2020年中國光伏技術發展報告
—— 晶體硅太陽電池研究進展(7)

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)

2019年，HJT電池產業界出現了一種新型的TCO膜材料，稱為SCOT[30]，其成分比例為In2O3:ZrO2:TiO2:Ga2O3=98.5:0.5:0.5:0.5。這是一種可以制備成磁控濺射旋轉陶瓷靶的接近IWO的材料，由于其可以制備成高In含量的靶材，因此導電性較好，但針對這種靶材的一些細節并未報道太多。

2019年在TCO膜方面的一項重要改進工作是采用疊層TCO膜來提高效率或降低成本，這主要是因為前表面的TCO膜承擔了太多功能，且這些功能間存在一定的矛盾關系。比如，為了降低前表面TCO膜的紅外光吸收性，就需要降低其中的載流子濃度，而降低載流子濃度必然會降低前表面的電導性，二者之間存在矛盾關系。該矛盾關系的解決方法就是增加前表面TCO膜的載流子遷移率。傳統的ITO膜的電導率較好，但是其載流子濃度較高，導致其紅外光吸收性較嚴重，因此研究人員選用低載流子濃度但具有高遷移率的材料，如IWO、ICO、IOH。但是這些材料或多或少存在一些缺陷，比如IWO材料很難壓制成柱形陶瓷靶材、IOH的穩定性較差等；此外，這些靶材的成本也較高。

另外存在矛盾關系的是前表面TCO膜在承擔透光功能的同時必須承擔減反射的作用，對于減反射功能必須要求TCO膜的厚度約為80 nm，而透光性要求膜層最好較薄，因此若使用較薄的ITO膜，雖然其載流子濃度較高，但如果足夠薄，其對紅外光的吸收也就不那么嚴重了，且較薄的ITO膜對于短波吸收較少。因此，Meyer Burger公司提出了所謂HJT 2.0的概念，即在ITO膜之外再鍍一層SiNx膜，使SiNx/ITO膜共同承擔減反射的作用，而ITO膜只承擔導電作用。這一概念既可以提高效率，也可以降低成本，如圖44所示。成本的降低一方面是因為設備成本的下降，另一方面是因為節省了較為昂貴的ITO材料。

圖44 Meyer Burger公司提出的HJT 2.0概念Fig. 44 HJT 2.0 concept proposed by Meyer Burger company

2019年TCO膜的另一個進展是漢能公司在其創造世界紀錄的光電轉換效率達25.1%的HJT電池中使用了TCO疊層。漢能公司在該TCO疊層中采用了3層結構，包括緩沖層、種子層和導電層，如圖45所示[31]。雖然該公司在報告中并未給出這3層材料的具體細節，但其指出緩沖層的主要目的是減少a-Si(n)/TCO的接觸電阻，而種子層主要是為了改善TCO膜的結晶、電學和光學特性。

圖45 漢能公司的HJT電池中采用的TCO疊層結構Fig. 45 TCO stack structure used in HJT solar cell of Hanergy

降低電池成本的另一個努力方向是避免使用含銦的TCO層，其中一個候選材料就是摻鋁氧化鋅(AZO)。但AZO存在一定的缺點，比如導電率較差、穩定性不佳等，研究人員也在不斷探索適宜的條件。德國HZB研究所使用AZO膜取代ITO膜后制備的電池的光電轉換效率并不亞于使用ITO膜的HJT電池的光電轉換效率，如圖46所示[32]。

圖46 德國HZB研究所采用AZO膜替代ITO膜的實驗結果Fig. 46 Experimental results of German HZB Research Institute using AZO film instead of ITO film

此外，德國HZB研究所還研究了TCO膜的工藝過程對太陽電池光電轉換效率的影響，發現制備TCO膜和隨后電極燒結熱過程會破壞TCO/a-Si:H(p)的功函數匹配及a-Si:H(p)本身的特性，但對于TCO/a-Si:H(n)區域并無影響，因此并不是由于本征非晶硅鈍化特性的破壞所導致的衰變。

