HJT太陽電池技術的發展現狀及未來展望

摘要：中國的硅基異質結（HJT）太陽電池技術在近5年有了快速發展，逐步進入產業化階段，但在其發展過程中遇到了一些技術瓶頸。對HJT太陽電池的結構及能帶結構進行簡述，從襯底和表面制絨技術、a-Si：H薄膜技術、TCO薄膜技術、金屬化電極技術等方面對HJT太陽電池關鍵技術的研究進展進行了分析，并從制造成本、TCO薄膜材料及疊層太陽電池技術等方面對HJT太陽電池未來的技術研究方向進行了展望。雖然HJT太陽電池具有工藝流程簡單、光電轉換效率高、功率衰減低、溫度系數低、工作溫度低等優勢；但其制造成本較高，導致其市場份額上升緩慢，而采用銅電極、無銦或低含銦量TCO薄膜技術是降低HJT太陽電池制造成本的有效方法，一旦突破成本瓶頸，HJT太陽電池未來的應用空間將更加廣闊。

關鍵詞：異質結太陽電池；光伏發電；光電轉換效率；非晶硅薄膜；透明導電氧化物

中圖分類號：TM914.4+1/TM615文獻標志碼：A

0引言

光伏產業經歷長期發展后，光伏發電技術呈現多樣化快速發展趨勢，其中，硅基異質結（HJT）太陽電池具備諸多性能優勢。經過長期研究與技術發展，此類太陽電池已取得長足進步。1972年，Jayadevaiah等1對非晶硅（a-Si）/晶體硅（c-Si）異質結太陽電池的I-V特性進行了研究。1974年，Fuhs等2首次研究了氫化非晶硅（a-Si：H）/c-Si能帶結構，測試了其在不同溫度條件下的電學特性，并試圖將其應用至太陽電池，但由于制備的太陽電池的反向電流未達到飽和值，因此未測試得到該太陽電池的光電轉換效率。1981年，Kuwano等3開發了通過不同腔室生長p型硼摻雜非晶硅層、i型本征非晶硅層及n型磷摻雜非晶硅層的鈍化結構，并成功制備了應用此鈍化結構的HJT太陽電池，推動了HJT太陽電池向工業化生產的邁進。1986年，Nakano等4將p型碳化硅與a-Si：H結合，制備了超晶格HJT太陽電池結構，此類太陽電池的光電轉換效率達10.5%，刷新了當時此類太陽電池的光電轉換效率紀錄。日本松下公司對HJT太陽電池進行了持續的研究開發工作，1994年其研發的HJT太陽電池的光電轉換效率達到14.5%，隨后其在面積為1 cm2的HJT太陽電池上實現了20%的實驗室光電轉換效率，并于1997年注冊了HIT？商標，正式開始了HJT太陽電池的商業化進程5。2009年，Taguchi等6在厚度低于100 μm的薄硅片上制備了HJT太陽電池，為降低該類太陽電池制造成本指出了一個方向。2014年，Taguchi等7制備出光電轉換效率為24.7%的HJT太陽電池，刷新了當時此類太陽電池的光電轉換效率紀錄。2017年，Yoshikawa等將HJT技術與插指背接觸（IBC）技術結合，制備出面積為180 cm2的HJ-IBC太陽電池，其實驗室光電轉換效率超過26%。2020年，中國的漢能薄膜發電集團有限公司與北京工業大學合作，在面積為244.5 cm2的硅片上制備出光電轉換效率達25.11%的HJT太陽電池，推進了大面積HJT太陽電池的商業化進程8。2021—2022年，隆基綠能科技股份有限公司（下文簡稱為“隆基綠能”）在面積為274.4 cm2的硅片上先后制備出了光電轉換效率分別為26.3%和26.5%的HJT太陽電池，連續刷新了HJT太陽電池的光電轉換效率紀錄[9]

本文對HJT太陽電池的結構及能帶結構進行簡述，從襯底和表面制絨技術、a-Si：H薄膜技術、透明導電氧化物（TCO）薄膜技術、金屬化電極技術等方面對HJT太陽電池關鍵技術的研究進展進行分析，并從制造成本、TCO薄膜材料及疊層太陽電池技術等方面對HJT太陽電池未來的技術研究方向進行展望。

