2020年中国光伏技术发展报告—— 晶体硅太阳电池研究进展(7)

中国可再生能源学会光伏专业委员会

(中国可再生能源学会，北京 100190)

2019年，HJT电池产业界出现了一种新型的TCO膜材料，称为SCOT[30]，其成分比例为In2O3:ZrO2:TiO2:Ga2O3=98.5:0.5:0.5:0.5。这是一种可以制备成磁控溅射旋转陶瓷靶的接近IWO的材料，由于其可以制备成高In含量的靶材，因此导电性较好，但针对这种靶材的一些细节并未报道太多。

2019年在TCO膜方面的一项重要改进工作是采用叠层TCO膜来提高效率或降低成本，这主要是因为前表面的TCO膜承担了太多功能，且这些功能间存在一定的矛盾关系。比如，为了降低前表面TCO膜的红外光吸收性，就需要降低其中的载流子浓度，而降低载流子浓度必然会降低前表面的电导性，二者之间存在矛盾关系。该矛盾关系的解决方法就是增加前表面TCO膜的载流子迁移率。传统的ITO膜的电导率较好，但是其载流子浓度较高，导致其红外光吸收性较严重，因此研究人员选用低载流子浓度但具有高迁移率的材料，如IWO、ICO、IOH。但是这些材料或多或少存在一些缺陷，比如IWO材料很难压制成柱形陶瓷靶材、IOH的稳定性较差等；此外，这些靶材的成本也较高。

另外存在矛盾关系的是前表面TCO膜在承担透光功能的同时必须承担减反射的作用，对于减反射功能必须要求TCO膜的厚度约为80 nm，而透光性要求膜层最好较薄，因此若使用较薄的ITO膜，虽然其载流子浓度较高，但如果足够薄，其对红外光的吸收也就不那么严重了，且较薄的ITO膜对于短波吸收较少。因此，Meyer Burger公司提出了所谓HJT 2.0的概念，即在ITO膜之外再镀一层SiNx膜，使SiNx/ITO膜共同承担减反射的作用，而ITO膜只承担导电作用。这一概念既可以提高效率，也可以降低成本，如图44所示。成本的降低一方面是因为设备成本的下降，另一方面是因为节省了较为昂贵的ITO材料。

图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膜的另一个进展是汉能公司在其创造世界纪录的光电转换效率达25.1%的HJT电池中使用了TCO叠层。汉能公司在该TCO叠层中采用了3层结构，包括缓冲层、种子层和导电层，如图45所示[31]。虽然该公司在报告中并未给出这3层材料的具体细节，但其指出缓冲层的主要目的是减少a-Si(n)/TCO的接触电阻，而种子层主要是为了改善TCO膜的结晶、电学和光学特性。

图45 汉能公司的HJT电池中采用的TCO叠层结构Fig. 45 TCO stack structure used in HJT solar cell of Hanergy

降低电池成本的另一个努力方向是避免使用含铟的TCO层，其中一个候选材料就是掺铝氧化锌(AZO)。但AZO存在一定的缺点，比如导电率较差、稳定性不佳等，研究人员也在不断探索适宜的条件。德国HZB研究所使用AZO膜取代ITO膜后制备的电池的光电转换效率并不亚于使用ITO膜的HJT电池的光电转换效率，如图46所示[32]。

图46 德国HZB研究所采用AZO膜替代ITO膜的实验结果Fig. 46 Experimental results of German HZB Research Institute using AZO film instead of ITO film

此外，德国HZB研究所还研究了TCO膜的工艺过程对太阳电池光电转换效率的影响，发现制备TCO膜和随后电极烧结热过程会破坏TCO/a-Si:H(p)的功函数匹配及a-Si:H(p)本身的特性，但对于TCO/a-Si:H(n)区域并无影响，因此并不是由于本征非晶硅钝化特性的破坏所导致的衰变。

总而言之，镀TCO膜虽然是一项较为成熟的技术，HJT电池制备时TCO膜的进一步优化，可以在提高电池光电转换效率的同时降低电池成本，但要达到这一目的不仅需要不断改进设备，还要从材料上进行持续改进。

4.2.4 电极制备技术

目前，电极技术已成为HJT电池产业化的最关键技术，电池光电转换效率的提升及电池成本的下降均依赖于电极技术的改进。研究单位和企业正针对电极技术进行4个方面的改进：1)电极导电银浆的进一步改进；2)主栅线技术的改进；3)铜包银浆料的产业化实现；4)电镀铜工艺的改进。

根据理论研究结果，当降低栅线宽度时必然导致栅线电阻的增加，因此为了在更细的栅线上得到较低的电阻，就必须缩短细栅线的长度，即采用多主栅技术。另一个降低栅线本身电阻的方式是采用无树脂的镀铜栅线，该方式也可以在宽度窄至20～30 nm的细栅线上得到低至1 Ω•cm的电阻率。

