(中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)，北京 100190)

7) 其他正在開(kāi)發(fā)PECVD 設(shè)備的公司。目前至少有3 家公司正在開(kāi)發(fā)PECVD 設(shè)備產(chǎn)品，分別是北京捷造公司、捷佳偉創(chuàng)公司和邁為公司。

北京捷造公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出1 臺(tái)可用于產(chǎn)業(yè)化的鏈?zhǔn)絇ECVD 設(shè)備，并提供給漢能公司進(jìn)行試驗(yàn)，且得到了不錯(cuò)的反饋。

捷佳偉創(chuàng)公司致力于打造制備HJT 電池時(shí)各個(gè)環(huán)節(jié)所需設(shè)備，并試圖進(jìn)行交鑰匙解決方案。目前該公司已經(jīng)擁有較為成熟的清洗設(shè)備、RPD設(shè)備(捷佳偉創(chuàng)公司掌握了日本住友公司關(guān)于該設(shè)備在中國(guó)的開(kāi)發(fā)與銷售權(quán))、絲印設(shè)備，只缺少PECVD 設(shè)備。該公司預(yù)計(jì)于2020 年推出自己的用于HJT 電池制備的PECVD 設(shè)備。

邁為公司目前正在開(kāi)發(fā)一種動(dòng)態(tài)PECVD 設(shè)備。該設(shè)備創(chuàng)新性的概念是讓載有硅片的載板在等離子輝光放電的過(guò)程中運(yùn)動(dòng)地通過(guò)等離子區(qū)域。這一概念的好處是：①避免了由于等離子起輝過(guò)程中初始狀態(tài)不穩(wěn)定導(dǎo)致的硅片表面非晶硅孵化層缺陷較多的問(wèn)題；②沿硅片行進(jìn)方向的鍍膜均勻性較好；③沉積速率較快。

但是這種動(dòng)態(tài)沉積方式也存在一些問(wèn)題，具體為：①襯底運(yùn)動(dòng)會(huì)擾動(dòng)等離子體的穩(wěn)定性；②等離子體粉末沉積到導(dǎo)輪上，會(huì)使下電極出現(xiàn)絕緣現(xiàn)象，從而影響等離子體；③沉積工藝條件難以改動(dòng)。由于沉積時(shí)間與襯底運(yùn)動(dòng)速率有關(guān)，因此當(dāng)調(diào)整硅烷濃度、等離子強(qiáng)度、沉積時(shí)間等參數(shù)時(shí)勢(shì)必影響沉積速率，而這樣就需要改變一個(gè)腔室內(nèi)部的載板運(yùn)動(dòng)速率，但改變一個(gè)腔室內(nèi)的載板運(yùn)動(dòng)速率勢(shì)必會(huì)影響到后續(xù)沉積工序的節(jié)拍。

邁為公司在2019 年為通威公司提供了1 套500 MW 的動(dòng)態(tài)PECVD 設(shè)備，但后續(xù)尚需要考察這種設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化適用性。

綜上所述，CVD 沉積設(shè)備可分成PECVD 和CAT-CVD 這2 種類型，二者目前誰(shuí)更具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)還有待產(chǎn)業(yè)的驗(yàn)證。2 種HJT 電池鍍膜設(shè)備的成本對(duì)比如表19 所示。從設(shè)備運(yùn)營(yíng)費(fèi)用和設(shè)備投資來(lái)看，CAT-CVD 設(shè)備均優(yōu)于PECVD 設(shè)備。但CAT-CVD 設(shè)備也存在缺點(diǎn)：①由于CAT-CVD 設(shè)備被日本住友公司壟斷，未來(lái)的熱絲供應(yīng)一直需要日本供貨，因此該設(shè)備未來(lái)的成本較高；②其鍍膜的均勻性不如PECVD 設(shè)備；③其耗電較高，由于熱絲的溫度需要達(dá)到1800 ℃左右，因此該設(shè)備較為耗電。

表19 2 種HJT 電池鍍膜設(shè)備的成本對(duì)比Table 19 Cost comparison of two kinds of HJT solar cell coating equipment

由于所有PECVD 設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)大同小異，目前PECVD 設(shè)備的技術(shù)區(qū)別主要為以下3 點(diǎn)：

①盒中盒結(jié)構(gòu)。理想萬(wàn)里暉公司與Meryer Burger 公司都采用這種結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)如前文所述。

