2020年中國光伏技術發展報告
—— 晶體硅太陽電池研究進展（5）

中國可再生能源學會光伏專業委員會

(中國可再生能源學會，北京 100190)

2018年中國企業使用5BB 技術制備的HJT電池的產線平均效率可以達到23%左右；2019年HJT電池的產線平均效率可以達到23.5%～24.0%。但是MBB產線技術還需要設備、材料及組件等產業鏈各個環節進行全面的配合才能成熟，下文將對這些要點進行重點描述。

國內有2家企業使用了鍍銅工藝，其中福建鈞石公司采用MBB鍍銅工藝的HJT電池的產線平均效率可以達到23.5%～24.0%，其最高效率為24.68%。福建鈞石公司還收購了日本松下公司有關HJT電池的業務；國電投收購了美國Solar City公司的80 MW的HJT電池產線，該產線采用鍍銅工藝。

4.2 HJT電池技術

圖31為HJT電池的工藝流程。將其與前文所述的PERC電池或TopCon電池的工藝流程進行對比可以發現，HJT電池的工藝流程很簡潔。HJT電池的2個關鍵工藝都有2種技術路線：1)對于非晶硅鍍膜技術有PECVD和熱絲化學反應氣相沉積(CAT-CVD)這2項技術；對于透明導電膜TCO的鍍制也有磁控濺射(PVD)和反應等離子體沉積(RPD)這2項技術。

雖然HJT電池的工藝較少，但其工藝難度較大，電池效率也較高。HJT電池要求的表面鈍化水平越高，工藝控制的嚴格程度就越高。此外，HJT電池技術脫離了傳統的同質結電池的擴散工藝，而是采用薄膜電池中常用的鍍膜技術在晶體硅片表面制備p-n結。

圖31 典型HJT 電池的制備工藝流程Fig. 31 Preparation process flow of typical HJT solar cell

4.2.1 硅片制絨技術

圖32 PERC電池與HJT電池清洗工藝的差別Fig. 32 Difference between PERC solar cell and HJT solar cell cleaning process

清洗環節是確保電池質量非常關鍵的一個環節，其工藝流程圖如圖32所示。涉及到的工藝流程主要包括：1)表面去損傷層：NH4OH+H2O2+H2O (REC:SC1)；2)表面拋光處理：KOH+H2O；3)制絨制備金字塔：KOH+H2O+添加劑( 制絨)；4)后清洗：NH4OH+H2O2+H2O(REC:SC1)；5)表面光滑處理：HNO3+HF+H2O；6)表面清洗：HCl+H2O2+H2O(REC:SC2)；7)隔離清洗：DI水。

單晶硅片在使用金剛線切割后，表面十分光滑，損傷層也很薄，因此一般采用帶添加劑的KOH溶液直接制絨即可，但在此之前要進行預清洗。一般可以采用REC公司開發的清洗工藝中的SC1試劑(NH4OH+H2O2)去除硅片表面的各種雜質；之后采用帶有添加劑的KOH溶液對硅片表面進行制絨。研究結果顯示，大的金字塔結構對于陷光具有良好的效果，金字塔表面的光滑程度會直接影響其鈍化特性，而這兩者直接決定了太陽電池的光電轉換效率。當前國內傳統的制絨添加劑主要是制備小金字塔(如蘇州實創公司和浙江小辰公司的產品)；而目前日本公司開發的制絨工藝是采用日本林純藥工業株式會社開發的T系列添加劑，該工藝需要硅片表面無損傷點、表面光滑，因此需對硅片表面進行化學拋光處理，拋光后再腐蝕出尺寸為10 μm的大金字塔，此種操作使硅片減薄嚴重，厚度為180 μm的硅片在制絨清洗之后厚度僅為140～150 μm，加大了光吸收難度。

2019年國內一些企業在生產實踐中發現，對于產業化來說，中小尺寸的金字塔雖然在吸光性方面稍差，但其在鈍化效果方面卻較好，可能會提高太陽電池的Voc或FF，因此需要在吸光性與鈍化效果之間找到一種平衡。在制備出金字塔后還需要使用HNO3和HF溶液體系對金字塔表面進行光滑處理。

國內清洗設備的供應商主要是捷佳偉創公司。國外清洗設備的供應商主要有：

1)德國Singulus公司。該公司為我國國內幾個廠家提供清洗設備，比如泰興中智公司160 MW的HJT電池生產線。

該公司的清洗設備采用O3清洗代替氨水和HCl清洗硅片表面，如圖33所示，避免了氨氮的排放，同時也降低了成本。此外，該設備還可以精確控制制絨槽中的溶劑濃度和配比的變化，及時補充藥液，確保腐蝕效果的一致性。德國Singulus公司測算使用O3清洗的成本比使用傳統REC清洗工藝的成本可下降約50%。

