HJT 太阳电池光注入退火工艺的增效研究

黄惜惜，姜利凯，赵桂香*，李世宇，张中建，高荣刚

(1.中节能太阳能科技(镇江)有限公司，镇江 212132；2.中节能太阳能股份有限公司，北京 100082)

0 引言

目前，光伏行业的主流太阳电池技术是p 型发射极钝化和背面接触(PERC)太阳电池技术，但此类太阳电池的光电转换效率、良率及成本已逐渐接近极限，发展进入瓶颈，产品竞争力与新技术产品相比必然会持续下降。近年来，n 型太阳电池中的异质结(HJT)太阳电池因具有光电转换效率高、衰减率低、双面率高、工艺简单、大尺寸化、薄片化等优势，得到了广泛关注和深入研究[1-4]。

目前，HJT 太阳电池的平均量产光电转换效率达到24.5%以上，实验室光电效率能达到26.81%(截至2023 年5 月)[5]。未来几年，n 型HJT 太阳电池有望取代p 型PERC 太阳电池，成为太阳电池市场的主流技术[6]。当前，HJT 太阳电池还未实现规模化量产，成本较高是阻碍此类太阳电池推广的主要原因[7]。HJT 太阳电池的降本途径有很多，包括设备国产化、硅片薄片化、采用银包铜浆料、使用无铟靶材、提升光电转换效率等，其中，提升HJT 太阳电池的量产光电转换效率是降低其成本的有效途径，而对低温固化后的HJT 太阳电池进行光注入退火可有效提升其光电转换效率[8]。

前期，研究者认为光注入退火工艺主要是用于抑制PERC 太阳电池的光致衰减(LID)和热辅助光致衰减(LeTID)问题。姜倩等[9]认为PERC太阳电池存在一定的LeTID 问题，通过光注入退火可缓解此类太阳电池的后期衰减。周肃等[10]研究发现，PERC 多晶硅太阳电池经过光注入退火后，LID降低的同时光电转换效率提升了0.03%左右。中国可再生能源学会光伏专业委员会在《2020 年中国光伏技术发展报告——晶体硅太阳电池研究进展》[11]中提到，近年来国内光伏企业普遍采用载流子注入的方法对PERC 太阳电池进行处理，以此来避免太阳电池在出厂使用时的LID 问题。

后期有研究者发现[12]，n 型太阳电池采用光注入退火工艺也可以提升太阳电池的光电转换效率。魏凯峰等[13]研究发现，n-TOPCon 太阳电池经过光注入退火后其光电转换效率至少提升了0.1%，且开路电压Voc与填充因子FF均提升比较明显，而其他电性能参数则没有变化。Kobayashi 等[14]研究发现，对HJT 太阳电池在光照的同时进行退火温度200 ℃、退火时间3 min 的热退火处理，其光电转换效率提升约0.3%。南昌大学的曾庆国[15]对HJT 太阳电池光注入退火增效进行了深入研究，其认为HJT 太阳电池经过光注入退火处理后绝对光电转换效率可提升0.3%以上；其还认为，HJT 太阳电池光注入退火处理增效的机理是：光照可以破坏太阳电池内部物理成键方式的Si-H 的组态，并由热作用提供能量释放氢原子，对缺陷和界面悬挂键进行钝化，释放完氢原子后形成的硅悬挂键在一定温度下易发生重组，形成Si-Si 强键，进而起到增效作用。

本文针对HJT 太阳电池n 面光注入退火时，光注入退火时间和温度对其光电转换效率的影响进行研究，并进一步分析双面光注入退火对HJT太阳电池光电转换效率的影响，最后针对光注入退火处理对不同光电转换效率档位HJT 太阳电池增效的影响进行研究。

1 实验过程

本实验采用隆基绿能科技有限公司生产的n型单晶硅片作为衬底，硅片尺寸为166 mm×166 mm，硅片厚度为140 ～150 μ m，硅片电阻率为1 ～7 Ω·cm。在HJT 太阳电池生产线上，在经过制绒清洗步骤的n 型硅片衬底正面依次沉积本征非晶硅层和n 型掺杂非晶硅层，在n 型硅片衬底背面依次沉积本征非晶硅和p 型掺杂非晶硅层；然后在正背面双面非晶硅层上沉积氧化铟锡(ITO)透明导电膜；最后在双面ITO 透明导电膜表面通过丝网印刷技术分别印刷银栅线，通过烘干、固化后形成具有良好欧姆接触的金属银电极，最终制备成HJT 太阳电池。