②使用調(diào)頻技術(shù)達(dá)到起輝階段的快速匹配，降低等離子失配時(shí)間。

芬頓氧化技術(shù)的影響因素主要為pH值、Fe2+、H2O2投加量及投加方式。普通的芬頓氧化技術(shù)中雙氧水加藥方式為單點(diǎn)投加，而這種加藥方式在雙氧水投加初期系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量羥基自由基，過(guò)多的羥基自由基不能完全與廢水中有機(jī)污染物發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致芬頓試劑產(chǎn)生的部分羥基自由基被無(wú)效消耗，最終導(dǎo)致雙氧水利用率下降以及降低預(yù)處理效果。本文主要研究多點(diǎn)投加芬頓氧化技術(shù)最佳反應(yīng)條件和多點(diǎn)投加方式的優(yōu)化(包括投加位點(diǎn)及投加量)。

③使用甚高頻(VHF)電源(40.68 MHz)，降低了自偏壓(-4 V)，比射頻電源(RF) 的自偏壓(-12～-14 V) 低，從而降低了硅襯底的損傷。由于VHF 的功率密度高，因此在與RF 獲得同樣的沉積速率時(shí)，可以降低沉積功率，從而進(jìn)一步降低自偏壓。理想萬(wàn)里暉公司的使用此技術(shù)的Oak-U-5 型鍍膜機(jī)產(chǎn)能達(dá)到了50～60 MW。

通過(guò)上述技術(shù)方面的改進(jìn)，目前PECVD 設(shè)備或CAT-CVD 設(shè)備都已經(jīng)可以沉積鈍化特性足夠好的非晶硅薄膜，使HJT 電池的光電轉(zhuǎn)換效率提升至24%以上。但光電轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提升還需要在后續(xù)其他工藝匹配之后再進(jìn)行深入的研究和開(kāi)發(fā)。

4.2.3 透明導(dǎo)電膜鍍膜技術(shù)

制備非晶硅薄膜的技術(shù)關(guān)鍵主要是鍍膜設(shè)備的技術(shù)改進(jìn)，而制備透明導(dǎo)電膜的技術(shù)關(guān)鍵則涉及到鍍膜設(shè)備與薄膜材料2 個(gè)方面的技術(shù)改進(jìn)。

透明導(dǎo)電膜鍍膜工藝是在前、后表面的非晶硅外層鍍制一層透明導(dǎo)電膜，可以采用2 種方法，一種是磁控濺射法，另一種是反應(yīng)等離子沉積(Reaction Plasma Deposition，RPD)法。目前有2種鍍膜設(shè)備用于制備透明導(dǎo)電膜。

1)磁控濺射設(shè)備。這是最大眾化的制備透明導(dǎo)電膜的設(shè)備，該設(shè)備是使用輝光放電的等離子體，在磁場(chǎng)約束下轟擊ITO 靶，將SnO 和InO分子濺射到樣品上。由于襯底直接暴露在等離子體中，對(duì)硅片表面有一定的轟擊作用，對(duì)于常規(guī)的非晶硅薄膜太陽(yáng)電池來(lái)說(shuō)，非晶硅層的厚度約為幾百nm，因此磁控濺射的轟擊損害不明顯。但是對(duì)于HJT 電池來(lái)說(shuō)，其非晶硅層厚度只有約10 nm，因此等離子轟擊往往會(huì)造成電池性能的下降或不穩(wěn)定。磁控濺射設(shè)備的原理圖如圖42a 所示。在國(guó)際上比較知名的磁控濺射設(shè)備為德國(guó)馮?阿登納公司生產(chǎn)的鍍膜機(jī)。該公司專門為HJT 電池開(kāi)發(fā)了PVD 設(shè)備XEA/nova 和XENIA 兩款鍍膜機(jī)；并且為最大限度地提高靶材的利用率，這2 款鍍膜機(jī)均使用了柱形靶。

PVD 設(shè)備是一種常規(guī)的鍍膜設(shè)備，在光伏領(lǐng)域外許多其他領(lǐng)域都有大量的應(yīng)用，是一種非常成熟的設(shè)備。HJT 電池鍍膜的主要要求是雙面鍍膜、鍍膜速度盡量快、鍍膜均勻性高，多采用柱形靶材。這種設(shè)備的供應(yīng)公司主要有德國(guó)馮?阿登納公司、Meyer Burger 公司、Singulus 公司、鈞石能源公司、Ulvac 公司。

