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这,就是HJT

光伏电池组件  来源:摩尔光伏    2019/6/18 11:11:49  我要投稿  

北极星太阳能光伏网讯:近两年,国内HJT产能迅速扩张,特别是2018年HJT快速发展。在PERC已成为产业主流的今天,许多企业投资巨额资金布局HJT以博取在未来赢得“领跑权”。

晶硅异质结HJT太阳能电池技术经历了多年发展,目前已经接近成本与价格相匹配的临界点,且未来成本降低空间很大,加上其本身高效率和高发电能力,在未来非常有希望占据晶硅组件的高端市场份额,成为组件差异化的重要代表之一。

今天,文章主要包含3部分内容:1.当前HJT技术的研究进展与产业化进展(包括2019SNEC企业的TOPCon与HJT版型与功率水平)。2.HJT技术的基本知识。3.未来提效方法。4.降本途径。

以下来源于2019摩尔光伏《HJT量产技术报告》。

以下数据未包含HBC。

2019SNEC展会上TOPCon与HJT的相关版型与组件功率:

5.png

非晶硅薄膜太阳能电池虽然可以使用低温工艺制备且制备工艺简单,成本较低,适合大面积生产,但是严重的Staebler-Wronski效应影响了电池性能的稳定性,而且电池的转换效率偏低,限制了其发展。为了保持高的转换效率同时实现降低成本,利用非晶硅薄膜/单晶硅衬底异质结结构的HIT电池引起了人们极大的兴趣,其结合了单晶硅和非晶硅太阳能电池的优点,如稳定性好,转换效率高,成本低廉,低温工艺等。其中的稳定性包括光照稳定性和温度稳定性:光照稳定性好具体指HIT太阳能电池的Staebler-Wronski效应很弱甚至不存在[1];温度稳定性好意味着HIT电池在温度系数等方面甚至好于晶硅电池,其温度系数仅为-0.25%/℃[2](单晶硅电池的温度系数为-0.5%/℃),使得HIT太阳能电池即使在光照升温的情况下仍然具有很好的输出。若是HIT具有对称结构还可以双面发电,更加充分地利用光能。目前,HIT太阳能电池的效率达26.7%[3],为日本Kaneka公司于2017年研发。HIT电池之所以具有高效率,原因之一是其具有独特的本征非晶硅薄层的异质结结构,非晶硅层不仅用于完成p-n结的制备,同时也完成了单晶硅表面的钝化,并且起到了调节能带偏移,降低界面态密度的重要作用,从而很大程度上减小了表面和界面漏电流,增加了开路电压,电池的转换效率随之得到提高,可见HIT太阳能电池具有十分广阔的应用市场和前景。

2.HIT太阳能电池的结构与原理

2.1HIT太阳能电池的基本结构

下面图1简单示意了HIT电池结构,存在本征非晶硅薄膜层(i-a-Si)是此结构中最重要的一点。其特点是正面(光照射一面)和背面都是薄本征非晶层(i-a-Si)和p+或n+的非晶硅层(a-Si),中间部分为单晶硅(c-Si),另外在两侧非晶硅的外面制备透明的电极以及集电极,行成了拥有对称结构的HIT太阳能电池。其中两侧的非晶硅层的膜厚一般大约为5~10nm,而中间的c-Si层厚度最小可取衬底光吸收材料的光学所要求的最低值(约80μm)[4]。如图1结构所示,根据衬底材料的不同大致可分为两种结构,TCO/n+-a-Si/i-a-Si/p-c-Si/i-a-Si/p+-a-Si/TCO型以及TCO/p+-a-Si/i-a-Si/n-c-Si/i-a-Si/n+-a-Si/TCO型。整个工艺过程制备得到的HIT太阳能电池的厚度非常薄,日本松下公司研制得到了厚度仅为98μm的HIT太阳能电池,而且效率高达24.7%[5]。