總而言之，鍍TCO膜雖然是一項較為成熟的技術，HJT電池制備時TCO膜的進一步優化，可以在提高電池光電轉換效率的同時降低電池成本，但要達到這一目的不僅需要不斷改進設備，還要從材料上進行持續改進。

4.2.4 電極制備技術

目前，電極技術已成為HJT電池產業化的最關鍵技術，電池光電轉換效率的提升及電池成本的下降均依賴于電極技術的改進。研究單位和企業正針對電極技術進行4個方面的改進：1)電極導電銀漿的進一步改進；2)主柵線技術的改進；3)銅包銀漿料的產業化實現；4)電鍍銅工藝的改進。

根據理論研究結果，當降低柵線寬度時必然導致柵線電阻的增加，因此為了在更細的柵線上得到較低的電阻，就必須縮短細柵線的長度，即采用多主柵技術。另一個降低柵線本身電阻的方式是采用無樹脂的鍍銅柵線，該方式也可以在寬度窄至20～30 nm的細柵線上得到低至1 Ω?cm的電阻率。

近兩年產業界圍繞著上述思路開展了HJT電池柵線電極技術的研究。

2019年，HJT電池的開發者發現主柵數量的變化可對HJT電池光電轉換效率產生影響的同時，還會對此類電池的成本產生較大的影響。雖然2019年各種太陽電池仍以5主柵(5BB)技術為主，但多主柵技術已經在大規模的開發中。圖47展示了幾種新型的主柵技術，包括7主柵(7BB)、12主柵(12BB)、無主柵(SWCT)和無柵線(IBC)。

圖47 幾種新型的主柵技術Fig. 47 Several new types of main grid technology

IBC電池的低成本技術路線仍不夠成熟，SWCT技術的專利為Meryer Burger公司(下文簡稱“MB公司”)所擁有，其中不僅涉及到絲網印刷技術，還涉及到光伏組件的焊接技術、漿料技術的開發。

我國國內多家生產線已經進行了HJT電池的MBB技術的開發研究，研究發現MBB技術對于HJT電池光電轉換效率的提升和電池成本的降低尤為重要。山西晉能公司通過在其HJT電池生產線上比較5BB技術與9BB技術的差別，發現采用9BB技術之后，電池的光電轉換效率提升了0.43%，并且由于Ag消耗量的減少，電池成本還下降了45%。

以M2硅片為例，HJT電池采用不同主柵技術時的成本情況如表21所示。

表21 HJT電池采用不同主柵技術時的成本情況Table 21 Cost of HJT solar cell when using different busbar technologies

由表21可知，目前在M2硅片上采用4BB技術的HJT 電池所用的銀漿量為350 mg/片，其電池產線平均光電轉換效率約為22.8%；采用5BB技術銀漿用量僅降至300 mg/片，但電池產線平均光電轉換效率卻可以提升至23.2%左右；而使用MBB技術(即9BB技術或12BB技術)可以將銀漿用量降至150～200 mg/片左右，電池產線平均光電轉換效率可以提升至23.8%左右；若使用0BB技術，銀漿用量則可以進一步降至120 mg/片，電池產線平均光電轉換效率可以達到24%。

上述結果已得到山西晉能、中微、新加坡REC等公司的證實。若簡單按照材料成本(不計入設備、運營等其他成本)測算，電池成本下降幅度較大。但按照實際情況進行測算則相對更為復雜，因為使用多主柵技術在光伏組件串焊方面會增加設備成本，還需要考慮串焊金屬絲、有機粘合劑(帶)等所增加的成本。