1 HJT太陽電池介紹

1.1 HJT太陽電池的結構

HJT太陽電池通常以n型單晶硅（n-c-Si）材料為襯底，在襯底正面分別沉積氫化本征非晶硅（i-a-Si：H）薄膜和p型摻雜氫化非晶硅（p-a-Si：H）薄膜，頂層分別是TCO薄膜和正面電極；背面分別為i-a-Si：H薄膜、n型摻雜氫化非晶硅（n-a-Si：H）薄膜、TCO薄膜及背面電極。HJT太陽電池的基本結構如圖1所示。

HJT太陽電池的制備流程為：1）采用氫氧化鉀與添加劑的混合溶液對硅片表面制絨，用于提高硅片對入射光的吸收率；2）通過化學氣相沉積（CVD）法在硅片正面分別沉積i-a-Si：H薄膜和p-a-Si：H薄膜，形成異質結，在硅片背面分別沉積i-a-Si：H薄膜、n-a-Si：H薄膜，形成背表面場；3）采用物理氣相沉積（PVD）法在正面和背面的摻雜a-Si：H薄膜表面分別沉積TCO薄膜，用于實現減反射效果，并協助收集正、背面電流；4）通過絲網印刷的方式在正、背面分別形成金屬柵線，并通過低溫退火工藝固化金屬柵線，最終形成電極，收集電流。該制備流程步驟簡單，工藝溫度低，有效避免了高溫對硅片性能的影響。HJT太陽電池的制備流程圖如圖2所示。

1.2 HJT太陽電池的能帶結構

HJT太陽電池的能帶描述了該太陽電池各部分材料禁止或允許電子所帶有的能量。HJT太陽電池的能帶結構如圖3所示。

從圖3可以看出：在n-c-Si襯底，電子在晶體硅導帶上運動形成電流；在n-c-Si襯底與n-a-Si：H薄膜接觸面能帶出現彎曲，導致電子在界面處積累，電子通過直接隧穿的方式在n-c-Si/i-a-Si：H界面上進行傳輸，隧穿機制包括場發射、熱發射[101及陷阱輔助隧穿[11;而在n-c-Si襯底與p-a-Si：H薄膜接觸面能帶也出現彎曲，導致空穴在界面處積累，在此界面，電子被勢壘攔截，電流基于正電荷在價帶上運動，空穴通過直接隧穿的方式在n-c-Si/i-a-Si：H界面上進行傳輸。在n-a-Si：H/TCO界面，由于TCO薄膜的導帶能級低，能帶匹配良好，電子可以正常傳輸；在p-a-Si：H/TCO界面，當p-a-Si：H薄膜的激活能低于TCO薄膜導帶和費米能級之間的帶隙時，p-a-Si：H薄膜的空穴能級傳輸到TCO薄膜導帶，能級將發生躍遷，該躍遷是基于TCO薄膜帶隙間的能級躍遷及陷阱輔助躍遷實現的。因此，TCO薄膜的激活能及摻雜濃度是影響能帶匹配的重要參數，將直接影響p-a-Si：H薄膜與金屬化電極接觸時的電荷傳輸特性。

2 HJT太陽電池關鍵技術的研究進展

2.1襯底和表面制絨技術

HJT太陽電池襯底常使用采用直拉技術的n型單晶硅片（即n型直拉單晶硅片），而并非市場上主流使用的采用直拉技術的p型單晶硅片（即p型直拉單晶硅片）。這主要是因為：1）大部分過渡金屬點缺陷的電子俘獲截面大于空穴俘獲截面，因此以電子為少數載流子的p型直拉單晶硅片的俘獲截面更大，會導致HJT太陽電池的填充因子更低；且對于相同的雜質濃度，n型直拉單晶硅片的體區少數載流子壽命通常比p型直拉單晶硅片的高[12]。2）光照可能會引起p型直拉單晶硅片的光致衰減現象，尤其是當硼和氧或硼和鐵同時存在時；而n型直拉單晶硅片不存在該機理引起的光致衰減現象。3）p型直拉單晶硅片的表面態主要以硅懸掛鍵的形式存在，具有較大的電子空穴俘獲截面比，因此p型直拉單晶硅片的鈍化效果不如n型直拉單晶硅片的鈍化效果好。

