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这就是HJT

光伏电池组件  来源:摩尔光伏  作者:中节能镇江周肃  2020/4/29 8:21:08  我要投稿  

北极星太阳能光伏网讯:HJT是Heterojunction Technology的缩写,是一种N型单晶双面电池,具有工艺简单、发电量高、度电成本低的优势,可能会成为继PERC电池之后的行业热点。因HIT( Heterojunction with Intrinsic Thin layer)已被日本三洋公司申请为注册商标,所以又被称为HJT或SHJ(Silicon Heterojunction)。该类型太阳能电池最早由日本三洋公司于1990年成功开发,当时转换效率可达到14.5%(4mm2的电池),后来在三洋公司的不断改进下,三洋HJT电池的转换效率于2015年已达到25.6%。2015年三洋的HJT专利保护结束,技术壁垒消除,是我国大力发展和推广HJT技术的大好时机。

一、HJT异质结电池技术介绍

1.1 HJT电池结构与工艺

HJT电池结构示意图如图1,首先在N型单晶硅片(c-Si)的正面沉积很薄的本征非晶硅薄膜(i-a[J3]-Si:H)和p型非晶硅薄膜(p-a-Si:H),然后在硅片的背面沉积很薄的本征非晶硅薄膜(i-a-Si:H)和n型非晶硅薄膜(n-a-Si:H)形成背表面场;再在电池的两面沉积透明氧化物导电薄膜(TCO),TCO不仅可以减少收集电流时的串联电阻,还能起到像晶硅电池上氮化硅层那样的减反作用;最后在TCO上制作金属电极。

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图1 HJT电池的结构

在电池正表面,由于能带弯曲,阻挡了电子向正面的移动,空穴则由于本征层很薄而可以隧穿后通过高掺杂的p+型非晶硅,构成空穴传输层。同样,在背表面,由于能带弯曲阻挡了空穴向背面的移动,而电子可以隧穿后通过高掺杂的n+型非晶硅,构成电子传输层。通过在电池正反两面沉积选择性传输层,使得光生载流子只能在吸收材料中产生富集然后从电池的一个表面流出,从而实现两者的分离。

HJT电池的一大优势在于工艺步骤相对简单,如图2,总共分为四个步骤:制绒清洗、非晶硅薄膜沉积、TCO制备、电极制备。

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图2 HJT电池工艺流程图

HJT电池的制备工艺步骤简单,且工艺温度低,可避免高温工艺对硅片的损伤,并有效降低排放,但是工艺难度大,且产线与传统电池不兼容,设备资产投资较大。

1.2 HJT太阳电池研究进展与关键技术

1973年三洋公司(2008年被松下公司收购)开始研究非晶硅电池,制备出10%效率的电池。1983年开始设计非晶硅晶体硅堆积电池结构,即为HIT电池雏形。1990年,三洋公司在非晶硅薄膜电池基础上提出了a-Si/c-Si异质结电池,即在N型衬底上制作面积为1cm2的太阳电池[1],并将其命名为HIT电池。1994年,面积为1cm2的HIT太阳电池的转换效率达到20.0%[2]。1997年,三洋公司开始量产HIT电池,制备出HIT Power 21 TM 电池组件[3],从此,三洋致力于提高实验室太阳电池和工厂组件的效率,很多适合于大规模生产的新技术相继被开发和应用。2003年,批量生产200Wp功率、17%的HIT电池组件,其中电池效率为19.5%。2009年,HIT电池效率达到23%[4]。2011年,电池效率则打破世界纪录(η:23.7%,Voc:0.745V,Isc:39.38mA/cm2,FF:80.9%,100.7cm2)。2013年效率提升到25.6%。2014年,松下公司推出效率达到19.4%的HIT-N245的HIT电池组件。目前,中国、德国、法国、美国、意大利等国家也正在大力研制HIT电池,但是和松下还存在较大差距。松下公司的HIT电池的高效表明HIT电池具有广阔的应用前景。

