2020 年中國光伏技術發展報告
——晶體硅太陽電池研究進展(6)

(中國可再生能源學會，北京 100190)

7) 其他正在開發PECVD 設備的公司。目前至少有3 家公司正在開發PECVD 設備產品，分別是北京捷造公司、捷佳偉創公司和邁為公司。

北京捷造公司已經開發出1 臺可用于產業化的鏈式PECVD 設備，并提供給漢能公司進行試驗，且得到了不錯的反饋。

捷佳偉創公司致力于打造制備HJT 電池時各個環節所需設備，并試圖進行交鑰匙解決方案。目前該公司已經擁有較為成熟的清洗設備、RPD設備(捷佳偉創公司掌握了日本住友公司關于該設備在中國的開發與銷售權)、絲印設備，只缺少PECVD 設備。該公司預計于2020 年推出自己的用于HJT 電池制備的PECVD 設備。

邁為公司目前正在開發一種動態PECVD 設備。該設備創新性的概念是讓載有硅片的載板在等離子輝光放電的過程中運動地通過等離子區域。這一概念的好處是：①避免了由于等離子起輝過程中初始狀態不穩定導致的硅片表面非晶硅孵化層缺陷較多的問題；②沿硅片行進方向的鍍膜均勻性較好；③沉積速率較快。

但是這種動態沉積方式也存在一些問題，具體為：①襯底運動會擾動等離子體的穩定性；②等離子體粉末沉積到導輪上，會使下電極出現絕緣現象，從而影響等離子體；③沉積工藝條件難以改動。由于沉積時間與襯底運動速率有關，因此當調整硅烷濃度、等離子強度、沉積時間等參數時勢必影響沉積速率，而這樣就需要改變一個腔室內部的載板運動速率，但改變一個腔室內的載板運動速率勢必會影響到后續沉積工序的節拍。

邁為公司在2019 年為通威公司提供了1 套500 MW 的動態PECVD 設備，但后續尚需要考察這種設備的產業化適用性。

綜上所述，CVD 沉積設備可分成PECVD 和CAT-CVD 這2 種類型，二者目前誰更具有競爭優勢還有待產業的驗證。2 種HJT 電池鍍膜設備的成本對比如表19 所示。從設備運營費用和設備投資來看，CAT-CVD 設備均優于PECVD 設備。但CAT-CVD 設備也存在缺點：①由于CAT-CVD 設備被日本住友公司壟斷，未來的熱絲供應一直需要日本供貨，因此該設備未來的成本較高；②其鍍膜的均勻性不如PECVD 設備；③其耗電較高，由于熱絲的溫度需要達到1800 ℃左右，因此該設備較為耗電。

表19 2 種HJT 電池鍍膜設備的成本對比Table 19 Cost comparison of two kinds of HJT solar cell coating equipment

由于所有PECVD 設備的內部結構大同小異，目前PECVD 設備的技術區別主要為以下3 點：

①盒中盒結構。理想萬里暉公司與Meryer Burger 公司都采用這種結構，這種結構的優點如前文所述。

②使用調頻技術達到起輝階段的快速匹配，降低等離子失配時間。

芬頓氧化技術的影響因素主要為pH值、Fe2+、H2O2投加量及投加方式。普通的芬頓氧化技術中雙氧水加藥方式為單點投加，而這種加藥方式在雙氧水投加初期系統會產生大量羥基自由基，過多的羥基自由基不能完全與廢水中有機污染物發生反應，導致芬頓試劑產生的部分羥基自由基被無效消耗，最終導致雙氧水利用率下降以及降低預處理效果。本文主要研究多點投加芬頓氧化技術最佳反應條件和多點投加方式的優化(包括投加位點及投加量)。

③使用甚高頻(VHF)電源(40.68 MHz)，降低了自偏壓(-4 V)，比射頻電源(RF) 的自偏壓(-12～-14 V) 低，從而降低了硅襯底的損傷。由于VHF 的功率密度高，因此在與RF 獲得同樣的沉積速率時，可以降低沉積功率，從而進一步降低自偏壓。理想萬里暉公司的使用此技術的Oak-U-5 型鍍膜機產能達到了50～60 MW。

通過上述技術方面的改進，目前PECVD 設備或CAT-CVD 設備都已經可以沉積鈍化特性足夠好的非晶硅薄膜，使HJT 電池的光電轉換效率提升至24%以上。但光電轉換效率的進一步提升還需要在后續其他工藝匹配之后再進行深入的研究和開發。