6.png

在HIT太阳能电池结构中,本征非晶硅层是至关重要的一层。a-Si层的禁带宽度Eg约为1.7~1.9eV,c-Si的禁带宽度Eg约为1.12eV,两者的能带存在不匹配的现象,所以在界面处会发生能带的不连续。i-a-Si插入二者之间,其作为缓冲层首先可以钝化a-Si/c-Si界面处的悬挂键,其次i-a-Si可以减小a-Si/c-Si界面处势垒、调节能带偏移、减少漏电流。另一方面,a-Si/c-Si界面态密度较高,会导致较高的复合电流,此时,高质量薄i-a-Si层的重要作用就会显现出来,将其插入两者中间,将会很大程度上减少悬挂键并降低a-Si/c-Si界面态密度,从而降低了复合电流,增加了开路电压。另外i-a-Si层的隙态密度也要比掺杂a-Si中隙态密度(达1018cm-3)小很多,仅为1015~1016cm-3,能很大程度地抑制隧穿电流的产生[6],从而提高电池的转换效率,增大输出,实现高效率的硅异质结太阳能电池

2.2HIT太阳能电池的工作原理

以n型单晶硅为衬底的电池为例,HIT太阳电池的工作原理[7]:当光照在HIT电池表面上时,首先被p+-a-Si层吸收,作为激发产生载流子的能量。p+-a-Si和n-c-Si形成p-n结,跟同质p-n结一样,在内建电场的作用下,p区中的少数载流子(光生电子e-)将会漂移到n-c-Si中,n-c-Si中的少数载流子(空穴h+)同样会受力漂移到p+-a-Si层,于是在异质结两侧就会随之出现光生电荷的聚集累积,从而产生光电压,产生了异质结的光生伏特效应。

在HIT太阳能电池结构里,n-c-Si为吸收层,光学带隙比较小,大概1.12eV左右,c-Si的作用:一是形成p-n结,产生内建电场;二是在光照条件下产生载流子(作为吸收层);三是与背面a-Si形成背电场。i-a-Si层十分重要,它的作用是钝化c-Si,减少载流子的复合从而增大电流。n+-a-Si作为背电场,与n型的c-Si形成n-n+结构,形成n+区指向n区的内建电场,相当于一个钝化场,极大地减小了载流子的复合。透明导电氧化物TCO,如ITO等,作为电极。另外a-Si层和TCO层的光学带隙分别为1.7eV和4.0eV左右,比c-Si带隙大有利于更多的光到达c-Si层。

2.3HIT太阳能电池的特点

HIT电池采用非晶硅薄膜/单晶硅衬底异质结的结构,这是HIT太阳电池与传统电池最大的不同之处,它结合了单晶硅和非晶硅太阳能电池的优点,主要包括下列几个方面:

(1)简单的对称结构

HIT太阳能电池结构简单,且具有对称特性,不需要复杂的制备工艺技术,有利用电池的薄片化,大大地减少了成本;简单的结构允许低温过程制备,减少了能量的消耗,并能得到较长的少子寿命,从而有利用得到性能优异的HIT电池。正反两面都采用栅状电极结构,形成双面电池,这样的对称特性有利于降低整个器件在工作过程的热量并且起到了降低机械应力的作用,同时,这样的结构使背面允许有光的进入,作为双面电池使用,不仅增大了太阳光的利用率,还同时提高了电池的转换效率。

(2)非晶硅层的利用

非晶硅层一方面有利于宽谱带的吸收,因为其禁带宽度要大于晶体硅的禁带宽度,晶体硅同质结太阳能电池可吸收太阳能的波长范围在大概在0.3~1.1μm,该波长范围的光占总波长的46%[8],非晶硅的利用可以吸收晶体硅不能利用的波长较小的光,起到展宽太阳能吸收光谱的作用,从而达到提高转换效率的作用;另一方面,非晶硅层与晶体硅形成的异质结可以增大内建电场,增大注入结两侧的非平衡少子电流,从而起到了增大短路电流和开路电压的作用。