1.2.1降低成本的途径

在降低成本方面,三洋主要从以下几个方面做改进:

(1)提高效率,这是目前所有太阳电池研究者所追求的目标;

(2)采用薄硅片替代厚硅片直接降低原材料的消耗量而降低成本;

(3)改善太阳电池的温度系数,这样就能得到更高的Voc 从而提高效率;

(4)将HIT太阳电池做成双面组件提高太阳光的利用率多发电。

1.2.2提高效率的途径

在提高异质结HJT太阳能电池的光电转换效率的过程中,开路电压Voc和Isc、FF非常关键[6],具体可通过以下几方面实现:

(1)提升Voc

在传统的p-a-Si:H/n-c-Si异质结太阳能电池中,表面和界面存在大量局域复合路径和悬挂键,掺杂层中有大量局域态,载流子易发生局域复合和隧穿[7]。通过对单晶硅片表面织构化进行化学钝化处理,提高a-Si:H(i)/mono-Si的界面质量,将晶体硅表面的缺陷钝化好,从而提高载流子通过a-Si:H(i)/mono-Si界面的几率,这样得到高的Voc。具体从以下几个方面着手研究:沉积a-Si:H之前,采用低成本的湿法工艺清洗晶体硅的表面;采用化学气相沉积的方法沉积高质量的a-Si:H(i),达到很好的钝化效果;在制作a-Si,TCO,电极的过程中低温低压减少热量和能量较高的粒子对晶体硅表面的破坏。采用上述工艺后,可以降低载流子的复合,提升Voc。

(2)提升Isc

基于电阻损失和光学损失对Isc的影响,改善电极的电阻率及对光的反射率显得尤为重要。改善电极就需要电极比较细的同时还具有较低的电阻率。HJT通过改变银浆的黏度和丝网印刷的参数达到合适的高宽比。三洋已经能做出宽度是高度一半的电极,而一般技术的电极高度是宽度的四分之一。优化HIT太阳电池的BSF,BSF能明显改善太阳电池对长波段的载流子的吸收。发展高质量的、载流子移动能力比较高的TCO薄膜。采用a-SiC以及尽量将非晶硅层做薄来减少光损失。采用合适的绒面结构增加进入太阳电池的太阳光。

(3)提升FF

有了高的Voc和Isc,还要有高的FF才能得到高的效率。提高FF主要就是减小漏电流和降低串联电阻,三洋在提高FF方面做了如下的优化:采用高质量低电阻电极材料减少电池的串联电阻;采用特殊高宽比的电极;发展高导电性能的P层非晶硅;发展低方块电阻的TCO导电膜。

1.2.3HJT太阳电池研究现状

除日本三洋外,世界上有很多机构在研究HJT 太阳电池,包括德国亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心,美国资源部国家可再生能源实验室,法国巴黎综合理工学院,瑞士洛桑联邦理工大学,荷兰德拜研究所等。表1和表2列出了当前国内外各大研究机构的HJT太阳电池研究现状[8],包括效率,开路电压,短路电流,填充因子,有效面积。少数研究机构的HJT太阳电池稳定效率能够超过20%,开路电压能够超过700mV。值得注意的是,大部分研究机构所采用的单晶硅衬底都是厚度大于200μm。松下创纪录的HJT太阳电池效率采用的单晶硅衬底厚度是98μm。由于α-Si:H 较好的钝化效果和较薄的单晶硅衬底,开路电压达到750mV的新高。文献[9]中对于单晶硅太阳电池的理论模拟显示,对于100μm 厚度的单晶硅衬底而言,最高的开路电压可以达到769mV,模拟过程中只考虑了内在的辐射和俄歇复合。同这个理论极限相比,松下的HIT太阳电池的开路电压记录是非常引人注意的。

