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異質結技術:通往高效組件大規模生產之路

摘要

異質結技術是目前硅光伏行業積極討論的熱門話題。Hevel最近成為首批采用其舊的微晶組件生產線用于生產高效硅異質結(SHJ)太陽能電池和組件的公司之一。根據Hevel自身的經驗,本文將介紹從硅片制絨到最終組件封裝的所有生產步驟。

引文

近年來,硅光伏產業中的許多太陽能電池和組件生產商被迫升級現有生產線使其適應新技術的生產,從而能夠向市場提供高效和低成本的組件。最常見的升級改造是從Al背面場(Al-BSF)到鈍化發射機和背電池(PERC)技術,因為后者能與用于標準技術的現有生產線兼容。不過,依靠氫化非晶硅(a-Si:H)實現優異的晶體硅(c-Si)表面鈍化性將使得將硅薄膜生產線上成本最高的部分—稱為等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)系統用在硅異質結(SHJ)技術上成為可能,并且最近已經由Hevel LLC實現。

“SHJ太陽能電池的簡單結構,結合其高效率和低溫處理的優勢,使它們對光伏產業非常有吸引力”

SHJ太陽能電池的簡單結構,結合其高效率和低溫處理的優勢,使它們對光伏產業非常有吸引力。這就是為什么Hevel已決定將其非晶硅/微晶硅生產線(其中包括了大量的PECVD系統(從TEL太陽能KAI-MT PECVD反應器))進行現代化改造,并使之成為一條新的SHJ產線。Hevel是在2017年4月份使用由其公司內部薄膜技術研發中心(TFTE—Hevel一個研發部門)開發的SHJ太陽能電池技術成功實現向SHJ太陽能電池和組件生產線轉型的。

在該轉型項目的第一階段,年產能從最初的97MWp(非晶硅/微晶硅生產線)增加到160MWp,大規模生產SHJ電池的平均效率為21%。Hevel選擇Meyer Burger的SmartWire電池技術(SWCT)用于SHJ組件封裝的互連。在項目的第二階段(2017年6月至2019年5月),Hevel生產線的生產能力增加到了260MWp,大規模生產的平均電池效率為22.8%。

技術開發

從圖1中可以看到,SHJ電池的結構非常簡單,并且僅需要6道工藝制造步驟。通常,SHJ電池由n型c-Si硅片制成,該硅片在兩側涂覆有薄的本征和摻雜的a-Si:H層。厚度只有幾納米的超薄本征a-Si:H層對SHJ電池的性能有著至關重要的影響。這些層的作用是通過化學鈍化c-Si硅片表面上的懸空鍵以形成Si-Si和Si-H鍵來抑制表面復合的,以及防止在沉積摻雜層期間由摻雜劑原子產生缺陷。摻雜的層完全被氧化銦錫(ITO)膜覆蓋,然后使用低溫導電(LTC)Ag漿料絲網印刷接觸金屬柵格以進行電流收集。為了增強ITO層和接觸柵格的性能,需要進行一次低溫退火。

異質結技術:通往高效組件大規模生產之路

圖一:(a)傳統SHJ太陽能電池的剖面結構圖。(b)SHJ電池的主要制造工藝步驟。

用于SHJ電池的硅片

與所有高性能c-Si太陽能電池的情況一樣,硅片質量是實現高效SHJ電池的關鍵。雖然文獻中報道的記錄效率值是使用高純度浮區(FZ)c-Si硅片制造的,但Czochralski工藝的發展和多晶硅質量的不斷提高使得在不大幅提高成本的情況下有效降低CZ硅片中的雜質濃度。結果,最近SHJ電池的開路電壓(Voc)值達到了750mV。

到目前為止,只有單晶CZ硅片已被用于SHJ太陽能電池的大規模制造。用于高效太陽能電池的單晶硅片的電學特性由雜質和摻雜劑濃度決定。由于這些參數的測量需要使用在大規模生產過程中難以應用的特殊技術,因此在實際生產中通常測量少數載流子壽命和硅片電阻,并成為檢測硅片或硅錠質量的主要參數。這些參數通常沿著硅錠和硅錠之間變化,它們的變化曲線取決于硅錠生長過程和后處理的細節。因此,已經提出使用測量的壽命/電阻比值作為硅片和異質結質量的累積表征值。最近的研究還表明,對于Voc> 750mV的SHJ電池必須使用壽命—電阻率大于4ms /Ωcm的鈍化硅片。

SHJ技術在降低成本方面最顯著的優勢是所有工藝步驟均在低溫(<250°C)下進行,這有利于在SHJ太陽能電池生產中使用薄硅片。金剛石線鋸技術的應用使得硅片切片技術不斷進步,目前可以實現厚度小于160μm的低成本硅片的大規模生產。最近在SHJ生產過程中甚至成功實現了切割厚度為150μm的硅片,同時不增加組件功率損耗,如圖2所示。雖然SHJ電池厚度的進一步減小也可能不會導致效率的大幅損失,但要實現薄硅片的大規模生產目前還是受到了操作過程的限制,例如操作不當會導致硅片破損率過高。