圖33 Singulus 公司使用O3清洗工藝代替氨水和 HCl的清洗工藝Fig. 33 Singulus uses O3 cleaning process instead of ammonia and HCl cleaning process

2)日本YAC公司。該公司為三洋公司的HIT電池生產線供應清洗設備。目前我國國內的晉能公司和漢能公司的HJT電池產線采用的也是該公司的設備。

3)德國RENA公司、RET 公司的批次清洗設備。

雖然目前幾家供應清洗設備的公司都可以提供采用O3清洗工藝的設備，但由于傳統REC清洗技術的工藝穩定性較好，一些企業仍選擇采用傳統REC清洗技術。

4.2.2 非晶硅鍍膜設備

目前非晶硅鍍膜設備主要采用PECVD鍍膜和CAT-CVD鍍膜這2種鍍膜技術。PECVD鍍膜又可分為射頻PECVD(13.56 MHz)和甚高頻鍍膜(27.12 MHz、40 MHz)。

在硅片正、背面均要鍍約5 nm本征非晶硅層作為鈍化膜。在硅片正表面本征非晶硅層外側還要鍍約10 nm厚的硼摻雜p型非晶硅層，該層作為發射極需要有足夠的場強，但該層過厚又會造成強烈的光吸收，影響短波響應；而在硅片背表面本征非晶硅層外側則要鍍制約10 nm厚的磷摻雜n型非晶硅層。

目前HJT電池的PECVD沉積設備為線列式，這與傳統非晶硅薄膜電池中鍍膜設備多采用團簇并列式設備有所不同，由于異質結電池每層鍍膜的厚度很薄，只有2～10 nm，因此鍍膜時間很短，若為團簇并列式，就會過于頻繁地進出片子，影響節拍和機械手的使用壽命。

分解硅烷的方法主要有PECVD法、CATCVD及低壓熱解CVD(LPCVD)法3種，這3種方法中使用不同的能量和溫度，如圖34所示。

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

LPCVD法使用較高的襯底溫度，但是不使用等離子增加能量；而PECVD法使用較低的襯底溫度，但是需借助等離子體增加分解能量；而CAT-CVD法使用高溫熱絲催化分解硅烷，襯底溫度較低，同時又不使用等離子體。CAT-CVD法有其優點，比如不需要頻繁清洗腔室內壁、襯底轟擊弱、薄膜質量高等；但也存在缺點，比如需要頻繁更換熱絲、均勻性較差、設備能耗較高等，尤其是目前熱絲材料及模塊全部需從日本進口，成本較高。

下面介紹幾家非晶硅鍍膜設備的供應商：

1)日本真空(Ulvac)公司。該公司既推出了PECVD鍍膜設備，也推出了CAT-CVD設備，其CAT-CVD設備的結構圖如圖35所示。早年該公司為日本三洋公司的HIT生產線供應PECVD設備，但HIT電池的產業化效率始終無法突破，后來其又為三洋公司提供CAT-CVD設備，三洋公司HIT電池的平均產線效率達到23%時使用的就是此種CAT-CVD設備。目前只有日本Ulvac公司可以生產量產型的CAT-CVD設備，由于熱絲在加熱過程中容易出現變形，因此采用垂直沉積的形式。在CAT-CVD設備的內部，1個熱絲模塊的兩側可以放置2片襯底載具，因此提高了沉積效率。該沉積設備分成2列線性排列，其中一列鍍i/n層，另一列鍍i/p層。

圖35 日本Ulvac公司的CAT-CVD設備結構圖Fig. 35 CAT-CVD equipment structure of Ulvac in Japan

表17 日本Ulvac公司的CAT-CVD設備的工藝參數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設備的工藝參數，目前單套CAT-CVD設備的產能可達80 MW。我國國內的泰興中智公司的200 MW產線和中微公司的100 MW產線均采用這種設備。國內廠商的實踐經驗認為，這種設備制備的非晶硅薄膜質量較高，其不會出現像PECVD設備起輝時常會出現的電場不穩定從而導致薄膜的結構不佳、缺陷較多，以致于影響了硅片表面鈍化效果的情況。此外，由于熱絲溫度高達1800 ℃以上，因此催化分解硅烷較為充分，成膜質量較高。但CAT-CVD設備的可調節參數不多，因此一旦定型就不易于進一步改進。目前該設備還存在2個問題：①熱絲更換較為頻繁，導致成本較高；②硅片自動化上、下片及翻片過于復雜，導致成品率下降。

