2020年中国光伏技术发展报告—— 晶体硅太阳电池研究进展（5）

中国可再生能源学会光伏专业委员会

(中国可再生能源学会，北京 100190)

2018年中国企业使用5BB 技术制备的HJT电池的产线平均效率可以达到23%左右；2019年HJT电池的产线平均效率可以达到23.5%～24.0%。但是MBB产线技术还需要设备、材料及组件等产业链各个环节进行全面的配合才能成熟，下文将对这些要点进行重点描述。

国内有2家企业使用了镀铜工艺，其中福建钧石公司采用MBB镀铜工艺的HJT电池的产线平均效率可以达到23.5%～24.0%，其最高效率为24.68%。福建钧石公司还收购了日本松下公司有关HJT电池的业务；国电投收购了美国Solar City公司的80 MW的HJT电池产线，该产线采用镀铜工艺。

4.2 HJT电池技术

图31为HJT电池的工艺流程。将其与前文所述的PERC电池或TopCon电池的工艺流程进行对比可以发现，HJT电池的工艺流程很简洁。HJT电池的2个关键工艺都有2种技术路线：1)对于非晶硅镀膜技术有PECVD和热丝化学反应气相沉积(CAT-CVD)这2项技术；对于透明导电膜TCO的镀制也有磁控溅射(PVD)和反应等离子体沉积(RPD)这2项技术。

虽然HJT电池的工艺较少，但其工艺难度较大，电池效率也较高。HJT电池要求的表面钝化水平越高，工艺控制的严格程度就越高。此外，HJT电池技术脱离了传统的同质结电池的扩散工艺，而是采用薄膜电池中常用的镀膜技术在晶体硅片表面制备p-n结。

图31 典型HJT 电池的制备工艺流程Fig. 31 Preparation process flow of typical HJT solar cell

4.2.1 硅片制绒技术

图32 PERC电池与HJT电池清洗工艺的差别Fig. 32 Difference between PERC solar cell and HJT solar cell cleaning process

清洗环节是确保电池质量非常关键的一个环节，其工艺流程图如图32所示。涉及到的工艺流程主要包括：1)表面去损伤层：NH4OH+H2O2+H2O (REC:SC1)；2)表面抛光处理：KOH+H2O；3)制绒制备金字塔：KOH+H2O+添加剂( 制绒)；4)后清洗：NH4OH+H2O2+H2O(REC:SC1)；5)表面光滑处理：HNO3+HF+H2O；6)表面清洗：HCl+H2O2+H2O(REC:SC2)；7)隔离清洗：DI水。

单晶硅片在使用金刚线切割后，表面十分光滑，损伤层也很薄，因此一般采用带添加剂的KOH溶液直接制绒即可，但在此之前要进行预清洗。一般可以采用REC公司开发的清洗工艺中的SC1试剂(NH4OH+H2O2)去除硅片表面的各种杂质；之后采用带有添加剂的KOH溶液对硅片表面进行制绒。研究结果显示，大的金字塔结构对于陷光具有良好的效果，金字塔表面的光滑程度会直接影响其钝化特性，而这两者直接决定了太阳电池的光电转换效率。当前国内传统的制绒添加剂主要是制备小金字塔(如苏州实创公司和浙江小辰公司的产品)；而目前日本公司开发的制绒工艺是采用日本林纯药工业株式会社开发的T系列添加剂，该工艺需要硅片表面无损伤点、表面光滑，因此需对硅片表面进行化学抛光处理，抛光后再腐蚀出尺寸为10 μm的大金字塔，此种操作使硅片减薄严重，厚度为180 μm的硅片在制绒清洗之后厚度仅为140～150 μm，加大了光吸收难度。

2019年国内一些企业在生产实践中发现，对于产业化来说，中小尺寸的金字塔虽然在吸光性方面稍差，但其在钝化效果方面却较好，可能会提高太阳电池的Voc或FF，因此需要在吸光性与钝化效果之间找到一种平衡。在制备出金字塔后还需要使用HNO3和HF溶液体系对金字塔表面进行光滑处理。

国内清洗设备的供应商主要是捷佳伟创公司。国外清洗设备的供应商主要有：

1)德国Singulus公司。该公司为我国国内几个厂家提供清洗设备，比如泰兴中智公司160 MW的HJT电池生产线。

该公司的清洗设备采用O3清洗代替氨水和HCl清洗硅片表面，如图33所示，避免了氨氮的排放，同时也降低了成本。此外，该设备还可以精确控制制绒槽中的溶剂浓度和配比的变化，及时补充药液，确保腐蚀效果的一致性。德国Singulus公司测算使用O3清洗的成本比使用传统REC清洗工艺的成本可下降约50%。

