光伏行业深度研究之异质结电池专题报告

2.3.2 钙钛矿/HIT 叠层电池：提升晶硅太阳能电池转换效率极限

晶硅太阳能电池实验室效率已接近极限，钙钛矿/晶硅叠层电池有望成为未来研发方向。光伏市场的 90%由晶硅太阳能电池所占据，目前实验室报道的晶硅电池效率最高已达到26.63%，在逐渐逼近其效率极限 29.3%。为使其超过这个极限，叠层电池是一种很好的策略，通常叠层器件分为两层，上层为宽带隙的材料，下层是窄带隙的材料。硅电池的带隙是 1.12eV，接近下层电池的最优带隙，因此需要匹配一个上层电池材料，其上层电池材料最优的带隙大约在 1.65-1.7eV 左右。考虑到光学损失及光致次带隙等各种因素，钙钛矿材料是优选的材料。

钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的工作原理是利用不同的带隙吸收不同的太阳光光谱，提高电池的转化效率。钙钛矿电池禁带宽度的调整范围为 1.5eV 左右至 1.7eV 以上，当钙钛矿的禁带宽度为 1.55eV 时，它可以吸收波长小于 800nm 的光子，而带隙为 1.12eV 的硅电池可吸收波长小于 1100nm 的光子。将钙钛矿电池与硅电池按能隙从大到小的顺序从外向里叠合起来，让短波长的光被最外侧的宽带隙钙钛矿太阳能电池吸收，波长较长的光能够透射进去让窄带隙的硅太阳能电池吸收，这就有可能最大限度地将光能变成电能，大大地提高了太阳光谱的利用率、电池的性能和稳定性。

TOPCon、IBC 电池正面采用 SiNx 钝化膜难以实现隧穿，HIT 电池是底电池的更优选择。理论上底电池可以采用 P 型电池或 N 型电池，但都需要在顶电池形成隧穿结以及一层（导电）光学层。底电池正面无需镀减反射膜，也无需金属化。由于底电池不导电，因此不适合采用标准 SiNx 正面钝化工艺，可以选择晶硅/氧化铟锡异质结技术，或选择带 ITO覆盖层的多晶硅钝化接触作为光学元件。

2017 年斯坦福大学研发出转换效率达到 23.6%的钙钛矿-HIT 双极太阳能电池。其中顶电池采用 CsFA 钙钛矿电池，具有 14.5%左右的转换效率；底电池搭配特制的 HIT 电池，为了适应层叠电池的需要进行了改造，光照面（和钙钛矿电池接触面）没有制绒，背面采用了制绒工艺并配合了局域金属接触实现最大吸光，具有 10%左右的转换效率。虽然钙钛矿电池和 HIT 电池为了配合层叠结构本身都做出了效率牺牲，但最后实现了 23.6%的超高效率。

牛津光伏制备出转换效率达到 28%的钙钛矿-硅串联太阳能电池，联手梅耶博格促进钙钛矿-HIT 叠层电池的规模化生产。2018 年 6 月，牛津光伏公司成功开发出效率高达 27.3%的钙钛矿/硅基双结叠层电池。2018 年底，牛津光伏公司的 1cm2 钙钛矿-硅串联太阳能电池达到 28%的转换效率。根据公司技术路线图，将来效率有望超过 30%。2019 年 3 月，梅耶博格与牛津光伏建立了战略性合作伙伴关系并签署了独家合作协议，将梅耶博格领先的 HIT 及智能网栅连接技术（SWCT)与牛津光伏的钙钛矿太阳能电池技术相结合，合作促进钙钛矿-HIT 叠层电池的规模化生产。梅耶博格将向牛津光伏出售一条 200MW 的异质结生产线用于钙钛矿电池的试生产，此生产线将于 2020 年底在牛津光伏工厂中试运行，试生产线转换效率的初始目标为 27%。