德國(guó)馮?阿登納公司總部位于德國(guó)，在TCO鍍膜方面有15 年的歷史。該公司的SCALA 設(shè)備是一款處于中試階段的設(shè)備。用于HJT 電池量產(chǎn)的設(shè)備采用XEA/nova 3.6 系統(tǒng)、XEA/nova 5.5 系統(tǒng)和XEA/nova L 系統(tǒng)。前2 種系統(tǒng)均帶有載板返回系統(tǒng)，可以在不破壞真空或不翻片的情況下進(jìn)行雙面沉積，采用旋轉(zhuǎn)靶，腔室可以進(jìn)行預(yù)處理，載板放置硅片數(shù)量為6×9 片，適用于M2～M4 的硅片，有3600 片/h 和5500 片/h 這2 種產(chǎn)能，分別對(duì)應(yīng)100 MW 和200 MW 產(chǎn)線。而XEA/nova L 系統(tǒng)適用于M6 硅片，采用9×12的載板，產(chǎn)能可達(dá)8000 片/h，并且可以升級(jí)到10000 片/h 以上；這種機(jī)型的產(chǎn)能可以達(dá)到300 MW，甚至更高，且產(chǎn)品良率可達(dá)到99.9%。采用大產(chǎn)能的鍍膜機(jī)可以在設(shè)備成本增加量較少的前提下大幅提高產(chǎn)能，如此可有效降低太陽(yáng)電池的單瓦成本。

Meyer Burger 公司開(kāi)發(fā)的PVD 設(shè)備是HELiAPVD，該設(shè)備的產(chǎn)能是2400 片/h，采用柱形靶。

2)RPD 設(shè)備。日本住友公司為三洋公司的HIT 電池開(kāi)發(fā)了一種RPD 設(shè)備，該設(shè)備的原理圖如圖42b 所示[29]。RPD 設(shè)備使用離子源經(jīng)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后轟擊到靶材料上，將靶材原子轟擊出來(lái)沉積到樣品上；這種設(shè)備的襯底不暴露在等離子體中，因此對(duì)襯底表面轟擊不嚴(yán)重。RPD 設(shè)備鍍膜時(shí)的高能轟擊離子很少，這就減小了非晶硅表面的損傷，提高了少子壽命。

圖42 2 種沉積TCO 薄膜的技術(shù)原理圖Fig.42 Schematic diagram of two technologies for depositing TCO thin films

RPD 設(shè)備更像一種熱蒸發(fā)設(shè)備，因此制備出的ITO 膜具有更高的結(jié)晶度，可以在保持高透光性的同時(shí)具有更好的導(dǎo)電性。日本住友公司于2019 年將中國(guó)區(qū)域的RPD 設(shè)備制造和銷售權(quán)轉(zhuǎn)讓給捷佳偉創(chuàng)公司。

RPD 設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn)：①離子能量較低，而且襯底與等離子體分開(kāi)，因此對(duì)硅片的轟擊損傷較?。虎谑褂迷摲N設(shè)備可以對(duì)IWO(氧化銦氧化鎢)鍍膜，這種材料不能壓制成用于PVD 法鍍膜的高密度陶瓷靶材，而RPD 法所用的特殊設(shè)計(jì)靶材不需要高密度制靶過(guò)程，其振實(shí)密度只有60%；③使用RPD 法鍍制的TCO 膜的結(jié)晶度好，光的透過(guò)率高，電導(dǎo)率也高。

晉能公司比較了分別采用PVD 設(shè)備和RPD設(shè)備這2 種鍍膜工藝制備的TCO 膜用于HJT 電池后的性能，發(fā)現(xiàn)使用RPD 法鍍制的TCO 膜制備的HJT 電池的光電轉(zhuǎn)換效率比采用PVD 法的要高0.3%～0.4%[26]。

但是RPD 設(shè)備在進(jìn)行大規(guī)模量產(chǎn)時(shí)也遇到了一些問(wèn)題，如：①由于從靶材濺射出的離子呈球形分布，因此為了均勻鍍膜，需要2 個(gè)以上的靶同時(shí)濺射，而且還需要在硅片與濺射源之間設(shè)置勻流板，如此就大幅限制了鍍膜的產(chǎn)能。目前大多數(shù)產(chǎn)線是將2 個(gè)濺射靶平行放置，但為了擴(kuò)大產(chǎn)能，需要將更多的靶平行放置；②靶材利用率僅約為30%，成本較高；③根據(jù)目前的設(shè)計(jì)理念，這種方法只能從襯底下方鍍膜，因此為了雙面鍍膜還需要從真空環(huán)境中取出來(lái)翻片，這樣會(huì)影響產(chǎn)能。

