD equipment of Junshi company

6) 瑞士INDEOtec公司。該公司開發(fā)了一種新型的PECVD Mirror技術(shù)，該技術(shù)可以在沉積的雙面電池需要翻片時不破壞真空。該公司基于專有的集成射頻電極(IRTF)等離子技術(shù)，推出了第3個電極，用于增強等離子體轉(zhuǎn)向；載體頂部和底部的等離子體布置使載體底部的沉積成為可能。這種設(shè)計有利于硅片的頂部和底部沉積非晶硅薄膜時不從真空中拉出。瑞士INDEOtec公司還開發(fā)了一種抗交叉污染處理(ACCT)的特殊技術(shù)，將IRTF和ACCT技術(shù)相結(jié)合，可以在一個腔室里沉積本征層和雙面的n型和p型摻雜層，而無需破壞真空。

瑞士INDEOtec公司已經(jīng)能夠在6英寸CZ硅片上沉積良好的鈍化非晶硅膜，且少子壽命可達(dá)到5 ms。但是該公司的技術(shù)在制備電池方面還不夠成熟，使用Mirror技術(shù)制備的無主柵HJT電池的轉(zhuǎn)換效率為23.04%，而使用常規(guī)PECVD技術(shù)制備的同樣的太陽電池的轉(zhuǎn)換效率為23.14%。

該公司研發(fā)的Octopus II系統(tǒng)應(yīng)用于團簇式PECVD設(shè)備，既可用于PECVD沉積，也可以用于PVD沉積TCO膜，在CSEM研究中心獲得了轉(zhuǎn)換效率為24.1%的HJT電池。瑞士INDEOtec公司正在開發(fā)可用于產(chǎn)業(yè)化的Octopus III系統(tǒng)，可以支持3000片/h的量產(chǎn)。采用該系統(tǒng)的PECVD設(shè)備使用團簇式結(jié)構(gòu)，如圖41所示。

圖41 INDEOtec公司的PECVD 中試設(shè)備Fig. 41 INDEOtec compang’s PECVD pilot plant

上述PECVD設(shè)備的優(yōu)勢是：在1個六邊形的并列團簇型腔室中，一側(cè)進片，對側(cè)出片，4個沉積腔分別位于兩側(cè)，沉積頂面和底面不用進行翻片處理。每個載板可裝36片硅片；加熱腔可同時放置6個載板，其中3個載板進行沉積，另外3個載板處于等待狀態(tài)，這樣可以節(jié)省時間。INDEOtec公司表示，該系統(tǒng)的沉積成本將遠(yuǎn)低于2美分/W。 (待續(xù))