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1 HJT電池簡介

HJT是Heterojunction with Intrinsic Thin-layer的縮寫，意為本征薄膜異質(zhì)結(jié)。該類型太陽能電池最早由日本三洋公司于1990年成功開發(fā)，當(dāng)時轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到14.5%（4mm2的電池）。后來在三洋公司的不斷改進(jìn)下，三洋HJT電池的轉(zhuǎn)換效率2014年達(dá)到24.7%，2015年達(dá)到25.6%。下表為三洋公司的HJT電池的發(fā)展進(jìn)程。

在2008年開始向薄片化發(fā)展，后續(xù)的研發(fā)和生產(chǎn)中采用了97μm的N型晶體硅作為襯底；2010年電池產(chǎn)能達(dá)到了600MW；2015年三洋的HJT專利保護(hù)結(jié)束，技術(shù)壁壘消除，是我國大力發(fā)展和推廣HJT技術(shù)的大好時機(jī)。

2 HJT電池的結(jié)構(gòu)和原理

圖1 是HJT 太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖。它是以n型單晶硅片為襯底，在經(jīng)過清洗制絨的n 型c-Si正面依次沉積厚度為5~10nm 的本征非晶硅薄膜（i-a-Si:H）、p型非晶薄膜（p-a-Si:H），從而形成p-n異質(zhì)結(jié)。在硅片背面依次沉積厚度為5~10nm的i-a-Si:H薄膜、n型非晶硅薄膜（n-a-Si:H）形成背表面場。在摻雜a-Si:H薄膜的兩側(cè)，再沉積透明導(dǎo)電氧化物薄膜（TCO），最后通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)在兩側(cè)的頂層形成金屬集電極。

三洋最初成功制備的HJT電池結(jié)構(gòu)如圖1，經(jīng)過近25年的研究開發(fā)，最終形成了目前的電池結(jié)構(gòu)如圖2；為降低表面光學(xué)損失進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率，三洋將HJT和IBC電池技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)了HBC電池，該電池保持著目前的世界紀(jì)錄25.6%。

HJT電池的關(guān)鍵在于該結(jié)構(gòu)的電池在a-Si/c-Si之間插入了i-a-Si。i-a-Si/c-Si的界面態(tài)比a-Si/c-Si的更低，采用該結(jié)構(gòu)可以大幅降低c-Si的表面復(fù)合，從而獲得很高的開路電壓。三洋公司2013年效率24.7%的電池開路電壓高達(dá)750毫伏。

3 HJT電池的特點和優(yōu)勢

（1）無PID現(xiàn)象

由于電池上表面為TCO，電荷不會在電池表面的TCO上產(chǎn)生極化現(xiàn)象，無PID現(xiàn)象。同時實測數(shù)據(jù)也證實了這一點。

（2）低制程溫度

HJT電池所有制程的加工溫度均低于250℃，避免了生產(chǎn)效率低而成本高的高溫擴(kuò)散制結(jié)的過程，而且低溫工藝使得a-Si薄膜的光學(xué)帶隙、沉積速率、吸收系數(shù)以及氫含量得到較精確的控制，也可避免因高溫導(dǎo)致的熱應(yīng)力等不良影響。

（3）高效率

HJT電池一致在刷新著量產(chǎn)的電池轉(zhuǎn)換效率的世界紀(jì)錄。HJT電池的效率比P型單晶硅電池高1-2%，而且之間的差異在慢慢增大。

（4）高光照穩(wěn)定性

在HJT太陽能電池中不會出現(xiàn)非晶硅太陽能電池中常見的Staebler-Wronski效應(yīng)。同時HJT電池采用的N型硅片，摻雜劑為磷，幾乎無光致衰減現(xiàn)象。

（5）可向薄型化發(fā)展

HJT電池的制程溫度低，上下表面結(jié)構(gòu)兌成，無機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生，可以順利實現(xiàn)薄型化；另外經(jīng)研究，對于少子壽命較高（SRV<100cm>）的N型硅基底，片子越薄可以得到越高的開路電壓。如圖4所示。

（6）較低的溫度-轉(zhuǎn)換效率系數(shù)

HJT電池的典型溫度-轉(zhuǎn)換效率系數(shù)為-0.29%，遠(yuǎn)低于常規(guī)晶硅電池的-0.45%，這得益于典型的電池結(jié)構(gòu)和很高的開路電壓。在電站應(yīng)用端，低的溫度系數(shù)可以得到更高的發(fā)電收益。