MB公司對其SWCT技術進行了經濟評價，結果顯示，采用SWCT技術除了可使漿料用量大規模下降之外，還可以降低電池正表面的遮光面積。

絲印電極可以使用常用的絲網印刷線，目前商用的絲網印刷線主要有邁為公司的絲網印刷線、捷佳偉創公司的絲網印刷線、美國應用材料公司的Baccini 設備、德國Aysis的絲網印刷線、日本Microtech公司的絲網印刷線及英國Dek公司的絲網印刷線。由于目前低溫銀漿的導電性并不是很好，因此柵線的線電阻較大，這就要求更大的高寬比，通常需要印刷2次。因此，絲網印刷線印刷時的柵線對準精度很重要。在對準精度方面，日本Microtech 公司的絲網印刷線較為優越。2019年，邁為公司成功將其絲網印刷線安裝到REC公司在新加坡的HJT電池產線上，該絲網印刷線不僅便宜，而且十分穩定；特別是其HJT電池低溫烘干技術，傳統烘干線的烘干時間約為30 min，而邁為公司開發的新型烘干線的烘干時間僅約為10 min，大幅縮短了HJT電池的工藝流程時間。

基于2018 年光伏產業界提出的光照增效的研究成果，在2019年，光伏產業界已經將光照退火設備加入到HJT電池產線上，成為標配設備。這種光照退火設備的供應商包括邁為、金晟陽光、科龍威、捷佳偉創等公司。

導電銀漿性能較好的是日本京都電子公司和Namics公司的低溫銀漿，該銀漿技術在2019年已經有所改進，在較短時間內存儲時已經可以不用在-20 ℃的溫度下保存了，但是長期存儲仍需要在此溫度下保存。

由于導電銀漿的成本在HJT電池中占有非常高的比率，因此產業界開始考慮使用電鍍銅工藝取代絲網印刷銀工藝。從材料成本方面來看，鍍銅工藝具有明顯優勢，但是目前成熟的鍍銅工藝較為復雜，具體工藝流程如圖48所示。

圖48 HJT 電池的電鍍銅工藝流程Fig. 48 Copper electroplating process flow of HJT solar cell

根據上述的電鍍銅工藝流程，為了電鍍銅，需要在準備TCO膜之后再鍍一層金屬(如Cu)種子層，再將感光膠膜貼敷其上，采用曝光、顯影處理，然后再使用電鍍工藝加厚種子層，之后再去掉掩膜及種子層；并且電池正反兩面均需要重復此項操作。目前國內鈞石公司制備采用這種銅電極的HJT電池，國電投的80 MW HJT電池產線也采用了此種技術。而且該技術除了工藝成本較高外，還需對電鍍廢液進行環保處理。此外，雖然銀柵線采用MBB、SWCT技術之后大幅降低了銀漿用量，但若采用鍍銅工藝，成本優勢就不突出了。

歐洲已有研究機構進行了簡化版電鍍銅工藝的開發。2019年在法國馬賽召開的第36屆歐洲光伏會議上，德國Fraunhofer研究所和多家歐洲企業及研究機構共同發表了一篇關于使用絲網印刷技術結合光誘導化學鍍方式制備HJT電池的論文。在HJT電池的TCO膜表面先使用絲印技術印刷一層柵線，然后50 ℃烘干后，在其上使用APCVD設備鍍制1層SiO2層，再在200 ℃的溫度下退火1 min，之后再進行光誘導化學鍍工藝，最后進行燒結烘干。由于這層SiO2層可作為減反射膜，因此在后續工藝中不用去除。該研究報告并未給出采用此工藝制備的電池的光電轉換效率結果，但可以預見，與傳統的電鍍工藝相比，采用此工藝的成本將會大幅降低。

由于幾年前采用光誘導化學鍍工藝制備常規太陽電池的選擇性發射極時已有相當深入的研究開發，因此這種技術的難度并不大，只是其規模化生產的適應性和成本是否能與絲網印刷公司相比仍需進一步研究。