表1 基于N型单晶硅衬底的HJT 太阳电池效率表

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小编注:2019年11月,汉能成都研发中心再次刷新高效硅薄膜异质结(SHJ)太阳能电池的世界纪录,其制备的冠军电池片,全面积(M2,244.45 c㎡)光电转换效率达到25.11%。2019年8月2日,汉能HIT事业部与成都珠峰永明科技有限公司联合宣布,经德国哈梅林太阳能研究所(ISFH)认证,由双方合作的成都研发中心研发的高效硅异质结电池技术冠军电池片,全面积(M2,244.52cm2)光电转换效率达到24.85%,不仅刷新了其保持的中国纪录,更超过了由日本Kaneka公司保持的原世界纪录,成为6寸硅片SHJ电池新的世界冠军。

表2基于P型单晶硅衬底的 HJT太阳电池效率表

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二、HJT电池及组件产能现状

2.1 市场前景

根据PVinfolink预测,HJT电池的安装量将持续上升,2021年预计达到20GW(年),市场占比达到10%以上,详细如图4:

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图3 不同电池技术产能预测(PVinfolink)

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图4 不同N型电池技术产能预测(PVinfolink)

2.2 国内外HJT技术产业现状

异质结电池的发展是从20世纪60年代开始的,1968年实现晶硅与非晶硅结合的异质结器件,1974年首次实现氢化非晶硅,减少非晶硅的缺陷,1983年异质结电池第一次制备成功,效率12.3%。1991年三洋公司首次将HJT电池效率达18.1%,并在1997年实现HJT电池的批量生产;其在异质结电池的研发和生产领域一直处于领先地位,其研发的面积为100cm2左右的HJT电池转换效率连续突破20%、21%、22%、23%重要窗口,2013年2月,转换效率最高已达24.7%。从2014年初Panasonic的25.6%打破UNSW保持了近20年的记录开始,Panasonic,SHARP和Kaneka先后超越25%。

日本化学品制造商KanekaCorporation的研究人员于2016年底将HJT电池光电转换率提升到26.3%,打破了之前松下25.6%的纪录。目前,叠加了IBC技术后的HJT电池能展现出更惊人的转化效率,目前已达26.63%。

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”。5月份国家电投高效低电阻金属栅线晶体硅异质结(C-HJT)光伏电池研发落户南昌;5月25日,彩虹集团异质结电池智能制造基地项目签约落户秀洲国家高新区;5月30日,亚玛顿与中智签署20MW异质结(HJT)超薄双面双玻组件战略合作计划;通威太阳能、上海微系统所、三峡资本于5月22日正式签订硅基异质结产业化战略合作协议,从事SHJ太阳能电池中试线和产业化运营。

晋能HJT单晶双面双玻光伏组件成功通过组件IEC61215/617302016新标准测试,目前,晋能科技HJT电池量产平均效率达23.27%,量产最高效率可达24.04%。在未使用半片、MBB等组件提效技术前提下,量产60片单面组件最高功率达到332.6W,组件双面性达89.61%,并有望在2018年年底实现24%的电池量产平均效率。自2017年7月HJT实现批量出货以来,产品良率始终保持高位水平。今年3月份测试分选显示,HJT良率已突破97.42%。除了晋能,汉能,国内诸多力量都加入到HJT发展的浪潮中。在这场竞技中,率先实现产业化及实现超高效率,将拥有绝对的话语权与市场机会。

2016年12月,福建金石能源建设6条100MW高效异质结电池生产线,其电池转换效率超过22%。2017年3月,汉能建设HJT光伏研发制造基地。据透露目前,汉能HJT电池研发效率达23%。2017年12月,协鑫集中央研究院与中智(泰兴)、德国冯阿登纳签订三方合资合作框架协议,以联手助推HJT产业化。

目前国内外HJT电池产业现状如下表所示,近两年,特别是近期,国内HIT产能迅速扩张:

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表3 国内HJT电池产能汇总

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表4 国外HJT电池产能汇总

总结

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。


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