4 存在的問題

（1）設(shè)備投資高。由于采用了薄膜沉積的技術(shù)，需要用到高要求的真空設(shè)備；

（2）工藝要求嚴(yán)格。要獲得低界面態(tài)的非晶硅/晶體硅界面，對工藝環(huán)境和操作要求也較高；

（3）需要低溫組件封裝工藝。由于HJT 電池的低溫工藝特性，不能采取傳統(tǒng)晶體硅電池的后續(xù)高溫封裝工藝，需要開發(fā)適宜的低溫封裝工藝。

5 HJT電池、組件發(fā)展現(xiàn)狀及未來展望

在HJT 太陽電池的研發(fā)和生產(chǎn)領(lǐng)域，日本Panasonic-Sanyo（2012年Sanyo太陽能電池并入Panasonic）可謂一枝獨秀。松下HIT電池保持著目前轉(zhuǎn)換效率的世界紀(jì)錄，為25.6%，其組件效率也已經(jīng)達(dá)到了22.5%，是目前市場上主流的HJT電池和組件供應(yīng)商。

• 1994年，三洋在1cm2面積上制備出轉(zhuǎn)換效率達(dá)20%的HIT電池，HIT 電池的研究工作取得突破性進(jìn)展。

• 1997年，三洋推出了商業(yè)化的HIT電池設(shè)計和制造方法。

• 2013年，松下報道其商業(yè)規(guī)模的HIT電池最高電池效率達(dá)24.7%（電池面積約100cm2）。

• 2014年4月，松下將IBC技術(shù)與HIT技術(shù)結(jié)合，研發(fā)出的HIT-IBC太陽電池最高效率達(dá)25.6%（電池面積143.7cm2），一舉打破了晶體硅電池轉(zhuǎn)換效率的世界紀(jì)錄，并將這個最高效率保持至今。

圖3 松下制備的效率為25.6 %的HBC電池結(jié)構(gòu)及測試數(shù)據(jù)，表1為HJT及其他高效電池研究現(xiàn)狀匯總。

表1 HJT電池研究現(xiàn)狀匯總

隨著技術(shù)的進(jìn)步，HIT電池的效率不斷提高，其組件的輸出功率也越來越大。

• 1997年，三洋開始HIT電池的量產(chǎn)，并推出了命名為HIT Power 21TM的太陽電池組件，該組件采用96片面積約100 cm2、效率約17.3%的HIT電池封裝而成，組件效率為15.2%，輸出功率達(dá)180Wp。

• 2003年4月，三洋商業(yè)化了功率為200Wp的HIT組件，該組件效率為17%，所用的電池效率達(dá)19.5%。

• 2011年，三洋推出了240Wp的N系列HIT組件，它由72片125mm×125mm（約5inch）的HIT 電池封裝而成，組件效率達(dá)19%，所用的電池效率達(dá)21.6%。

• 2014 年初，松下推出N系列72片電池的245Wp的組件，組件轉(zhuǎn)換效率達(dá)到19.4%。

• 2015年，松下推出由96片5inch電池構(gòu)成的HIT N330系列組件，組件面積1.053m×1.590m，組件轉(zhuǎn)換效率19.7%，STC下輸出功率達(dá)到330Wp。

松下HIT系列組件瞄準(zhǔn)歐洲和日本的住宅屋頂市場，主要由其最先進(jìn)的馬來西亞一體化組件廠生產(chǎn)。目前，松下HIT產(chǎn)線總產(chǎn)能約900MW，計劃到2016年3月將其總產(chǎn)能將提升至1GW以上。圖4是HJT組件制造商情況。

HJT組件制造商

目前較成熟的其他HJT技術(shù)供應(yīng)商主要有：KANEKA（得益于非晶硅薄膜領(lǐng)域多年的耕耘和技術(shù)積累，轉(zhuǎn)換效率25.1%）、SUNPREME（運用Tandem串聯(lián)結(jié)構(gòu)和優(yōu)化ITO等防反射材料，在印刷銀線和鍍銅兩種工藝上的效率分別為22%和22.5%）、Roth&Rau（磁控濺射、全鋁背電極、鍍銅柵線、兩次印刷、高的高寬比，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到22.8%）。

此外，主流光伏設(shè)備供應(yīng)商梅耶博格（MeyerBurger）于2014年11月正式開啟其在瑞士的異質(zhì)結(jié)太陽電池中試線；美國光伏安裝商SolarCity 在2014年9月宣布破土動工其位于紐約州的新1GWp工廠，技術(shù)來源于其所收購的Silevo公司（賽昂電力）的隧道異質(zhì)結(jié)型太陽電池；我國在“十二五”期間啟動了基于中試水平的MW級薄膜硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)的863項目，中科院電工所等承擔(dān)相關(guān)研究工作。國內(nèi)新奧集團(tuán)、嘉興上澎已實現(xiàn)異質(zhì)結(jié)電池量產(chǎn)，國內(nèi)其他企業(yè)如山西晉能集團(tuán)、協(xié)鑫集成、天津中環(huán)、福建鈞石等都在進(jìn)行量產(chǎn)準(zhǔn)備。

這些技術(shù)供應(yīng)商從提高效率和降低成本兩方面開發(fā)了一系列的新型工藝，正在一步步的推進(jìn)HJT高效電池的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。在不久的將來，HJT電池技術(shù)因其高效、高可靠性及相對簡單的低溫工藝制程等特點，有望成為市場的主流。