HJT 太陽電池光注入退火工藝的增效研究

黃惜惜，姜利凱，趙桂香*，李世宇，張中建，高榮剛

(1.中節能太陽能科技(鎮江)有限公司，鎮江 212132；2.中節能太陽能股份有限公司，北京 100082)

0 引言

目前，光伏行業的主流太陽電池技術是p 型發射極鈍化和背面接觸(PERC)太陽電池技術，但此類太陽電池的光電轉換效率、良率及成本已逐漸接近極限，發展進入瓶頸，產品競爭力與新技術產品相比必然會持續下降。近年來，n 型太陽電池中的異質結(HJT)太陽電池因具有光電轉換效率高、衰減率低、雙面率高、工藝簡單、大尺寸化、薄片化等優勢，得到了廣泛關注和深入研究[1-4]。

目前，HJT 太陽電池的平均量產光電轉換效率達到24.5%以上，實驗室光電效率能達到26.81%(截至2023 年5 月)[5]。未來幾年，n 型HJT 太陽電池有望取代p 型PERC 太陽電池，成為太陽電池市場的主流技術[6]。當前，HJT 太陽電池還未實現規模化量產，成本較高是阻礙此類太陽電池推廣的主要原因[7]。HJT 太陽電池的降本途徑有很多，包括設備國產化、硅片薄片化、采用銀包銅漿料、使用無銦靶材、提升光電轉換效率等，其中，提升HJT 太陽電池的量產光電轉換效率是降低其成本的有效途徑，而對低溫固化后的HJT 太陽電池進行光注入退火可有效提升其光電轉換效率[8]。

前期，研究者認為光注入退火工藝主要是用于抑制PERC 太陽電池的光致衰減(LID)和熱輔助光致衰減(LeTID)問題。姜倩等[9]認為PERC太陽電池存在一定的LeTID 問題，通過光注入退火可緩解此類太陽電池的后期衰減。周肅等[10]研究發現，PERC 多晶硅太陽電池經過光注入退火后，LID降低的同時光電轉換效率提升了0.03%左右。中國可再生能源學會光伏專業委員會在《2020 年中國光伏技術發展報告——晶體硅太陽電池研究進展》[11]中提到，近年來國內光伏企業普遍采用載流子注入的方法對PERC 太陽電池進行處理，以此來避免太陽電池在出廠使用時的LID 問題。

后期有研究者發現[12]，n 型太陽電池采用光注入退火工藝也可以提升太陽電池的光電轉換效率。魏凱峰等[13]研究發現，n-TOPCon 太陽電池經過光注入退火后其光電轉換效率至少提升了0.1%，且開路電壓Voc與填充因子FF均提升比較明顯，而其他電性能參數則沒有變化。Kobayashi 等[14]研究發現，對HJT 太陽電池在光照的同時進行退火溫度200 ℃、退火時間3 min 的熱退火處理，其光電轉換效率提升約0.3%。南昌大學的曾慶國[15]對HJT 太陽電池光注入退火增效進行了深入研究，其認為HJT 太陽電池經過光注入退火處理后絕對光電轉換效率可提升0.3%以上；其還認為，HJT 太陽電池光注入退火處理增效的機理是：光照可以破壞太陽電池內部物理成鍵方式的Si-H 的組態，并由熱作用提供能量釋放氫原子，對缺陷和界面懸掛鍵進行鈍化，釋放完氫原子后形成的硅懸掛鍵在一定溫度下易發生重組，形成Si-Si 強鍵，進而起到增效作用。

本文針對HJT 太陽電池n 面光注入退火時，光注入退火時間和溫度對其光電轉換效率的影響進行研究，并進一步分析雙面光注入退火對HJT太陽電池光電轉換效率的影響，最后針對光注入退火處理對不同光電轉換效率檔位HJT 太陽電池增效的影響進行研究。

1 實驗過程

本實驗采用隆基綠能科技有限公司生產的n型單晶硅片作為襯底，硅片尺寸為166 mm×166 mm，硅片厚度為140 ～150 μ m，硅片電阻率為1 ～7 Ω·cm。在HJT 太陽電池生產線上，在經過制絨清洗步驟的n 型硅片襯底正面依次沉積本征非晶硅層和n 型摻雜非晶硅層，在n 型硅片襯底背面依次沉積本征非晶硅和p 型摻雜非晶硅層；然后在正背面雙面非晶硅層上沉積氧化銦錫(ITO)透明導電膜；最后在雙面ITO 透明導電膜表面通過絲網印刷技術分別印刷銀柵線，通過烘干、固化后形成具有良好歐姆接觸的金屬銀電極，最終制備成HJT 太陽電池。