3. 工艺流程大幅简化，设备国产化速度加快

3.1 HIT 制备工艺仅需四步，非晶硅/TCO 薄膜沉积设备壁垒较高

HIT 的工艺流程主要包括清洗制绒→电池正反面沉积本征非晶硅薄膜和掺杂非晶硅薄膜→电池正反面沉积 TCO 薄膜→印刷烘干。

制绒清洗环节：常用工艺为 RCA 清洗或臭氧（O3）清洗。本环节的目的是去除机械损伤层、降低表面反射率、提高表面清洁度。

非晶硅薄膜沉积：常用的工艺包括等离子体增强化学的气相沉积法（PECVD）与热丝化学气象沉积（HWCVD），其中本征非晶硅薄膜是 HIT 电池表面的钝化层，沉积后需要掺杂膜层来形成发射极和背表面场。

TCO 薄膜沉积：常用的工艺是磁控溅射（PVD）和反应等离子体沉积（RPD），沉积非晶硅薄膜后，通过 TCO 薄膜可以实现导电、减反射、保护非晶硅薄膜的作用。

电极金属化：通过丝网印刷在电池正背面印刷银浆制备电极，或通过无主栅/铜金属化技术实现电极金属化。

与 P-PERC、TOPCon 相比，HIT 生产工艺大大简化，因此具备较大的产业化潜力。P-PERC 工艺需要 8-10 道工序步骤，工艺难点在于氧化铝钝化、激光开孔问题，国内代表企业有乐叶、晶科能源、阿特斯、晶澳科技；N-TOPCON 工艺共有 11-12 道工序步骤，工艺难点在于硼扩散，多晶硅生产、掺杂，绕镀，国内代表企业有天合光能、中来股份、林洋能源、晶科能源；HIT 工艺只需 4 道工序步骤，工艺难点在于高效清洗和非晶硅制备，国内代表企业有汉能、晋能、中智、钧石能源、通威股份，其中在量产的有晋能、钧石能源。从理论上讲，HIT 工艺步骤少，可以极大的降低电池的不良率，以及人工、运维等其他生产成本。

HIT 电池产线所需设备包括制绒清洗设备→PECVD/HWCVD 设备沉积非晶硅薄膜→RPD/CVD 设备沉积 TCO 薄膜→丝网印刷设备→自动分选机。

非晶硅薄膜沉积设备和 TCO 薄膜沉积设备主要依赖进口，清洗制绒设备、电极金属化设备等环节国产厂商开始进入。清洗制绒设备目前以 YAC/Singulus 等国外设备为主，捷佳伟创已成功实现清洗制绒设备国产化。非晶硅薄膜沉积环节所需的 PECVD/HWCVD 设备技术壁垒较高，目前以 Ulvac/MB/AMAT/Jusung 等国外设备为主。TCO 薄膜沉积环节的 RPD/CVD 设备目前同样以国外设备为主，主要供货商包括 Sumitomo/MB/VonArdenne/AMAT/Jusung/精曜等。电极金属化环节迈为股份等国产设备厂商已有量产化应用，不过仍以海外设备为主。

HIT 电池产线设备投资额中非晶硅薄膜制备和 TCO 沉积设备成本占比接近 70%。以东方日升 2019 年发布的 2.5GW HIT 电池项目设备投资为例，HIT 电池产线设备投资额为10 亿元/GW，其中清洗制绒设备占比 8%，非晶硅薄膜沉积设备（采用 PECVD）占比 40%，正面和背面 TCO 沉积设备（采用 RPD）占比 28%，丝网印刷等后段设备合计占比 26%。

3.2 制绒、清洗：RCA/O3，YAC 为主要设备供应商

制绒清洗是 HIT 电池制作的首道工序。制绒清洗主要是利用强腐蚀性的化学制剂对硅片进行清洗和表面结构化，从而在表面制得金字塔状的突起。HIT 电池清洗制绒具体流程包括：预清洗→抛光→制绒→进行若干表面清洁步骤去除有机物和金属杂质（SC1、CP、SC2、DHF）。制绒清洗工艺的主要目的为：（1）降低硅片表面反射率，利用 KOH 腐蚀液对 N 型硅片进行各向异性腐蚀，即在硅片表面形成绒面，可将硅片表面反射率降低至 12.5%以下，从而产生更多的光生载流子；（2）形成洁净硅片表面，由于 HIT 电池中硅片衬底表面直接为异质结界面的一部分，故需形成洁净硅片表面，从而避免不洁净引进的缺陷和杂质而带来的结界面处载流子的复合。