2)Meyer Burger 的Roth&Rau 公司。該公司產品為鏈式PECVD 設備(HELiAPECVD)和PVD 設備(HELiAPVD)，并且致力于推廣交鑰匙工程，提供全套生產線。日本長洲產業公司購買了該公司的PECVD 設備。2019年Meyer Burger公司為新加坡REC公司交付了600 MW的HJT電池全套交鑰匙生產線，目前其HJT電池的產線效率達到23.7%，也說明了這種PECVD設備的鍍膜水平較高，如圖36所示[25]。該設備具有如下特點：采用了特殊的S-Cub?等離子反應器，是一種盒中盒布局，實現了極低污染的均勻沉積；離子源為RF13.56 MHz的沉積頻率；穩定而均勻的沉積過程，防止交叉污染；硅片翻片在惰性氣氛中進行；配備沉積腔室的在線清洗功能；節拍為2400片/h。

圖36 Meryer Burger 公司的HJT 電池產線的PECVD 設備——HELiAPECVDFig. 36 Meryer Burger's HJT solar cell production line PECVD equipment——HELiAPECVD

3) 美國應用材料(AM)公司。該公司的團簇式PECVD以往供應非晶硅薄膜太陽電池產線，但目前也在向HJT電池產線方向轉移。國內的杭州賽昂公司使用的就是該公司提供的PECVD設備，晉能公司在其100 MW生產線上有50 MW產線采用的也是該公司的PECVD設備，愛康公司新建的200 MW HJT電池產線使用了美國AM公司的團簇式PECVD設備，國電投從美國Solar City購置的80 MW的HJT電池產線也是采用的這種團簇式設備。此外，之前美國AM公司的一些設備是供應給非晶硅薄膜電池產線，但現在改造后是供應給HJT電池產線使用，類似的案例還有俄羅斯電池生產商Hevel公司和意大利電池生產商3Sun公司(ENEL Green Power公司的子公司)。山西晉能公司利用這種PECVD設備制備的HJT 電池的產線效率平均值已接近24%，也說明了這種設備擁有的技術潛能。該種團簇式PECVD設備如圖37所示[26]。

圖37 晉能公司HJT電池產線上使用的美國AM公司 生產的團簇式PECVD設備Fig. 37 Cluster PECVD equipment produced by AM Company in USA used on Jinneng’s HJT solar cell production line

美國AM公司的PECVD設備源于其制備液晶顯示器的平臺，目前該設備已經發展到8.5代，鍍膜面積達到5.3 m2。

美國AM公司的PECVD設備的鍍膜質量很高，但其當前的主要目標是將原來非晶硅產線中的PECVD設備改造成適合鍍制HJT電池的設備，因此目前一些產線設備需要根據HJT電池的特性進行有針對性的工藝優化。設備優化時所面臨的問題主要包括：①HJT電池的非晶硅膜層較薄，因此要頻繁進出腔室，這對于團簇式PECVD機械手的速度提出了更高的要求；②HJT電池為雙面鍍膜，而傳統非晶硅電池為單面鍍膜，這就要求團簇式設備重新設計翻片機構；③HJT電池要求貼近晶體硅表面的一層非晶硅層的質量較高，盡量減小孵化層的厚度，因此要求等離子體起輝階段快速匹配，縮短起輝時不穩定輝光的時間，這對于等離子電源提出了更高的要求；④HJT電池產線需要大產能連續生產，這就要求設備維護時間盡量短。目前美國AM公司的5.5代設備為改造后的PECVD設備，主要用于HJT電池產線，射頻頻率為13.56 MHz。

目前美國AM公司還未發布專門針對HJT電池的PECVD設備，但是已經有多家企業購置了該公司改造后的PECVD設備。

4) 國內的理想萬里暉公司。該公司是國內最早開發用于HJT 電池生產的PECVD設備的廠家，其設備如圖38所示[27]。該公司開發的多層盒中盒腔體的PECVD設備獨具特色，目前已經開發出1個大腔室內有1個和2個小腔室的設備，產能增加了1倍，而且在后續的開發中可以在1個大腔室內放置最多10個小腔室，使產能大幅提升，如圖39所示[27]。與傳統的單層反應腔室相比，這種套盒結構的優點為：反應腔形變小；反應腔上、下極板同時加熱，不易產生熱飄移，不易產生顆粒； 清理徹底，無需開腔維護；氣體耗量小，為傳統單層腔室的1/8。

圖38 理想萬里暉公司的用于HJT電池生產的PECVD設備Fig. 38 Ideal Wanlihui company’s PECVD equipment for HJT solar cell production

圖39 理想萬里暉公司的盒中盒結構沉積腔室Fig. 39 Box-in-box structure deposition chamber of Ideal Wanlihui company