n型單晶硅片的晶面通常為（100），由于各晶向的鍵密度不同，可以采用氫氧化鉀和添加劑混合溶液對硅片表面進行各向異性腐蝕，形成“金字塔”形絨面，使硅片表面入射光反射率下降至12%以下[13]。在“金字塔”成形以后，采用各向同性刻蝕的硝酸/氫氟酸腐蝕系溶液對金字塔絨面進行圓化，在降低“金字塔”鋒利程度的同時，可有效降低亞微米級“金字塔”的密度，以便于降低硅片表面的粗糙度，為后續非晶硅層鈍化提供便利；最后采用RCA方法對硅片進行清洗，去除硅片表面殘留的有機物和金屬離子，保證硅片表面的清潔。硅片表面制絨后及圓化后的表面形貌的掃描電子顯微鏡（SEM）圖如圖414]所示。

2.2 a-Si：H薄膜技術

沉積a-Si：H薄膜是HJT太陽電池最核心的工藝步驟。在硅襯底上沉積a-Si：H薄膜能夠有效鈍化硅片表面的懸掛鍵，降低缺陷態密度，大幅提升硅片的少子壽命15，并形成c-Si/a-Si：H界面。工業大規模沉積i-a-Si：H薄膜所采用的方法是等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）法，氣源是經氫氣稀釋后的硅烷，沉積時的頻率通常采用13.56 MHz射頻或40 MHz甚高頻[16。在生長i-a-Si：H薄膜時，通過調節氫氣稀釋程度或在沉積過程中在硅片表面形成極薄的氧化硅薄膜均有利于抑制外延層生長17，保證i-a-Si：H薄膜的鈍化性能。由于a-Si：H/TCO界面的接觸電阻對p型摻雜發射層的摻雜濃度非常敏感，因而沉積p-a-Si：H薄膜通常使用更高的摻雜濃度，這雖然會輕微影響HJT太陽電池的電學特性，但卻能保證p-a-Si：H/TCO界面的接觸電阻，進而保證HJT太陽電池的填充因子[18]。

a-Si：H薄膜材料存在兩個光學問題：1）對波長低于500 nm的短波入射光存在寄生吸收的問題，會造成太陽電池約1.5 mA/cm2的電流密度損失；2）a-Si：H薄膜（折射率約為4.3）會與TCO薄膜（折射率約為2）及c-Si襯底（折射率約為3.8）產生光學失配，造成入射光反射率增高。通過引入氫化非晶硅氧化硅（a-SiOx：H）薄膜來替代a-Si：H薄膜，可以提升硅片正面的透光性，降低光學損失[19]。近期，更多的研究集中于使用摻雜氫化納米晶體硅（nc-Si：H）薄膜或摻雜氫化微晶硅（μc-Si：H）薄膜來替代a-Si：H薄膜作為HJT太陽電池的載流子選擇層[20]。在nc-Si：H薄膜或μc-Si：H薄膜中，納米晶粒或微米晶粒嵌入非晶硅原子陣列中，氫會存在于非晶相及納米晶粒的晶界處[21]。隨著晶化率F。的增加，薄膜的透光性及導電性都將有所提升，載流子的電導率也將呈指數級提升，非常有助于提升HJT太陽電池的填充因子。在波長為633 nm時，不同薄膜的電導率隨折射率n的變化趨勢如圖52]所示。不同晶化率薄膜在不同光子能量下的吸收系數如圖622]所示。

2.3 TCO薄膜技術

由于a-Si：H薄膜的橫向電導率很差，因而必須沉積1層TCO薄膜來實現載流子的傳輸。TCO薄膜的工業制備方法為PVD法或反應等離子沉積（RPD）法。PVD法的基本原理是在電場和磁場下，使氬氣分子電離為離子，并轟擊靶材，使靶材表面的原子脫離晶格逸出，濺射出的離子沉積到襯底表面，從而形成薄膜。PVD法具有鍍膜均勻性好、工藝穩定、易于控制、靶材壽命較長的優點；缺點為離子對靶材表面的轟擊較重，可能造成靶材表面或薄膜的損傷。RPD法的基本原理是通過等離子槍將氬離子通入工藝腔內，在磁場作用下到達靶材，使靶材表面升華，蒸鍍在襯底上，從而形成薄膜。RPD法具有離子轟擊能量低、靶材表面損傷小、沉積溫度低、能夠大面積高速率生長薄膜的優點，缺點是鍍膜整體均勻性比PVD法制備得到的差。