图33 Singulus 公司使用O3清洗工艺代替氨水和 HCl的清洗工艺Fig. 33 Singulus uses O3 cleaning process instead of ammonia and HCl cleaning process

2)日本YAC公司。该公司为三洋公司的HIT电池生产线供应清洗设备。目前我国国内的晋能公司和汉能公司的HJT电池产线采用的也是该公司的设备。

3)德国RENA公司、RET 公司的批次清洗设备。

虽然目前几家供应清洗设备的公司都可以提供采用O3清洗工艺的设备，但由于传统REC清洗技术的工艺稳定性较好，一些企业仍选择采用传统REC清洗技术。

4.2.2 非晶硅镀膜设备

目前非晶硅镀膜设备主要采用PECVD镀膜和CAT-CVD镀膜这2种镀膜技术。PECVD镀膜又可分为射频PECVD(13.56 MHz)和甚高频镀膜(27.12 MHz、40 MHz)。

在硅片正、背面均要镀约5 nm本征非晶硅层作为钝化膜。在硅片正表面本征非晶硅层外侧还要镀约10 nm厚的硼掺杂p型非晶硅层，该层作为发射极需要有足够的场强，但该层过厚又会造成强烈的光吸收，影响短波响应；而在硅片背表面本征非晶硅层外侧则要镀制约10 nm厚的磷掺杂n型非晶硅层。

目前HJT电池的PECVD沉积设备为线列式，这与传统非晶硅薄膜电池中镀膜设备多采用团簇并列式设备有所不同，由于异质结电池每层镀膜的厚度很薄，只有2～10 nm，因此镀膜时间很短，若为团簇并列式，就会过于频繁地进出片子，影响节拍和机械手的使用寿命。

分解硅烷的方法主要有PECVD法、CATCVD及低压热解CVD(LPCVD)法3种，这3种方法中使用不同的能量和温度，如图34所示。

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

LPCVD法使用较高的衬底温度，但是不使用等离子增加能量；而PECVD法使用较低的衬底温度，但是需借助等离子体增加分解能量；而CAT-CVD法使用高温热丝催化分解硅烷，衬底温度较低，同时又不使用等离子体。CAT-CVD法有其优点，比如不需要频繁清洗腔室内壁、衬底轰击弱、薄膜质量高等；但也存在缺点，比如需要频繁更换热丝、均匀性较差、设备能耗较高等，尤其是目前热丝材料及模块全部需从日本进口，成本较高。

下面介绍几家非晶硅镀膜设备的供应商：

1)日本真空(Ulvac)公司。该公司既推出了PECVD镀膜设备，也推出了CAT-CVD设备，其CAT-CVD设备的结构图如图35所示。早年该公司为日本三洋公司的HIT生产线供应PECVD设备，但HIT电池的产业化效率始终无法突破，后来其又为三洋公司提供CAT-CVD设备，三洋公司HIT电池的平均产线效率达到23%时使用的就是此种CAT-CVD设备。目前只有日本Ulvac公司可以生产量产型的CAT-CVD设备，由于热丝在加热过程中容易出现变形，因此采用垂直沉积的形式。在CAT-CVD设备的内部，1个热丝模块的两侧可以放置2片衬底载具，因此提高了沉积效率。该沉积设备分成2列线性排列，其中一列镀i/n层，另一列镀i/p层。

图35 日本Ulvac公司的CAT-CVD设备结构图Fig. 35 CAT-CVD equipment structure of Ulvac in Japan

表17 日本Ulvac公司的CAT-CVD设备的工艺参数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设备的工艺参数，目前单套CAT-CVD设备的产能可达80 MW。我国国内的泰兴中智公司的200 MW产线和中微公司的100 MW产线均采用这种设备。国内厂商的实践经验认为，这种设备制备的非晶硅薄膜质量较高，其不会出现像PECVD设备起辉时常会出现的电场不稳定从而导致薄膜的结构不佳、缺陷较多，以致于影响了硅片表面钝化效果的情况。此外，由于热丝温度高达1800 ℃以上，因此催化分解硅烷较为充分，成膜质量较高。但CAT-CVD设备的可调节参数不多，因此一旦定型就不易于进一步改进。目前该设备还存在2个问题：①热丝更换较为频繁，导致成本较高；②硅片自动化上、下片及翻片过于复杂，导致成品率下降。

