電池面積143.7cm2、STC光電轉(zhuǎn)換效率25.6%！沒錯，今天我們將全方位呈現(xiàn)給您晶體硅（基）高效太陽能電池的狀元——HIT電池的情況。下周，我們更將祭出大殺器——各類高效電池匯總分析，敬請期待。
HIT太陽能電池是hetero-junction with intrinsic thin-layer太陽能電池的簡稱，意為本征薄膜異質(zhì)結(jié)。常規(guī)太陽電池的p-n 結(jié)是由導(dǎo)電類型相反的同一種材料—晶體硅組成的，屬于同質(zhì)結(jié)電池；而HIT 太陽電池的p-n 結(jié)是由兩種不同的半導(dǎo)體材料—非晶硅/ 晶體硅組成，屬于異質(zhì)結(jié)電池。
一、HIT太陽電池的結(jié)構(gòu)和特點
圖1 是HIT 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。
圖1 HIT電池的基本結(jié)構(gòu)示意圖
從上面的敘述看出，HIT 太陽電池結(jié)構(gòu)和工藝與常規(guī)晶體硅太陽電池有很大的區(qū)別。但是HIT 太陽電池結(jié)合了晶體硅電池和硅基薄膜電池的優(yōu)點。
優(yōu)點
（1）結(jié)構(gòu)對稱，可制成雙面電池。
HIT 電池是在單晶硅片的兩面分別沉積本征層、摻雜層、TCO 以及印刷電極，這種對稱結(jié)構(gòu)便于減少工藝設(shè)備和步驟。同時由于HIT電池的對稱結(jié)構(gòu)，正反面受光照后都能發(fā)電，可以做成雙面電池組件。圖2是松下推出的HIT雙面組件HITTM Double正面及背面照片。
圖2 HIT雙面組件的正面和背面照片
在同樣的光照條件下，HIT 雙面組件后面能產(chǎn)生的電流約為前面的80%，因此其發(fā)電量比單面組件要多。以一個安裝實例來比較全年發(fā)電情況，從圖3可見，雙面發(fā)電量平均要高出10%以上。
圖3 HIT雙面組件與HIT單面組件一年中的輸出功率比較
（2）低溫制造工藝，有效地保護(hù)載流子壽命
HIT 電池由于采用硅基薄膜形成p-n結(jié)，因而最高工藝溫度就是非晶硅薄膜的形成溫度（約200℃），從而避免了傳統(tǒng)熱擴(kuò)散型晶體硅太陽電池形成p-n結(jié)的高溫（約900℃）。而且采用低溫工藝可使硅片的熱損傷和變形減小，可以使用薄型硅片做襯底，有利于降低材料成本。
（3）高開路電壓特性，轉(zhuǎn)換效率高
由于是在晶體硅和摻雜薄膜硅之間插入了本征薄膜i-a-Si:H，且PECVD沉積非晶硅薄膜過程中產(chǎn)生的原子氫能對其界面進(jìn)行鈍化，更有效地降低晶體硅表面的缺陷，因此HIT 電池的開路電壓比常規(guī)電池要高許多，從而能夠獲得高的光電轉(zhuǎn)換效率。
（4）溫度特性好，實際應(yīng)用中發(fā)電輸出高
太陽電池的性能數(shù)據(jù)通常是在25℃的標(biāo)準(zhǔn)條件下測量的，然而光伏組件的實際應(yīng)用環(huán)境是室外，高溫下的電池性能尤為重要。當(dāng)太陽電池組件的工作溫度升高時，其輸出功率和轉(zhuǎn)換效率隨溫度的升高而下降。由于HIT 電池結(jié)構(gòu)中的非晶硅薄膜/晶體硅異質(zhì)結(jié)，其溫度特性更為優(yōu)異，其溫度系數(shù)為-0.25%/℃，僅為晶體硅電池的溫度系數(shù)-0.45%/℃的一半左右，使得HIT電池在光照升溫情況下比常規(guī)電池有好的輸出。圖4是STC條件下功率相同的HIT組件與常規(guī)晶體硅組件一天中的發(fā)電量比較，從中可見，HIT組件能多發(fā)電8%～10%。
圖4 HIT組件與常規(guī)晶體硅組件一天中的發(fā)電功率與溫升對比
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HIT 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。
二、HIT太陽電池及組件及應(yīng)用
在HIT 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。
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5是25.6%的HIT電池的結(jié)構(gòu)示意圖及測試數(shù)據(jù)。
圖5 松下制備的效率為25.6 %的HIT電池結(jié)構(gòu)及測試數(shù)據(jù)
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6是松下公司介紹N330系列HIT 組件的說明圖。
圖6 松下HITN330組件說明圖
三、總結(jié)與展望
HIT太陽電池組件是目前已經(jīng)量產(chǎn)的高效率硅基太陽電池組件，與常規(guī)晶體硅太陽電池組件相比，其單位面積的發(fā)電量要高出20%左右；由于HIT電池組件較低的溫度系數(shù)，溫度升高后效率和輸出功率下降得相對更少，比常規(guī)晶體硅太陽電池組件在一天中能多發(fā)電8%～10%。同時，由于結(jié)構(gòu)對稱，能夠制作成雙面HIT 電池組件，HIT雙面組件比單面組件能多發(fā)電10%以上。因此，使用高效率的HIT太陽電池組件能充分節(jié)省土地資源和屋頂資源，在分布式光伏電站中表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
隨著松下公司關(guān)于HIT太陽電池的主體專利在2010年到期，國內(nèi)外諸多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)都加大了對HIT太陽電池的研發(fā)與投入。主流光伏設(shè)備供應(yīng)商梅耶博格（Meyer Burger）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，超日太陽能、中科院電工所等承擔(dān)相關(guān)研究工作。未來隨著HIT太陽電池組件的效率進(jìn)一步提升，生產(chǎn)成本逐步下降，它將與常規(guī)晶體硅太陽電池組件競爭，必將得到廣泛的應(yīng)用。
參考材料：
【1】高效HIT 太陽電池組件及其應(yīng)用，李正平、沈文忠，《上海節(jié)能》，2015年第1期。
鑒衡認(rèn)證
微信號：ChinaCGC
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