制绒清洗环节存在 RCA 与 O3两种技术路线，目前业界多采用二者结合以平衡成本和制备效果。RCA 清洗通常使用碱性腐蚀液对硅片进行各向异性腐蚀，RCA 清洗获得的界面金属杂质较低，但是氨水会导致表面较为粗糙。由于 RCA 清洗化学品耗量较大且废液处理成本较高，目前行业内开始使用臭氧超纯水清洗代替 RCA 完成硅片制绒后清洗工作。臭氧的氧化还原势高于 H2O2，可有效去除金属、颗粒和有机物，而且不会增加硅片表面微粗糙度。臭氧清洗在满足工艺需求的同时，可降低化学品耗量及动力运行成本量，避免含氮废水的排放，更有发展前景。

YAC 为制绒清洗环节主要设备供应商，国内厂商积极进入实现国产化。目前 HIT 产线的清洗制绒设备以进口为主，主要国外设备厂商包括日本 YAC、德国 Singulus、德国 Rena等，其中 YAC 在 HIT 清洗制绒设备市场具有绝对竞争力。YAC 制绒清洗设备的主要优势包括：（1）YAC 的制绒清洗设备可以在较宽的 Si 浓度下(0%-4%)进行稳定的制绒(2-10μm)；（2）高纯度的化学试剂也帮助 YAC 制作出质量更高的绒面。国内设备厂商方面，捷佳伟创 HIT 制绒清洗设备研发已基本完成，进入工艺验证阶段。捷佳伟创的制绒清洗设备产能达到 6000 片/小时，破片率≤0.05%，参数已接近国外厂商。

3.3 非晶硅膜沉积：PECVD/HWCVD，HIT 电池制备的核心环节

非晶硅薄膜沉积是 HIT 电池制备的核心工艺。该工艺主要是指利用 CVD 的方式来镀本征非晶硅层、P 型非晶硅层、N 型非晶硅层。因为 P-N 异质结是在 N 型晶硅衬底表面形成，并且沉积层决定钝化的效果，因此这一步骤是决定 HIT 电池性能的关键。现行的异质结非晶硅薄膜沉积主要有两种工艺方法：等离子体增强化学的气相沉积法（PECVD）与热丝化学气象沉积（HWCVD）。

PECVD 是目前非晶硅薄膜沉积环节主流技术，工艺成熟度较高。PECVD 是指利用辉光放电的物理作用来激活化学气相沉积反应的 CVD 技术。PECVD 产生等离子体的过程为反应提供所需的大量能量，从而显著降低沉积反应温度，使得 CVD 过程得以低温下实现，降低了能源消耗，有利于生产成本降低。薄膜光敏性高、隙态密度低、且没有尺寸限制是PECVD 方法制备 a-Si:H 薄膜的三个重要优点。加之 PECVD 的低温工艺使得对制备薄膜时衬底要求不高，大大扩大了该方法的使用范围。

日本松下采用 HWCVD 法沉积非晶硅薄膜。HWCVD 以加热的方式赋予原料气体以能量使其发生各种化学反应，在基片上析出非挥发性的反应产物发生相变来制备薄膜。与PECVD 相比，HWCVD 的沉积不需要等离子体，是依靠分解硅烷来实现的。而且从热丝发射的电子能量很低，不存在 PECVD 中离子轰击，对沉积薄膜表面作用较小，有利于优质非晶硅薄膜的高速生长。松下采用 HWCVD 工艺沉积本征非晶硅与掺杂非晶硅，此类工艺优点是对界面轰击较小，薄膜质量较好，对硅片钝化较好，但是均匀性较差并且维护成本较高。

非晶硅薄膜沉积设备技术壁垒高，以进口为主、造价相对较高。HIT 非晶硅沉积 PECVD设备与常规产线 PECVD 镀膜设备结构完全不同，目前应用材料、梅耶博格、日本真空和理想能源等可以提供沉积环节核心设备 PECVD，但造价仍相对较高。目前采用 HWCVD 技术的设备厂商主要是日本真空。国内厂商方面，钧石能源凭借自身建立 600MW 产能的技术积累，开始为 HIT 电池厂商提供包括 PECVD 在内的关键沉积设备，理想能源、捷佳伟创、金辰股份、迈为股份等均在积极进行 PECVD 设备研发。