2)Meyer Burger 的Roth&Rau 公司。该公司产品为链式PECVD 设备(HELiAPECVD)和PVD 设备(HELiAPVD)，并且致力于推广交钥匙工程，提供全套生产线。日本长洲产业公司购买了该公司的PECVD 设备。2019年Meyer Burger公司为新加坡REC公司交付了600 MW的HJT电池全套交钥匙生产线，目前其HJT电池的产线效率达到23.7%，也说明了这种PECVD设备的镀膜水平较高，如图36所示[25]。该设备具有如下特点：采用了特殊的S-Cub®等离子反应器，是一种盒中盒布局，实现了极低污染的均匀沉积；离子源为RF13.56 MHz的沉积频率；稳定而均匀的沉积过程，防止交叉污染；硅片翻片在惰性气氛中进行；配备沉积腔室的在线清洗功能；节拍为2400片/h。

图36 Meryer Burger 公司的HJT 电池产线的PECVD 设备——HELiAPECVDFig. 36 Meryer Burger's HJT solar cell production line PECVD equipment——HELiAPECVD

3) 美国应用材料(AM)公司。该公司的团簇式PECVD以往供应非晶硅薄膜太阳电池产线，但目前也在向HJT电池产线方向转移。国内的杭州赛昂公司使用的就是该公司提供的PECVD设备，晋能公司在其100 MW生产线上有50 MW产线采用的也是该公司的PECVD设备，爱康公司新建的200 MW HJT电池产线使用了美国AM公司的团簇式PECVD设备，国电投从美国Solar City购置的80 MW的HJT电池产线也是采用的这种团簇式设备。此外，之前美国AM公司的一些设备是供应给非晶硅薄膜电池产线，但现在改造后是供应给HJT电池产线使用，类似的案例还有俄罗斯电池生产商Hevel公司和意大利电池生产商3Sun公司(ENEL Green Power公司的子公司)。山西晋能公司利用这种PECVD设备制备的HJT 电池的产线效率平均值已接近24%，也说明了这种设备拥有的技术潜能。该种团簇式PECVD设备如图37所示[26]。

图37 晋能公司HJT电池产线上使用的美国AM公司 生产的团簇式PECVD设备Fig. 37 Cluster PECVD equipment produced by AM Company in USA used on Jinneng’s HJT solar cell production line

美国AM公司的PECVD设备源于其制备液晶显示器的平台，目前该设备已经发展到8.5代，镀膜面积达到5.3 m2。

美国AM公司的PECVD设备的镀膜质量很高，但其当前的主要目标是将原来非晶硅产线中的PECVD设备改造成适合镀制HJT电池的设备，因此目前一些产线设备需要根据HJT电池的特性进行有针对性的工艺优化。设备优化时所面临的问题主要包括：①HJT电池的非晶硅膜层较薄，因此要频繁进出腔室，这对于团簇式PECVD机械手的速度提出了更高的要求；②HJT电池为双面镀膜，而传统非晶硅电池为单面镀膜，这就要求团簇式设备重新设计翻片机构；③HJT电池要求贴近晶体硅表面的一层非晶硅层的质量较高，尽量减小孵化层的厚度，因此要求等离子体起辉阶段快速匹配，缩短起辉时不稳定辉光的时间，这对于等离子电源提出了更高的要求；④HJT电池产线需要大产能连续生产，这就要求设备维护时间尽量短。目前美国AM公司的5.5代设备为改造后的PECVD设备，主要用于HJT电池产线，射频频率为13.56 MHz。

目前美国AM公司还未发布专门针对HJT电池的PECVD设备，但是已经有多家企业购置了该公司改造后的PECVD设备。

4) 国内的理想万里晖公司。该公司是国内最早开发用于HJT 电池生产的PECVD设备的厂家，其设备如图38所示[27]。该公司开发的多层盒中盒腔体的PECVD设备独具特色，目前已经开发出1个大腔室内有1个和2个小腔室的设备，产能增加了1倍，而且在后续的开发中可以在1个大腔室内放置最多10个小腔室，使产能大幅提升，如图39所示[27]。与传统的单层反应腔室相比，这种套盒结构的优点为：反应腔形变小；反应腔上、下极板同时加热，不易产生热飘移，不易产生颗粒； 清理彻底，无需开腔维护；气体耗量小，为传统单层腔室的1/8。

图38 理想万里晖公司的用于HJT电池生产的PECVD设备Fig. 38 Ideal Wanlihui company’s PECVD equipment for HJT solar cell production