為了克服這些缺點(diǎn)，捷佳偉創(chuàng)公司提出了一些新的改進(jìn)方案，具體為：①使用3 個(gè)并行靶代替原來(lái)的2 個(gè)并行沉積源，以增大產(chǎn)能。②未來(lái)設(shè)計(jì)“RPD+PVD”的新型設(shè)備時(shí)，可在下表面采用RPD 鍍膜，而上表面在另外一個(gè)腔室里使用PVD 鍍膜，這樣就可以在不破壞真空環(huán)境的情況下完成雙面鍍膜。

采用3 個(gè)靶位的RPD 設(shè)備的產(chǎn)能是3000片/h。目前捷佳偉創(chuàng)公司正在開(kāi)發(fā)具有4 個(gè)靶位的RPD 設(shè)備，并且結(jié)合PVD 法與RPD 法，在不破壞真空環(huán)境的條件下進(jìn)行雙側(cè)鍍膜，可以將產(chǎn)能提高到5500 片/h，如圖43 所示[29]。

總之，目前鍍制TCO 膜的設(shè)備已經(jīng)較為成熟，但針對(duì)HJT 電池專門開(kāi)發(fā)的RPD 設(shè)備還需要進(jìn)一步優(yōu)化，這些設(shè)備的歸納總結(jié)如表20 所示。未來(lái)，這些技術(shù)或許可以更大幅度地增加產(chǎn)能，從而降低鍍膜成本。

圖43 捷佳偉創(chuàng)公司開(kāi)發(fā)的更高產(chǎn)能的RPD 設(shè)備Fig.43 RPD equipment with higher capacity developed by Shenzhen S.C

制備TCO膜的另一項(xiàng)技術(shù)關(guān)鍵是薄膜材料。由于這種材料需要具備多種功能，因此比一般薄膜太陽(yáng)電池中所用的TCO膜材料的要求高很多。這種薄膜材料的特性要求為：1)透明性要好；2)電導(dǎo)率要盡量高；3)要與其接觸的硅薄膜的功函數(shù)相匹配；4)在迎光面的TCO 膜需要載流子濃度低，以避免紅外吸收；5)靶材料成本要足夠低；6)鍍成的薄膜應(yīng)較為穩(wěn)定，不容易在氣氛中分解。

另外，由于在前表面的TCO 膜要兼具減反射膜的作用，因此其厚度是固定的，并在厚度固定的情況下要同時(shí)滿足上述所有要求。

表20 各種TCO 鍍膜設(shè)備性能的比較Table 20 Comparison of performance of various TCO coating equipment

此前在薄膜太陽(yáng)電池應(yīng)用方面已經(jīng)對(duì)TCO膜的材料和特性進(jìn)行了非常詳細(xì)的研究，而近年來(lái)由于HJT 電池的發(fā)展，對(duì)此類電池所用的TCO 膜的特殊要求使研究人員對(duì)TCO 膜又開(kāi)展了更為具體的、有針對(duì)性的研究。2019 年研究人員的努力方向是如何進(jìn)一步做好匹配以提高效率，以及如何進(jìn)一步降低成本這2 個(gè)方面。但是同時(shí)滿足上述要求的材料很難找到。目前能夠投入大規(guī)模量產(chǎn)的透明導(dǎo)電膜的材料主要為以下2 種。

1) ITO(SnO:InO=95%:5%)。這種材料是目前導(dǎo)電性能和透光特性最好的透明導(dǎo)電膜材料。使用磁控濺射法與RPD 法均可以制備。

2) IWO(InO+WO)。該薄膜是由三洋公司開(kāi)發(fā)的專門適用于HJT 電池的透明導(dǎo)電膜。這種薄膜具有匹配性更高的功函數(shù)，紅外吸光性較低，因此更適合于單晶硅材料對(duì)光的吸收波長(zhǎng)范圍。IWO 材料無(wú)法軋制成高密度靶，目前其振實(shí)密度只有約60%，而對(duì)于這種低密度靶材，很難使用磁控濺射法沉積，只能采用RPD 法來(lái)沉積。因此，Ulvac 公司正在考慮使用磁控濺射ITiO(即摻Ti 的InO)來(lái)代替使用RPD 法沉積的IWO 材料。

(待續(xù))