研究人員一直在對銀包銅的殼核結構的漿料展開研究，最新的進展是將銀粉和銀包銅粉混合制備成漿料，但尚無較好的實用化成果。

4.2.5 測試與分選

n型HJT電池的少子壽命很長，因此其寄生電容很大，在脈沖光照射下，往往無法很快響應；而且在I-V測試時，電壓掃描速率和掃描方向會影響測試結果。由于電壓掃描須在一個光脈沖時間內完成，當使用較窄的疝燈閃光脈沖時，電壓掃描時間較快，因此從Isc掃向Voc時，會出現MPP偏低的現象；而從Voc掃向Isc時，會出現MPP偏高的現象，甚至會在該工作點處出現反常的尖峰；只有當閃光脈沖寬度大于400 ms時才會徹底消除這種現象，但是這樣寬脈沖的I-V測試儀很難制作。目前國際上有幾家I-V測試設備制造商提供了相應的解決方案：1) Ham公司提供的I-V測試儀采用多次閃光法技術；2)日本KOPEL公司提供的I-V測試儀采用匹配電路來消除MPP處的反常；3)國內陜西眾森公司提供的I-V測試儀采用LED模擬器，該模擬器可以做成穩態光源。

4.2.6 電池串焊

在太陽電池的封裝環節，需要將電池的主柵與焊帶進行焊接。若采用傳統的電烙鐵或光加熱焊接，會使局部溫度超過200 ℃，從而降低電池的特性。目前HJT電池的焊接有3種焊接技術可用于采用低溫漿料：

1)直接使用常規光焊接，但需要對焊接設備的溫度和時間，以及焊帶進行改造。

2)導電膠帶粘合。日本索尼公司開發了一款導電膠帶，該膠帶將電極主柵與焊帶粘接在一起并導電；該導電膠帶的電阻很小，黏附性也較好，是較好的選擇。

3)導電銀漿(ECA)，這種漿料使用絲印或噴涂的方式涂于電池主柵與焊帶之間，后續經過加熱壓合焊接。這種焊料的問題在于成本，但隨著HJT電池產能的擴大，這種焊料的價格會大幅下降。

目前大部分國內企業對PERC電池進行串焊時仍采用常規串焊機，但可對設備進行一定的改造，通過降低焊接溫度對HJT電池進行焊接。這種焊接不僅要對焊帶進行改變，還要對焊接設備進行改造，否則會對電池造成損害。德國Fraunhofer研究所研究了使用常規焊接技術對HJT電池進行焊接時造成的影響。樣品使用加熱板最高加熱到145 ℃，在襯底達到最高溫度時使用IR 光焊接，光焊的溫度在極短的時間結束，焊接后的各種測試結果顯示，在240 ℃、3 s的條件下，電池特性(EL、Rs、j0)均完好，但在310 ℃、3 s條件下，電池的電性能就出現了退化。按照240 ℃、3 s的條件焊接的焊帶拉力為0.9 N/mm，可以在實際中使用。

研究人員對ECA焊接的另一個擔心在于其可靠性和成本。Fraunhofer 研究所對ECA焊接的可靠性進行了研究，焊接之后的拉力實驗結果顯示，雖然其焊接拉力比PERC電池直接焊接的拉力要小一些，但是其最大值也接近1 N/mm[33]，可以進行大規模量產。研究人員還對使用ECA焊接的光伏組件進行了各種環境實驗，發現經過篩選的ECA 可以通過TC600和HD2000測試。

從成本方面來看，使用含銀導電膠帶或ECA的成本都要高一些，但是使用ECA之后對于焊帶低溫焊接特性的要求低很多。直接使用常規焊帶進行焊接時，必須降低焊接溫度、縮短焊接時間，這就要求在常規的銅或銅銀焊帶外面包覆低溫金屬(如Bi等)，如此也需要增加成本。此外，對于MBB技術，由于其焊點接觸面積很小，是否能夠使用常規焊接技術進行焊接并得到高的拉力和通過環境測試實驗，也需要進行大量的研究。(待續)