近两年产业界围绕着上述思路开展了HJT电池栅线电极技术的研究。

2019年，HJT电池的开发者发现主栅数量的变化可对HJT电池光电转换效率产生影响的同时，还会对此类电池的成本产生较大的影响。虽然2019年各种太阳电池仍以5主栅(5BB)技术为主，但多主栅技术已经在大规模的开发中。图47展示了几种新型的主栅技术，包括7主栅(7BB)、12主栅(12BB)、无主栅(SWCT)和无栅线(IBC)。

图47 几种新型的主栅技术Fig. 47 Several new types of main grid technology

IBC电池的低成本技术路线仍不够成熟，SWCT技术的专利为Meryer Burger公司(下文简称“MB公司”)所拥有，其中不仅涉及到丝网印刷技术，还涉及到光伏组件的焊接技术、浆料技术的开发。

我国国内多家生产线已经进行了HJT电池的MBB技术的开发研究，研究发现MBB技术对于HJT电池光电转换效率的提升和电池成本的降低尤为重要。山西晋能公司通过在其HJT电池生产线上比较5BB技术与9BB技术的差别，发现采用9BB技术之后，电池的光电转换效率提升了0.43%，并且由于Ag消耗量的减少，电池成本还下降了45%。

以M2硅片为例，HJT电池采用不同主栅技术时的成本情况如表21所示。

表21 HJT电池采用不同主栅技术时的成本情况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技术的HJT 电池所用的银浆量为350 mg/片，其电池产线平均光电转换效率约为22.8%；采用5BB技术银浆用量仅降至300 mg/片，但电池产线平均光电转换效率却可以提升至23.2%左右；而使用MBB技术(即9BB技术或12BB技术)可以将银浆用量降至150～200 mg/片左右，电池产线平均光电转换效率可以提升至23.8%左右；若使用0BB技术，银浆用量则可以进一步降至120 mg/片，电池产线平均光电转换效率可以达到24%。

上述结果已得到山西晋能、中微、新加坡REC等公司的证实。若简单按照材料成本(不计入设备、运营等其他成本)测算，电池成本下降幅度较大。但按照实际情况进行测算则相对更为复杂，因为使用多主栅技术在光伏组件串焊方面会增加设备成本，还需要考虑串焊金属丝、有机粘合剂(带)等所增加的成本。

MB公司对其SWCT技术进行了经济评价，结果显示，采用SWCT技术除了可使浆料用量大规模下降之外，还可以降低电池正表面的遮光面积。

丝印电极可以使用常用的丝网印刷线，目前商用的丝网印刷线主要有迈为公司的丝网印刷线、捷佳伟创公司的丝网印刷线、美国应用材料公司的Baccini 设备、德国Aysis的丝网印刷线、日本Microtech公司的丝网印刷线及英国Dek公司的丝网印刷线。由于目前低温银浆的导电性并不是很好，因此栅线的线电阻较大，这就要求更大的高宽比，通常需要印刷2次。因此，丝网印刷线印刷时的栅线对准精度很重要。在对准精度方面，日本Microtech 公司的丝网印刷线较为优越。2019年，迈为公司成功将其丝网印刷线安装到REC公司在新加坡的HJT电池产线上，该丝网印刷线不仅便宜，而且十分稳定；特别是其HJT电池低温烘干技术，传统烘干线的烘干时间约为30 min，而迈为公司开发的新型烘干线的烘干时间仅约为10 min，大幅缩短了HJT电池的工艺流程时间。

基于2018 年光伏产业界提出的光照增效的研究成果，在2019年，光伏产业界已经将光照退火设备加入到HJT电池产线上，成为标配设备。这种光照退火设备的供应商包括迈为、金晟阳光、科龙威、捷佳伟创等公司。

导电银浆性能较好的是日本京都电子公司和Namics公司的低温银浆，该银浆技术在2019年已经有所改进，在较短时间内存储时已经可以不用在-20 ℃的温度下保存了，但是长期存储仍需要在此温度下保存。

由于导电银浆的成本在HJT电池中占有非常高的比率，因此产业界开始考虑使用电镀铜工艺取代丝网印刷银工艺。从材料成本方面来看，镀铜工艺具有明显优势，但是目前成熟的镀铜工艺较为复杂，具体工艺流程如图48所示。

图48 HJT 电池的电镀铜工艺流程Fig. 48 Copper electroplating process flow of HJT solar cell

根据上述的电镀铜工艺流程，为了电镀铜，需要在准备TCO膜之后再镀一层金属(如Cu)种子层，再将感光胶膜贴敷其上，采用曝光、显影处理，然后再使用电镀工艺加厚种子层，之后再去掉掩膜及种子层；并且电池正反两面均需要重复此项操作。目前国内钧石公司制备采用这种铜电极的HJT电池，国电投的80 MW HJT电池产线也采用了此种技术。而且该技术除了工艺成本较高外，还需对电镀废液进行环保处理。此外，虽然银栅线采用MBB、SWCT技术之后大幅降低了银浆用量，但若采用镀铜工艺，成本优势就不突出了。