实验采用载板式光注入退火炉对制备的HJT太阳电池单面进行光注入退火处理，光注入退火炉光源的光照强度恒定为1000 W/m2，实验过程改变光注入退火时间和光注入退火温度；然后采用同样的光注入退火炉，在光注入退火时间和光注入退火温度确定的情况下，对不同光电转换效率的HJT 太阳电池进行双面光注入退火处理。采用德国的Halm 电性能测试仪在标准测试条件(STC)(即光照强度为1000 W/m2、光谱为AM1.5、温度为25 ℃)下，测试HJT 太阳电池光注入退火前后的光电转换效率。

2 实验结果与讨论

2.1 光注入退火时间对HJT 太阳电池光电转换效率的影响

将光注入退火温度统一设置为200 ℃，光注入退火时间分别设置为50、75、100、125、150 s，共进行5 组实验。每组实验选择100 片光电转换效率在23.50%左右的HJT 太阳电池样品，分别测试其光注入退火前后的光电转换效率。在光注入退火温度为200 ℃的条件下，经过不同光注入退火时间处理的HJT 太阳电池光电转换效率变化情况如图1 所示。

图1 不同光注入退火时间对HJT 太阳电池光电转换效率的影响Fig. 1 Effect of different light injection annealing times on the photoelectric conversion efficiency of HJT solar cells

从图1 可以看出：在50～100 s 范围内，随着光注入退火时间的增加，太阳电池光电转换效率的提升幅度逐渐增大，提升幅度从0.21%增至0.37%。而当光注入退火时间超过100 s 后，随着光注入退火时间的增加，太阳电池光电转换效率的提升幅度基本不变，提升幅度基本维持在0.37%左右。光注入退火的机理是在光热作用下激活太阳电池内部的氢原子，激活的氢原子对太阳电池的缺陷和界面悬挂键进行钝化，从而减少了缺陷复合中心，降低了载流子复合，进而起到增效的作用[15-16]。随着光注入退火时间的增加，被激活的氢原子的量增加，从而可以钝化更多的缺陷，当光注入退火时间超过100 s 后，太阳电池内部激活的氢原子的量不再增加，所以随着光注入退火时间的增加，光电转换效率提升幅度几乎不再增加。

2.2 光注入退火温度对HJT 太阳电池光电转换效率的影响

将光注入退火时间设置为100 s，将光注入退火温度分别设置为140、170、200、230、260 ℃，共进行5 组实验。每组实验选择100 片光电转换效率在23.50%左右的HJT 太阳电池样品，分别测试其光注入退火前后的电性能。在光注入退火时间为100 s 的条件下，经过不同光注入退火温度处理的HJT 太阳电池光电转换效率变化情况如图2 所示。

图2 不同光注入退火温度对HJT 太阳电池光电转换效率的影响Fig. 2 Effect of different light injection annealing temperatures on the photoelectric conversion efficiency of HJT solar cells

从图2 可以看出：在140～260 ℃范围内，随着光注入退火温度的升高，HJT 太阳电池光电转换效率的提升幅度先增加后降低；当光注入退火温度提升至200 ℃左右时，HJT 太阳电池光电转换效率的提升幅度最大，随着光注入退火温度进一步升高，HJT 太阳电池光电转换效率的提升幅度反而降低；当光注入退火温度升高到230 ℃后，HJT 太阳电池的光电转换效率急骤下降，这可能是因为该光注入退火温度破坏了HJT 太阳电池的非晶结构。

当光注入退火温度在200 ℃以下时，随着温度的提升可以激活HJT 太阳电池内部更多的氢原子，能够钝化更多的缺陷和界面悬挂键，光电转换效率的提升幅度增加。由于高温易使杂质扩散从而影响非晶硅层质量，进而影响钝化效果，所以HJT 太阳电池的制备过程通常采用低温工艺，一般不超过 200 ℃，而常规太阳电池的制备工艺温度可能高达 800 ℃。当光注入退火温度大于200 ℃时，随着温度的升高，非晶硅层质量受到损伤，钝化效果变差，从而导致HJT 太阳电池光电转换效率下降，因此光注入退火的最佳温度为200 ℃。