TCO薄膜是一種由多組分金屬氧化物組合而成的半導體材料，其包含1種或兩種金屬元素。該薄膜的電阻需要足夠低，以避免導致HJT太陽電池填充因子降低。降低膜層電阻的唯一方法是提高薄膜內的自由載流子濃度。

HJT太陽電池正面的TCO薄膜還可以起到減反射的作用，其厚度與少數載流子遷移率由所選材料確定。但TCO薄膜中的自由載流子會吸收紅外光，造成HJT太陽電池光學性能損失，導致其短路電流下降[23的同時，還會影響少數載流子遷移率的水平[24]。因此，對于HJT太陽電池正面的TCO薄膜而言，不僅要在HJT太陽電池設計階段就選出合適的材料，而且在HJT太陽電池制備過程中也要不斷調節工藝，使TCO薄膜在電阻、光學特性及少數載流子遷移率方面取得平衡。

TCO薄膜的電阻率可通過摻雜工藝來調節，最低可達到10-？Q·cm;禁帶寬度可達到3eV以上125。HJT太陽電池最常用的TCO薄膜材料是氧化銦錫（ITO），其能夠在不損失光學特性的情況下提升薄膜的導電性能。2019年，Sousa等[25]制備出厚度為248 nm的ITO薄膜，其在可見光范圍內的平均透光率可達到90%，載流子濃度達到了26×10？/cm3，薄膜電阻僅為23 Ω/□。

2.4金屬化電極技術

在同質結晶體硅太陽電池中，金屬漿料通常會使用700～800 ℃的燒結溫度來實現歐姆接觸，降低接觸電阻，而HJT太陽電池的金屬化電極工藝溫度只允許采用低于200 ℃的低溫工藝，主要是為了避免損壞柵線下面的各層薄膜，尤其是對溫度敏感的a-Si薄膜[261，因此，HJT太陽電池的金屬化電極工藝需要在低溫條件下實現金屬電極與高電導率TCO薄膜的良好接觸。

HJT太陽電池工業化生產中金屬化電極工藝最常采用的是絲網印刷技術，其采用的銀漿通常含有銀顆粒、樹脂粘合劑、有機溶劑、固化劑等。銀顆粒是電極的導電主體，占據漿料重量的90%以上；樹脂充當銀顆粒的粘合劑，并實現電極與TCO薄膜的粘附；有機溶劑通常由低沸點的短鏈碳氫化合物組成，用于調節銀漿的流變性和潤濕性，且其加熱后易揮發；固化劑的作用是促進樹脂粘合劑在低溫固化期間的聚合[27]。

通過低溫固化形成的電極通常具有相對較高的體電阻率，因此需要較大量的銀漿，以確保HJT太陽電池具有較高的填充因子，導致電極的制備成本較高。由于具有較高的表面能，低溫固化狀態中的納米級銀顆粒通常是呈點對點接觸。文獻[28的研究結果證明，微米級片狀銀粉和納米級顆粒狀銀粉的組合可以顯著改善通過低溫固化形成的電極的導電性。不同形狀銀顆粒低溫固化后形成的電極的截面SEM圖如圖7[28所示。低溫銀漿的體電阻率在固化后可以達到4·cml29，體電阻率的下降有助于減少銀漿耗量，降低柵線寬度，提升HJT太陽電池的光電轉換效率。