欧洲已有研究机构进行了简化版电镀铜工艺的开发。2019年在法国马赛召开的第36届欧洲光伏会议上，德国Fraunhofer研究所和多家欧洲企业及研究机构共同发表了一篇关于使用丝网印刷技术结合光诱导化学镀方式制备HJT电池的论文。在HJT电池的TCO膜表面先使用丝印技术印刷一层栅线，然后50 ℃烘干后，在其上使用APCVD设备镀制1层SiO2层，再在200 ℃的温度下退火1 min，之后再进行光诱导化学镀工艺，最后进行烧结烘干。由于这层SiO2层可作为减反射膜，因此在后续工艺中不用去除。该研究报告并未给出采用此工艺制备的电池的光电转换效率结果，但可以预见，与传统的电镀工艺相比，采用此工艺的成本将会大幅降低。

由于几年前采用光诱导化学镀工艺制备常规太阳电池的选择性发射极时已有相当深入的研究开发，因此这种技术的难度并不大，只是其规模化生产的适应性和成本是否能与丝网印刷公司相比仍需进一步研究。

研究人员一直在对银包铜的壳核结构的浆料展开研究，最新的进展是将银粉和银包铜粉混合制备成浆料，但尚无较好的实用化成果。

4.2.5 测试与分选

n型HJT电池的少子寿命很长，因此其寄生电容很大，在脉冲光照射下，往往无法很快响应；而且在I-V测试时，电压扫描速率和扫描方向会影响测试结果。由于电压扫描须在一个光脉冲时间内完成，当使用较窄的疝灯闪光脉冲时，电压扫描时间较快，因此从Isc扫向Voc时，会出现MPP偏低的现象；而从Voc扫向Isc时，会出现MPP偏高的现象，甚至会在该工作点处出现反常的尖峰；只有当闪光脉冲宽度大于400 ms时才会彻底消除这种现象，但是这样宽脉冲的I-V测试仪很难制作。目前国际上有几家I-V测试设备制造商提供了相应的解决方案：1) Ham公司提供的I-V测试仪采用多次闪光法技术；2)日本KOPEL公司提供的I-V测试仪采用匹配电路来消除MPP处的反常；3)国内陕西众森公司提供的I-V测试仪采用LED模拟器，该模拟器可以做成稳态光源。

4.2.6 电池串焊

在太阳电池的封装环节，需要将电池的主栅与焊带进行焊接。若采用传统的电烙铁或光加热焊接，会使局部温度超过200 ℃，从而降低电池的特性。目前HJT电池的焊接有3种焊接技术可用于采用低温浆料：

1)直接使用常规光焊接，但需要对焊接设备的温度和时间，以及焊带进行改造。

2)导电胶带粘合。日本索尼公司开发了一款导电胶带，该胶带将电极主栅与焊带粘接在一起并导电；该导电胶带的电阻很小，黏附性也较好，是较好的选择。

3)导电银浆(ECA)，这种浆料使用丝印或喷涂的方式涂于电池主栅与焊带之间，后续经过加热压合焊接。这种焊料的问题在于成本，但随着HJT电池产能的扩大，这种焊料的价格会大幅下降。

目前大部分国内企业对PERC电池进行串焊时仍采用常规串焊机，但可对设备进行一定的改造，通过降低焊接温度对HJT电池进行焊接。这种焊接不仅要对焊带进行改变，还要对焊接设备进行改造，否则会对电池造成损害。德国Fraunhofer研究所研究了使用常规焊接技术对HJT电池进行焊接时造成的影响。样品使用加热板最高加热到145 ℃，在衬底达到最高温度时使用IR 光焊接，光焊的温度在极短的时间结束，焊接后的各种测试结果显示，在240 ℃、3 s的条件下，电池特性(EL、Rs、j0)均完好，但在310 ℃、3 s条件下，电池的电性能就出现了退化。按照240 ℃、3 s的条件焊接的焊带拉力为0.9 N/mm，可以在实际中使用。

研究人员对ECA焊接的另一个担心在于其可靠性和成本。Fraunhofer 研究所对ECA焊接的可靠性进行了研究，焊接之后的拉力实验结果显示，虽然其焊接拉力比PERC电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]，可以进行大规模量产。研究人员还对使用ECA焊接的光伏组件进行了各种环境实验，发现经过筛选的ECA 可以通过TC600和HD2000测试。

从成本方面来看，使用含银导电胶带或ECA的成本都要高一些，但是使用ECA之后对于焊带低温焊接特性的要求低很多。直接使用常规焊带进行焊接时，必须降低焊接温度、缩短焊接时间，这就要求在常规的铜或铜银焊带外面包覆低温金属(如Bi等)，如此也需要增加成本。此外，对于MBB技术，由于其焊点接触面积很小，是否能够使用常规焊接技术进行焊接并得到高的拉力和通过环境测试实验，也需要进行大量的研究。(待续)