實驗采用載板式光注入退火爐對制備的HJT太陽電池單面進行光注入退火處理，光注入退火爐光源的光照強度恒定為1000 W/m2，實驗過程改變光注入退火時間和光注入退火溫度；然后采用同樣的光注入退火爐，在光注入退火時間和光注入退火溫度確定的情況下，對不同光電轉換效率的HJT 太陽電池進行雙面光注入退火處理。采用德國的Halm 電性能測試儀在標準測試條件(STC)(即光照強度為1000 W/m2、光譜為AM1.5、溫度為25 ℃)下，測試HJT 太陽電池光注入退火前后的光電轉換效率。

2 實驗結果與討論

2.1 光注入退火時間對HJT 太陽電池光電轉換效率的影響

將光注入退火溫度統一設置為200 ℃，光注入退火時間分別設置為50、75、100、125、150 s，共進行5 組實驗。每組實驗選擇100 片光電轉換效率在23.50%左右的HJT 太陽電池樣品，分別測試其光注入退火前后的光電轉換效率。在光注入退火溫度為200 ℃的條件下，經過不同光注入退火時間處理的HJT 太陽電池光電轉換效率變化情況如圖1 所示。

圖1 不同光注入退火時間對HJT 太陽電池光電轉換效率的影響Fig. 1 Effect of different light injection annealing times on the photoelectric conversion efficiency of HJT solar cells

從圖1 可以看出：在50～100 s 范圍內，隨著光注入退火時間的增加，太陽電池光電轉換效率的提升幅度逐漸增大，提升幅度從0.21%增至0.37%。而當光注入退火時間超過100 s 后，隨著光注入退火時間的增加，太陽電池光電轉換效率的提升幅度基本不變，提升幅度基本維持在0.37%左右。光注入退火的機理是在光熱作用下激活太陽電池內部的氫原子，激活的氫原子對太陽電池的缺陷和界面懸掛鍵進行鈍化，從而減少了缺陷復合中心，降低了載流子復合，進而起到增效的作用[15-16]。隨著光注入退火時間的增加，被激活的氫原子的量增加，從而可以鈍化更多的缺陷，當光注入退火時間超過100 s 后，太陽電池內部激活的氫原子的量不再增加，所以隨著光注入退火時間的增加，光電轉換效率提升幅度幾乎不再增加。

2.2 光注入退火溫度對HJT 太陽電池光電轉換效率的影響

將光注入退火時間設置為100 s，將光注入退火溫度分別設置為140、170、200、230、260 ℃，共進行5 組實驗。每組實驗選擇100 片光電轉換效率在23.50%左右的HJT 太陽電池樣品，分別測試其光注入退火前后的電性能。在光注入退火時間為100 s 的條件下，經過不同光注入退火溫度處理的HJT 太陽電池光電轉換效率變化情況如圖2 所示。

圖2 不同光注入退火溫度對HJT 太陽電池光電轉換效率的影響Fig. 2 Effect of different light injection annealing temperatures on the photoelectric conversion efficiency of HJT solar cells

從圖2 可以看出：在140～260 ℃范圍內，隨著光注入退火溫度的升高，HJT 太陽電池光電轉換效率的提升幅度先增加后降低；當光注入退火溫度提升至200 ℃左右時，HJT 太陽電池光電轉換效率的提升幅度最大，隨著光注入退火溫度進一步升高，HJT 太陽電池光電轉換效率的提升幅度反而降低；當光注入退火溫度升高到230 ℃后，HJT 太陽電池的光電轉換效率急驟下降，這可能是因為該光注入退火溫度破壞了HJT 太陽電池的非晶結構。

當光注入退火溫度在200 ℃以下時，隨著溫度的提升可以激活HJT 太陽電池內部更多的氫原子，能夠鈍化更多的缺陷和界面懸掛鍵，光電轉換效率的提升幅度增加。由于高溫易使雜質擴散從而影響非晶硅層質量，進而影響鈍化效果，所以HJT 太陽電池的制備過程通常采用低溫工藝，一般不超過 200 ℃，而常規太陽電池的制備工藝溫度可能高達 800 ℃。當光注入退火溫度大于200 ℃時，隨著溫度的升高，非晶硅層質量受到損傷，鈍化效果變差，從而導致HJT 太陽電池光電轉換效率下降，因此光注入退火的最佳溫度為200 ℃。