图39 理想万里晖公司的盒中盒结构沉积腔室Fig. 39 Box-in-box structure deposition chamber of Ideal Wanlihui company

除了盒中盒的新型设计之外，理想万里晖公司的另一项创新设计是采用变频扫描匹配功率，固定电感和电容使功率匹配的速度加快。这种匹配方式使等离子起辉后0.3 s就建立起稳定的等离子体功率，而常规电源则需要3 s以上的时间才能够稳定下来。而这一优势对制备HJT电池尤为重要，由于HJT电池双面的本征层只有2～5 nm，若等离子体功率不稳定的时间较长，镀膜刚开始时的数层薄膜的结构会较差，导致钝化效果也较差。而理想万里晖公司的PECVD设备可连续镀膜，就不存在这样的问题。

理想万里晖公司的PECVD设备参数如表18所示[27]，该公司的单套盒PECVD设备的产能为1600片/h，年产能可以达到50 MW；该公司已于2019年开发出了大腔室中放置2个小片盒的设备，节拍为3000片/h，产能可达到100 MW。2019年该公司已经向中微公司销售了其双套盒的PECVD设备。

表18 理想万里晖公司的单层套装腔室 PECVD设备参数Table 18 Parameters of PECVD equipment in single-layer packaged chamber of Ideal Wanlihui company

理想万里晖公司在2018年为汉能公司提供了1台生产型的PECVD设备，汉能公司创造的电池25.11%的世界最高转换效率就是在这台设备上实现的。2019年其中标的中微公司的100 MW电池产线采用的PECVD设备，经过调试，最高的产线单片效率可达到24.5%，产线批次效率平均值已经达到24%。

5)福建钧石公司。该公司自行开发了HJT电池生产中的2个主要设备：PECVD设备和镀TCO膜的PVD设备。钧石公司很少公开发布其自行设计的PECVD设备，该设备是基于传统线列式PECVD设备，使用13.56 MHz的射频电源，如图40所示[28]。但该公司在载板设计方面有独到之处，在1个无边框的大载板上放置若干小托盘，每个小托盘上放置4片硅片，每个载板放置的硅片数目为12×12，这样可避免由于热应力而产生的载板形变，同时便于翻片；该设备的沉积节拍为3500片/h。钧石公司在其与合作者共建的HJT电池产线上建立了600 MW的PECVD沉积设备，该产线全部为镀铜电极工艺，产线上得到最高效率为24.68%，但未经国际检测机构的认证，自测产线平均效率可达到24%。

图40 钧石公司的PECVD设备Fig. 40 PECVD equipment of Junshi company

6) 瑞士INDEOtec公司。该公司开发了一种新型的PECVD Mirror技术，该技术可以在沉积的双面电池需要翻片时不破坏真空。该公司基于专有的集成射频电极(IRTF)等离子技术，推出了第3个电极，用于增强等离子体转向；载体顶部和底部的等离子体布置使载体底部的沉积成为可能。这种设计有利于硅片的顶部和底部沉积非晶硅薄膜时不从真空中拉出。瑞士INDEOtec公司还开发了一种抗交叉污染处理(ACCT)的特殊技术，将IRTF和ACCT技术相结合，可以在一个腔室里沉积本征层和双面的n型和p型掺杂层，而无需破坏真空。

瑞士INDEOtec公司已经能够在6英寸CZ硅片上沉积良好的钝化非晶硅膜，且少子寿命可达到5 ms。但是该公司的技术在制备电池方面还不够成熟，使用Mirror技术制备的无主栅HJT电池的转换效率为23.04%，而使用常规PECVD技术制备的同样的太阳电池的转换效率为23.14%。

该公司研发的Octopus II系统应用于团簇式PECVD设备，既可用于PECVD沉积，也可以用于PVD沉积TCO膜，在CSEM研究中心获得了转换效率为24.1%的HJT电池。瑞士INDEOtec公司正在开发可用于产业化的Octopus III系统，可以支持3000片/h的量产。采用该系统的PECVD设备使用团簇式结构，如图41所示。

图41 INDEOtec公司的PECVD 中试设备Fig. 41 INDEOtec compang’s PECVD pilot plant

上述PECVD设备的优势是：在1个六边形的并列团簇型腔室中，一侧进片，对侧出片，4个沉积腔分别位于两侧，沉积顶面和底面不用进行翻片处理。每个载板可装36片硅片；加热腔可同时放置6个载板，其中3个载板进行沉积，另外3个载板处于等待状态，这样可以节省时间。INDEOtec公司表示，该系统的沉积成本将远低于2美分/W。 (待续)