4.2.3 透明導電膜鍍膜技術

制備非晶硅薄膜的技術關鍵主要是鍍膜設備的技術改進，而制備透明導電膜的技術關鍵則涉及到鍍膜設備與薄膜材料2 個方面的技術改進。

透明導電膜鍍膜工藝是在前、后表面的非晶硅外層鍍制一層透明導電膜，可以采用2 種方法，一種是磁控濺射法，另一種是反應等離子沉積(Reaction Plasma Deposition，RPD)法。目前有2種鍍膜設備用于制備透明導電膜。

1)磁控濺射設備。這是最大眾化的制備透明導電膜的設備，該設備是使用輝光放電的等離子體，在磁場約束下轟擊ITO 靶，將SnO 和InO分子濺射到樣品上。由于襯底直接暴露在等離子體中，對硅片表面有一定的轟擊作用，對于常規的非晶硅薄膜太陽電池來說，非晶硅層的厚度約為幾百nm，因此磁控濺射的轟擊損害不明顯。但是對于HJT 電池來說，其非晶硅層厚度只有約10 nm，因此等離子轟擊往往會造成電池性能的下降或不穩定。磁控濺射設備的原理圖如圖42a 所示。在國際上比較知名的磁控濺射設備為德國馮?阿登納公司生產的鍍膜機。該公司專門為HJT 電池開發了PVD 設備XEA/nova 和XENIA 兩款鍍膜機；并且為最大限度地提高靶材的利用率，這2 款鍍膜機均使用了柱形靶。

PVD 設備是一種常規的鍍膜設備，在光伏領域外許多其他領域都有大量的應用，是一種非常成熟的設備。HJT 電池鍍膜的主要要求是雙面鍍膜、鍍膜速度盡量快、鍍膜均勻性高，多采用柱形靶材。這種設備的供應公司主要有德國馮?阿登納公司、Meyer Burger 公司、Singulus 公司、鈞石能源公司、Ulvac 公司。

德國馮?阿登納公司總部位于德國，在TCO鍍膜方面有15 年的歷史。該公司的SCALA 設備是一款處于中試階段的設備。用于HJT 電池量產的設備采用XEA/nova 3.6 系統、XEA/nova 5.5 系統和XEA/nova L 系統。前2 種系統均帶有載板返回系統，可以在不破壞真空或不翻片的情況下進行雙面沉積，采用旋轉靶，腔室可以進行預處理，載板放置硅片數量為6×9 片，適用于M2～M4 的硅片，有3600 片/h 和5500 片/h 這2 種產能，分別對應100 MW 和200 MW 產線。而XEA/nova L 系統適用于M6 硅片，采用9×12的載板，產能可達8000 片/h，并且可以升級到10000 片/h 以上；這種機型的產能可以達到300 MW，甚至更高，且產品良率可達到99.9%。采用大產能的鍍膜機可以在設備成本增加量較少的前提下大幅提高產能，如此可有效降低太陽電池的單瓦成本。

Meyer Burger 公司開發的PVD 設備是HELiAPVD，該設備的產能是2400 片/h，采用柱形靶。

2)RPD 設備。日本住友公司為三洋公司的HIT 電池開發了一種RPD 設備，該設備的原理圖如圖42b 所示[29]。RPD 設備使用離子源經磁場偏轉后轟擊到靶材料上，將靶材原子轟擊出來沉積到樣品上；這種設備的襯底不暴露在等離子體中，因此對襯底表面轟擊不嚴重。RPD 設備鍍膜時的高能轟擊離子很少，這就減小了非晶硅表面的損傷，提高了少子壽命。

圖42 2 種沉積TCO 薄膜的技術原理圖Fig.42 Schematic diagram of two technologies for depositing TCO thin films

RPD 設備更像一種熱蒸發設備，因此制備出的ITO 膜具有更高的結晶度，可以在保持高透光性的同時具有更好的導電性。日本住友公司于2019 年將中國區域的RPD 設備制造和銷售權轉讓給捷佳偉創公司。

RPD 設備具有以下優點：①離子能量較低，而且襯底與等離子體分開，因此對硅片的轟擊損傷較??；②使用該種設備可以對IWO(氧化銦氧化鎢)鍍膜，這種材料不能壓制成用于PVD 法鍍膜的高密度陶瓷靶材，而RPD 法所用的特殊設計靶材不需要高密度制靶過程，其振實密度只有60%；③使用RPD 法鍍制的TCO 膜的結晶度好，光的透過率高，電導率也高。