(3)低温工艺

HIT太阳能电池由于采用a-Si层与c-Si来形成p-n结,因此不存在传统制备p-n结的高温过程,在低温(<250℃)下就可以制备完成,由此一方面能够节约能源,另一方面也可以较地精确控制a-Si∶H薄膜的掺杂和厚度,从而在工艺上器件特性易于优化;采用低温技术可得到较长的少子寿命,使电池具有优越的性能;除此之外,衬底材料可采用“低质量”且廉价的晶体硅,甚至多晶硅,因为低温过程不会对硅衬底造成性能方面的退化;在衬底厚度方面,可选择作为衬底光吸收材料的光学所要求的最低值(约80μm),原因是单晶硅片在低温沉积过程中弯曲和变形程度小,不会对电池的性能产生不利影响。可见,低温制备过程带来的不仅是工艺上优势,也很大程度上节约了电池的成本。

(4)高效率

HIT太阳能电池效率达到了26.7%[3],且具有比体硅电池更高的开路电压Voc,原因之一就是其独特的具有i-a-Si层的异质结结构,其重要性如前所述,作为缓冲层不仅减少了表面的悬挂键,钝化了异质结界面,还调节了能带偏移,减少了界面态密度,从而减小了隧穿电流,增大了开路电压Voc,电池的转换效率随之得到提高。这种双面对称结构的电池可以充分地利用太阳能,封装成双面电池组件后,其年平均发电量与单面电池组件相比多出10%以上[9],带来更大的效益。

(5)高稳定性

人们发现在非晶硅薄膜太阳能电池中,随着光照时间延长,其转换效率会有所下降,即Staebler-Wronski效应,而在HIT太阳能电池的a-Si∶H中并没有发现类似的现象,这就使得在长时间的光照情况下也能得到较好的输出,因此,HIT太阳能电池的光照稳定性很好;另外,HIT电池的温度稳定性也同样优秀,因为HIT电池的温度系数仅为-0.25%/℃,远优于单晶硅电池的温度系数-0.5%/℃,因此HIT电池在长时间光照温度升高的情况下,仍然会有高输出和高转换效率。

(6)低成本

如前所述,HIT太阳能电池的厚度较薄且可以保持衬底硅片不变形,可以很大程度上节省硅材料,如日本松下公司制备出厚度仅为98μm但效率高达24.7%的HIT太阳能电池[5],也曾尝试过58μm厚度的HIT太阳能电池,得到的结果是其开路电压Voc高达747mV,但电流密度偏低[10];另外,低温制备过程不仅可以减少过多的能量损耗,并且因为低温损伤小可允许使用“低质量”廉价的衬底。从而使电池逐渐向低成本,高效率的方向不断发展,扩大市场应用范围。

(7)发电量大

HIT太阳能电池具有普通晶硅电池更大的转换效率,其单位面积的发电量会比常规的太阳能电池组件多大概27%的发电量[11],这使得在相同可利用面积的情况下,HIT太阳能电池组件的应用更加有利。另外由于其温度稳定性优异,所以在高温环境下也能带来高的发电量,在组件温度达到82℃的情况下,其发电量仍然能比常规太阳能电池多13%左右[12]。还有HIT电池的双面对称结构的利用,使正面和背面都可发电,充分利用太阳光能,其年平均发电量与单面电池组件相比多出10%以上[9]。这种高效率和大发电量让HIT太阳能电池在市场化应用中占有有利地位,特别适合分布式发电,尤其是屋顶光伏电站。

(8)适合大面积生产

HIT电池的工艺简便快速,可在短时间内完成整个电池的制作,耗时短,很大程度上减少人力物力的浪费,特别是在市场商业化的应用上,能极大地节省成本,有利用大面积生产的市场化应用。另一方面,HIT电池高的转化效率和大的发电量使它在市场化应用上具有更大的吸引力,而且它应用灵活,安装方便,可与建筑物结合,不需要支架,可作为屋顶的瓦片使用[13],甚至可以垂直安装,作为围栏等方面。日本的松下公司已成功的将其进行了市场化应用,可用于屋顶和汽车等方面,该公司于2011年产业化的HIT太阳能电池组件功率达到了240W,所用电池效率为21.6%,组件效率达到了19%,2014年组件的转换效率升级为19.4%[14]。


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