3 HJT太陽電池的未來展望

3.1低成本HJT太陽電池

根據德國機械設備制造商協會（VDMA）發布的《2022年國際光伏技術路線圖》（ITRPV），HJT太陽電池的市場份額會緩慢增長，將于2024年達到10%，2032年接近20%[30]。制約HJT太陽電池市場份額增長的主要因素是相對較高的制造成本。在HJT太陽電池的制造成本構成當中，硅片及金屬化電極成本占據了較大比重31，降低這兩項成本勢在必行。由于HJT太陽電池結構對稱，且整個制備工藝的溫度不超過200℃，因此，其相較于其他類型晶體硅太陽電池，HJT太陽電池更具有薄片化優勢，而薄片化有助于降低硅片成本。隨著金剛線切割技術的日臻成熟，硅片厚度總偏差已逐步降至10 μm以下，硅片厚度也降至150 μm以下[30]。此外，采用抗拉強度更高的鎢絲替代高碳鋼絲作為金剛線的母線，可以使金剛線更細，有望切割成更薄的硅片；而超薄硅片的使用也依賴于設備自動化技術的進步，已有關于厚度為130 μm的硅片應用于HJT太陽電池的報道，太陽電池碎片率低于0.3%I321。可以看出，HJT太陽電池的薄片化趨勢已經形成。

現有的低溫銀漿采用了降低銀顆粒尺寸和提高固含量的技術方案，使金屬化電極成本一直居高不下。在HJT太陽電池金屬化電極技術革新中，采用更便宜的銅來替代銀制作電極成為更加可行的技術方案[33]

低溫銀包銅絲網印刷技術是一種有效降低金屬化電極成本的技術方案，即通過在銅顆粒上鍍1層銀殼實現銀包銅顆粒的制備，并以此顆粒作為制備銀漿的基礎顆粒，可降低約60%的銀漿耗量[34]。該技術能夠通過成熟的絲網印刷技術實現，是一種較易實現商業化的技術方案。

另一種降低金屬化電極制備成本的方案是采用銅電鍍技術。利用銅電鍍技術制備的銅電極圖形化有兩種技術方向：1）印刷銀種子層，以種子層為電極促進銅在銀的周圍電鍍成電極，該方法對銀漿的節省相對較少；2）采用掩膜的方法，在非電極位置制備阻擋層，在后續電鍍過程中可實現電極圖形化。該方案可以實現無銀電極的制備，但增加了掩膜步驟[35，會限制成本下降幅度。蘇州邁為科技股份有限公司（下文簡稱為“蘇州邁為”）和澳大利亞的SunDrive公司報道了電極基于銅電鍍技術的大面積（274.5 m2）HJT太陽電池，其光電轉換效率可達26.41%，并得到了德國哈梅林太陽能研究所（ISFH）的認證[36，證實了銅電鍍技術的可行性。但銅電鍍技術的產業化還需解決幾個問題：1）簡化銅電鍍工藝的流程，實現低成本電鍍；2）避免因掩膜孔洞造成的“鬼鍍”;3）提升電鍍柵線的粘結力。攻克這些技術壁壘后，銅電鍍技術通往產業化的大門將有望打開。

相較于其他晶體硅太陽電池，n型HJT太陽電池具備更高的光電轉換效率，更低的溫度系數和工作溫度，不存在基于硼氧對的光致衰減問題[37]。這些優異特性使其在相同環境條件下的發電量更多，進而在計算平準化度電成本（LCOE）時更具優勢[38]。可以預期，未來有利于降低HJT太陽電池制造成本的新技術研究將持續展開，低成本HJT太陽電池將成為更具競爭力的太陽電池。

3.2新型TCO薄膜材料

銦作為貴金屬之一，是現有HJT太陽電池中TCO薄膜最重要的成分之一。HJT太陽電池正面TCO薄膜采用的ITO或氧化銦鎢（IWO）材料都包含銦。基于2019年銦的全球總產量，假設其20%用于HJT太陽電池，僅能支持35～95GW的HJT太陽電池產能[3]。隨著HJT太陽電池產能的快速增加，低含銦量及無銦HJT太陽電池的開發勢在必行。已有部分研究團隊在這方面實現了技術突破，隆基綠能制備的無銦HJT太陽電池的光電轉換效率達到了25.40%，創造了2022年此類太陽電池的世界紀錄[40]。蘇州邁為聯合SunDrive公司采用低含銦量的TCO薄膜材料制備出了光電轉換效率達25.94%的HJT太陽電池[4。因此，未來將有更多關于無銦TCO薄膜技術的研究，來克服HJT太陽電池的產能瓶頸。