2.3 光注入退火处理对不同光电转换效率档位HJT 太阳电池效率提升的影响

将光注入退火时间设置为100 s、光注入退火温度设置为200 ℃，分别选取光电转换效率档位为20.55%、21.63%、22.00%、22.87%、23.77%、24.12%的6 组HJT 太阳电池进行实验，每组太阳电池均为100 片。相较于未进行光注入退火处理的太阳电池，n 面光注入退火处理后6 个光电转换效率档位太阳电池的效率提升情况如图3 所示。

图3 光注入退火处理后6 个光电转换效率档位太阳电池的效率提升情况Fig. 3 Efficiency improvement of solar cells with six photoelectric conversion efficiency levels after light injection annealing treatment

从图3 可以看出：在相同光注入退火条件下，HJT 太阳电池的光电转换效率提升幅度随着光电转换效率档位的提升而降低，这主要是因为光电转换效率较低的HJT太阳电池的缺陷较多，通过光注入退火可以钝化更多的缺陷；而光电转换效率较高的HJT 太阳电池表面和内部的缺陷较少，从而可以钝化的缺陷也较少，减少的复合中心也同样较少。因此，在光注入退火条件下，HJT 太阳电池的光电转换效率越低，其光电转换效率提升效果越显著。

2.4 双面光注入退火对HJT 太阳电池光电转换效率的影响

将光注入退火时间设置为100 s、光注入退火温度设置为200 ℃，分别选取4 组光电转换效率为22.15%、22.67%、23.27%、23.95%的HJT太阳电池各100 片进行实验，先对HJT 太阳电池的n 面进行光注入退火处理，然后测试HJT太阳电池的光电转换效率；之后再对p 面进行光注入退火处理，此时p 面相当于进行了两次光注入退火处理，因为HJT 太阳电池是双面对称的太阳电池，n 面为其正面，通常是迎光面，当对n 面进行光注入退火时，太阳电池内部激活的氢原子同样可到达太阳电池背面，即到达p 面；然后再次测试HJT 太阳电池的光电转换效率，测试结果如图4 所示。

图4 不同光注入退火处理后的HJT 太阳电池光电转换效率Fig. 4 Photoelectric conversion efficiency of HJT solar cells after annealing with different light injection treatments

相较于未进行光注入退火处理的HJT 太阳电池的光电转换效率，不同光注入退火处理后的HJT 太阳电池光电转换效率提升情况如图5所示。

图5 不同光注入退火处理后的HJT 太阳电池光电转换效率提升情况Fig. 5 Enhancement of photoelectric conversion efficiency of HJT solar cells after annealing with different light injection treatments

从图4、图5 可以看出：对HJT 太阳电池n面进行光注入退火处理后，HJT 太阳电池的光电转换效率得到了明显提升；而p 面进行二次光注入退火处理后，HJT 太阳电池的光电转换效率提升幅度非常小，基本没有变化，这是因为对n 面进行光注入退火后p 面同样达到了良好的钝化效果，所以再对p 面进行光注入退火处理后并未激发出更多的氢原子，导致太阳电池双面都进行光注入退火不能达到光电转换效率叠加提升的效果[15]。所以在HJT 太阳电池量产中只需要对n 面进行光注入退火即可，既可节约成本又能达到钝化效果。

3 结论

本文针对n 面光注入退火时，光注入退火时间和温度对HJT 太阳电池光电转换效率的影响进行了研究，并进一步分析了双面光注入退火对太阳电池光电转换效率的影响，最后研究了光注入退火处理对不同光电转换效率档位HJT太阳电池增效的影响。研究结果显示：1)随着光注入退火时间的增加，HJT 太阳电池光电转换效率提升幅度先增加后基本保持稳定；2)随着光注入退火温度的增加，HJT 太阳电池光电转换效率提升幅度先增加后减小；3)HJT 太阳电池双面都进行光注入退火处理不能达到光电转换效率叠加提升的效果；4) 光注入退火处理对光电转换效率低的HJT太阳电池的增效效果更好，主要是因为光电转换效率低的太阳电池内部及表面缺陷更多。