除了盒中盒的新型設計之外，理想萬里暉公司的另一項創新設計是采用變頻掃描匹配功率，固定電感和電容使功率匹配的速度加快。這種匹配方式使等離子起輝后0.3 s就建立起穩定的等離子體功率，而常規電源則需要3 s以上的時間才能夠穩定下來。而這一優勢對制備HJT電池尤為重要，由于HJT電池雙面的本征層只有2～5 nm，若等離子體功率不穩定的時間較長，鍍膜剛開始時的數層薄膜的結構會較差，導致鈍化效果也較差。而理想萬里暉公司的PECVD設備可連續鍍膜，就不存在這樣的問題。

理想萬里暉公司的PECVD設備參數如表18所示[27]，該公司的單套盒PECVD設備的產能為1600片/h，年產能可以達到50 MW；該公司已于2019年開發出了大腔室中放置2個小片盒的設備，節拍為3000片/h，產能可達到100 MW。2019年該公司已經向中微公司銷售了其雙套盒的PECVD設備。

表18 理想萬里暉公司的單層套裝腔室 PECVD設備參數Table 18 Parameters of PECVD equipment in single-layer packaged chamber of Ideal Wanlihui company

理想萬里暉公司在2018年為漢能公司提供了1臺生產型的PECVD設備，漢能公司創造的電池25.11%的世界最高轉換效率就是在這臺設備上實現的。2019年其中標的中微公司的100 MW電池產線采用的PECVD設備，經過調試，最高的產線單片效率可達到24.5%，產線批次效率平均值已經達到24%。

5)福建鈞石公司。該公司自行開發了HJT電池生產中的2個主要設備：PECVD設備和鍍TCO膜的PVD設備。鈞石公司很少公開發布其自行設計的PECVD設備，該設備是基于傳統線列式PECVD設備，使用13.56 MHz的射頻電源，如圖40所示[28]。但該公司在載板設計方面有獨到之處，在1個無邊框的大載板上放置若干小托盤，每個小托盤上放置4片硅片，每個載板放置的硅片數目為12×12，這樣可避免由于熱應力而產生的載板形變，同時便于翻片；該設備的沉積節拍為3500片/h。鈞石公司在其與合作者共建的HJT電池產線上建立了600 MW的PECVD沉積設備，該產線全部為鍍銅電極工藝，產線上得到最高效率為24.68%，但未經國際檢測機構的認證，自測產線平均效率可達到24%。

圖40 鈞石公司的PECVD設備Fig. 40 PECVD equipment of Junshi company

6) 瑞士INDEOtec公司。該公司開發了一種新型的PECVD Mirror技術，該技術可以在沉積的雙面電池需要翻片時不破壞真空。該公司基于專有的集成射頻電極(IRTF)等離子技術，推出了第3個電極，用于增強等離子體轉向；載體頂部和底部的等離子體布置使載體底部的沉積成為可能。這種設計有利于硅片的頂部和底部沉積非晶硅薄膜時不從真空中拉出。瑞士INDEOtec公司還開發了一種抗交叉污染處理(ACCT)的特殊技術，將IRTF和ACCT技術相結合，可以在一個腔室里沉積本征層和雙面的n型和p型摻雜層，而無需破壞真空。

瑞士INDEOtec公司已經能夠在6英寸CZ硅片上沉積良好的鈍化非晶硅膜，且少子壽命可達到5 ms。但是該公司的技術在制備電池方面還不夠成熟，使用Mirror技術制備的無主柵HJT電池的轉換效率為23.04%，而使用常規PECVD技術制備的同樣的太陽電池的轉換效率為23.14%。

該公司研發的Octopus II系統應用于團簇式PECVD設備，既可用于PECVD沉積，也可以用于PVD沉積TCO膜，在CSEM研究中心獲得了轉換效率為24.1%的HJT電池。瑞士INDEOtec公司正在開發可用于產業化的Octopus III系統，可以支持3000片/h的量產。采用該系統的PECVD設備使用團簇式結構，如圖41所示。

圖41 INDEOtec公司的PECVD 中試設備Fig. 41 INDEOtec compang’s PECVD pilot plant

上述PECVD設備的優勢是：在1個六邊形的并列團簇型腔室中，一側進片，對側出片，4個沉積腔分別位于兩側，沉積頂面和底面不用進行翻片處理。每個載板可裝36片硅片；加熱腔可同時放置6個載板，其中3個載板進行沉積，另外3個載板處于等待狀態，這樣可以節省時間。INDEOtec公司表示，該系統的沉積成本將遠低于2美分/W。 (待續)