3.3疊層太陽電池技術

單結晶體硅太陽電池理論光電轉換效率的極限不超過30%[421，因此，隨著晶體硅太陽電池技術的不斷進步，單結晶體硅太陽電池的光電轉換效率終將趨于理論極限值，屆時疊層太陽電池將成為進一步提升太陽電池光電轉換效率的重點發展方向。疊層太陽電池是利用禁帶寬度更寬的鈣鈦礦或Ⅲ-V族化合物作為頂層太陽電池，使疊層太陽電池能更高效地吸收短波長太陽光；利用晶體硅太陽電池或其他窄禁帶寬度的太陽電池作為疊層太陽電池的底層，使疊層太陽電池便于吸收長波長太陽光，從而實現整個太陽電池光電轉換效率的進一步提升。當鈣鈦礦太陽電池采用禁帶寬度為1.65～1.70 eV的晶體硅時，其理論光電轉換效率的極限可達到44%左右[43，對以鈣鈦礦太陽電池作為頂層太陽電池的疊層太陽電池來說，是一條非常有吸引力的技術路線。

許多類型的硅基太陽電池，比如：HJT太陽電池、PERC太陽電池及IBC太陽電池，都可以被用作鈣鈦礦/硅基疊層太陽電池的底層太陽電池。HJT太陽電池的頂層是TCO薄膜，而TCO材料是疊層太陽電池的常用層和接觸材料；此外，與其他晶體硅太陽電池相比，HJT太陽電池的光電轉換效率、開路電壓、溫度系數、近紅外光吸收能力都更優異，因此，疊層太陽電池采用鈣鈦礦/硅異質結結構具有優勢[44]。然而，由于HJT太陽電池的溫度耐受性有限，通常只能在200℃以下的條件下工作，因而限制了疊層太陽電池中頂層太陽電池的加工流動性，特別是對于含有二氧化鈦的退火溫度超過400 ℃的鈣鈦礦層的影響尤為明顯。因此，容忍更高的工藝溫度，以便于搭配更多種類無機鈣鈦礦材料，是應用于疊層太陽電池的HJT太陽電池未來面臨的挑戰之一。

4結論

本文簡述了HJT太陽電池的結構及能帶結構，從襯底和表面制絨技術、a-Si：H薄膜技術、TCO薄膜技術、金屬化電極技術等方面對HJT太陽電池關鍵技術的研究進展進行了分析，并從制造成本、TCO薄膜材料及疊層太陽電池技術等方面對HJT太陽電池未來的技術研究方向進行了展望。雖然HJT太陽電池具有工藝流程簡單、光電轉換效率高、功率衰減低、溫度系數低、工作溫度低等優勢；但其制造成本較高，導致其市場份額上升緩慢，而采用銅電極、無銦或低含銦量TCO薄膜技術是降低HJT太陽電池制造成本的有效方法，一旦突破成本瓶頸，HJT太陽電池未來的應用空間將更加廣闊。

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DEVELOPING STATUS AND FUTURE PROSPECT OFHJT SOLAR CELL TECHNOLOGY

Xu Zhuo，YangWeiguang，BaiLong，QiaoTang，Guo Liyan（Jolywood（Taizhou）Solar Technology Co.，Ltd.，Taizhou 225599，China）

Abstract：China's silicon based heterojunction （HJT）solar cell technology has experienced rapid developmentin the past five years，gradually entering the industrialization stage，but it has encountered some technicalbottlenecks in its development process.This paper provides a brief overview of the structure and band structure ofHJT solar cells，analyzing the research progress of key technologies in HJT solar cells from the perspectives ofsubstrate and surface velvet technology，a-Si：H thin film technology，TCO thin film technology，andmetallizedelectrodetechnology.It also looks forward to the future technological research directions of HJT solar cells fromthe aspects of manufacturing cost，TCO thin film materials，and stacked solar cell technology.AlthoughHJTsolar cells have advantages such as simple process flow，high photoelectric conversion efficiency，lowpowerattenuation，low temperature coefficient，and low operating temperature.However，its high manufacturingcost has led to a slow increase in its market share，and the use of copper electrodes，indium free or low indiumTCO thin film technology is an effective way to reduce the manufacturing cost of HJT solar cells.Once the costbottleneck is overcome，the future application space of HJT solar cells will be even broader.

Keywords：HJT solar cells;PV power generation;photoelectric conversion efficiency;a-Si thin film;TCO