晉能公司比較了分別采用PVD 設備和RPD設備這2 種鍍膜工藝制備的TCO 膜用于HJT 電池后的性能，發現使用RPD 法鍍制的TCO 膜制備的HJT 電池的光電轉換效率比采用PVD 法的要高0.3%～0.4%[26]。

但是RPD 設備在進行大規模量產時也遇到了一些問題，如：①由于從靶材濺射出的離子呈球形分布，因此為了均勻鍍膜，需要2 個以上的靶同時濺射，而且還需要在硅片與濺射源之間設置勻流板，如此就大幅限制了鍍膜的產能。目前大多數產線是將2 個濺射靶平行放置，但為了擴大產能，需要將更多的靶平行放置；②靶材利用率僅約為30%，成本較高；③根據目前的設計理念，這種方法只能從襯底下方鍍膜，因此為了雙面鍍膜還需要從真空環境中取出來翻片，這樣會影響產能。

為了克服這些缺點，捷佳偉創公司提出了一些新的改進方案，具體為：①使用3 個并行靶代替原來的2 個并行沉積源，以增大產能。②未來設計“RPD+PVD”的新型設備時，可在下表面采用RPD 鍍膜，而上表面在另外一個腔室里使用PVD 鍍膜，這樣就可以在不破壞真空環境的情況下完成雙面鍍膜。

采用3 個靶位的RPD 設備的產能是3000片/h。目前捷佳偉創公司正在開發具有4 個靶位的RPD 設備，并且結合PVD 法與RPD 法，在不破壞真空環境的條件下進行雙側鍍膜，可以將產能提高到5500 片/h，如圖43 所示[29]。

總之，目前鍍制TCO 膜的設備已經較為成熟，但針對HJT 電池專門開發的RPD 設備還需要進一步優化，這些設備的歸納總結如表20 所示。未來，這些技術或許可以更大幅度地增加產能，從而降低鍍膜成本。

圖43 捷佳偉創公司開發的更高產能的RPD 設備Fig.43 RPD equipment with higher capacity developed by Shenzhen S.C

制備TCO膜的另一項技術關鍵是薄膜材料。由于這種材料需要具備多種功能，因此比一般薄膜太陽電池中所用的TCO膜材料的要求高很多。這種薄膜材料的特性要求為：1)透明性要好；2)電導率要盡量高；3)要與其接觸的硅薄膜的功函數相匹配；4)在迎光面的TCO 膜需要載流子濃度低，以避免紅外吸收；5)靶材料成本要足夠低；6)鍍成的薄膜應較為穩定，不容易在氣氛中分解。

另外，由于在前表面的TCO 膜要兼具減反射膜的作用，因此其厚度是固定的，并在厚度固定的情況下要同時滿足上述所有要求。

表20 各種TCO 鍍膜設備性能的比較Table 20 Comparison of performance of various TCO coating equipment

此前在薄膜太陽電池應用方面已經對TCO膜的材料和特性進行了非常詳細的研究，而近年來由于HJT 電池的發展，對此類電池所用的TCO 膜的特殊要求使研究人員對TCO 膜又開展了更為具體的、有針對性的研究。2019 年研究人員的努力方向是如何進一步做好匹配以提高效率，以及如何進一步降低成本這2 個方面。但是同時滿足上述要求的材料很難找到。目前能夠投入大規模量產的透明導電膜的材料主要為以下2 種。

1) ITO(SnO:InO=95%:5%)。這種材料是目前導電性能和透光特性最好的透明導電膜材料。使用磁控濺射法與RPD 法均可以制備。

2) IWO(InO+WO)。該薄膜是由三洋公司開發的專門適用于HJT 電池的透明導電膜。這種薄膜具有匹配性更高的功函數，紅外吸光性較低，因此更適合于單晶硅材料對光的吸收波長范圍。IWO 材料無法軋制成高密度靶，目前其振實密度只有約60%，而對于這種低密度靶材，很難使用磁控濺射法沉積，只能采用RPD 法來沉積。因此，Ulvac 公司正在考慮使用磁控濺射ITiO(即摻Ti 的InO)來代替使用RPD 法沉積的IWO 材料。

(待續)