2.3 光注入退火處理對不同光電轉換效率檔位HJT 太陽電池效率提升的影響

將光注入退火時間設置為100 s、光注入退火溫度設置為200 ℃，分別選取光電轉換效率檔位為20.55%、21.63%、22.00%、22.87%、23.77%、24.12%的6 組HJT 太陽電池進行實驗，每組太陽電池均為100 片。相較于未進行光注入退火處理的太陽電池，n 面光注入退火處理后6 個光電轉換效率檔位太陽電池的效率提升情況如圖3 所示。

圖3 光注入退火處理后6 個光電轉換效率檔位太陽電池的效率提升情況Fig. 3 Efficiency improvement of solar cells with six photoelectric conversion efficiency levels after light injection annealing treatment

從圖3 可以看出：在相同光注入退火條件下，HJT 太陽電池的光電轉換效率提升幅度隨著光電轉換效率檔位的提升而降低，這主要是因為光電轉換效率較低的HJT太陽電池的缺陷較多，通過光注入退火可以鈍化更多的缺陷；而光電轉換效率較高的HJT 太陽電池表面和內部的缺陷較少，從而可以鈍化的缺陷也較少，減少的復合中心也同樣較少。因此，在光注入退火條件下，HJT 太陽電池的光電轉換效率越低，其光電轉換效率提升效果越顯著。

2.4 雙面光注入退火對HJT 太陽電池光電轉換效率的影響

將光注入退火時間設置為100 s、光注入退火溫度設置為200 ℃，分別選取4 組光電轉換效率為22.15%、22.67%、23.27%、23.95%的HJT太陽電池各100 片進行實驗，先對HJT 太陽電池的n 面進行光注入退火處理，然后測試HJT太陽電池的光電轉換效率；之后再對p 面進行光注入退火處理，此時p 面相當于進行了兩次光注入退火處理，因為HJT 太陽電池是雙面對稱的太陽電池，n 面為其正面，通常是迎光面，當對n 面進行光注入退火時，太陽電池內部激活的氫原子同樣可到達太陽電池背面，即到達p 面；然后再次測試HJT 太陽電池的光電轉換效率，測試結果如圖4 所示。

圖4 不同光注入退火處理后的HJT 太陽電池光電轉換效率Fig. 4 Photoelectric conversion efficiency of HJT solar cells after annealing with different light injection treatments

相較于未進行光注入退火處理的HJT 太陽電池的光電轉換效率，不同光注入退火處理后的HJT 太陽電池光電轉換效率提升情況如圖5所示。

圖5 不同光注入退火處理后的HJT 太陽電池光電轉換效率提升情況Fig. 5 Enhancement of photoelectric conversion efficiency of HJT solar cells after annealing with different light injection treatments

從圖4、圖5 可以看出：對HJT 太陽電池n面進行光注入退火處理后，HJT 太陽電池的光電轉換效率得到了明顯提升；而p 面進行二次光注入退火處理后，HJT 太陽電池的光電轉換效率提升幅度非常小，基本沒有變化，這是因為對n 面進行光注入退火后p 面同樣達到了良好的鈍化效果，所以再對p 面進行光注入退火處理后并未激發出更多的氫原子，導致太陽電池雙面都進行光注入退火不能達到光電轉換效率疊加提升的效果[15]。所以在HJT 太陽電池量產中只需要對n 面進行光注入退火即可，既可節約成本又能達到鈍化效果。

3 結論

本文針對n 面光注入退火時，光注入退火時間和溫度對HJT 太陽電池光電轉換效率的影響進行了研究，并進一步分析了雙面光注入退火對太陽電池光電轉換效率的影響，最后研究了光注入退火處理對不同光電轉換效率檔位HJT太陽電池增效的影響。研究結果顯示：1)隨著光注入退火時間的增加，HJT 太陽電池光電轉換效率提升幅度先增加后基本保持穩定；2)隨著光注入退火溫度的增加，HJT 太陽電池光電轉換效率提升幅度先增加后減小；3)HJT 太陽電池雙面都進行光注入退火處理不能達到光電轉換效率疊加提升的效果；4) 光注入退火處理對光電轉換效率低的HJT太陽電池的增效效果更好，主要是因為光電轉換效率低的太陽電池內部及表面缺陷更多。