當電池生產將切割硅片厚度降到150μm時,Isc的輕微下降可由Voc增益部分地補償回來,從而使效率損失控制在非常小的程度(<0.1%)。在組件層面,電池效率的損失則可以通過電池—組件(CTM)比率降低10%完全補償回來。硅片厚度降低到150μm帶來的總體平均收益使每塊組件功率提升1-1.5W。

最近一次對硅片的更新是在2019年5月進行的?,F有的SHJ生產線能夠適用于尺寸為157.35mm×157.35mm(M2 +硅片)的硅片生產?;谶@種硅片進行電極接觸網格的優化設計可以使每片電池功率增加0.15W(圖3)。 Hevel研發中心目前還使用M4和M6硅片以及氧濃度更低的硅片和全方形硅片進行進一步開發。

硅片制絨和清潔

與其他c-Si 光伏技術一樣,SHJ電池生產流程的第一步是濕化學處理。通常包含以下步驟:

? 蝕刻硅片的高缺陷表面部分(表面損傷蝕刻—SDE)。

? 形成特殊的表面形貌(制絨),減少硅片表面(TEX)的光反射。

? 清潔硅片表面以去除有機和金屬雜質。

“生產高效SHJ電池需要強化清潔程序”

雖然基于各向同性(SDE)和各向異性(TEX)堿性蝕刻的前兩個步驟與其他硅光伏技術中的相似,但最后一步卻有較大差異。為了獲得高質量的表面鈍化,硅片表面應該保持格外干凈。因此,生產高效SHJ電池需要強化清潔程序;這包括從c-Si硅片表面去除殘留的有機、離子和金屬污染物(源自濕法蝕刻/制絨溶液)。此外,在每次化學處理之間使用重去離子(DI)水沖洗步驟。濕化學處理以短暫的HF浸漬結束,目的是在a-Si:H PECVD工藝之前去除原生氧化物并用氫原子鈍化c-Si表面。

Hevel一直致力于穩定和優化硅片制絨和清潔工藝。其中一項優化步驟是向單組分制絨添加劑轉變;這有助于增加壽命并減少化學試劑的消耗。

異質結技術:通往高效組件大規模生產之路

圖二:硅片厚度為150um時的結果。

異質結技術:通往高效組件大規模生產之路

圖三:大面積硅片(M2+)的性能表現。

表面鈍化和結形成

高質量的表面鈍化是提升高效硅基太陽能電池Voc值的關鍵。而在c-Si硅片和摻雜的a-Si:H層之間插入薄的(<10nm)氫化非晶硅(a-Si:H)層可以有效提升Voc值。在過去的二十年中,許多研究團隊已經大大改善了SHJ電池的表面鈍化,使Voc值接近750mV;這一結果已經接近理論極限(760mV),足以顯示該技術的特殊吸引力。

通常,a-Si:H / c-Si界面應該控制在原子級厚度,這是保證良好表面鈍化的必要條件,這意味著避免了硅外延生長,即沒有形成結晶材料。這可以通過在沉積過程中適當調整a-Si:H膜性質來實現。實際上,a-Si:H層通常是采用PECVD方法在接近200℃溫度下的純硅烷或硅烷—氫混合物中的平行板電容耦合等離子體放電進行生長的。表面鈍化的最關鍵工藝參數似乎是氫—硅烷氣體流量比和RF功率密度,而氣體壓力可能影響膜厚度均勻性。

摻雜層的性質也會對電池性能產生很大影響:例如,適當調整n層的厚度和摻雜分布可以使電池效率增加0.5%,而調整p層的收益約為0.1%。

“提高背面ITO層透明度并減薄厚度可以提高電池效率,這是因為能夠更好利用IR部分光譜的光線”

透明導電氧化物

ITO層通常在SHJ電池中用作透明導電氧化物層,對其特性進行優化非常關鍵,特別是對于雙面HJT太陽能電池。在Hevel的研發中心進行了對ITO濺射磁控管靶的各種化學計量含量的研究。發現提高背面ITO層透明度并減薄厚度可以提高電池效率,這是因為能夠更好利用IR部分光譜的光線。這一改進可以使組件功率增加3.7W,因為CTM損失較低,并且能夠降低電池生產成本,因為90:10的ITO目標比標準的97:3 ITO目標便宜約6%。2018年第一季度Hevel的生產線上第一次采用了優化的ITO配比。

異質結技術:通往高效組件大規模生產之路

圖四:通過在磁控濺射期間添加Ar/H2混合氣體對ITO層的優化結果。

用于ITO層優化的另一種方法是在磁控濺射期間添加Ar/H2混合物(圖4);這種方法可以使每片電池的功率增加20mW。此外,目前還在試驗許多其他具有更高霍爾遷移率的磁控靶材。其中一些靶材料已經在Hevel的研發中心進行了測試,并得到了令人鼓舞的結果,這些結果也在實際產線的進一步測試中得到證明。

為了盡可能降低電池生產成本,現在正在考慮使用稱為狗骨靶材的新材料。這種靶材可以降低靶材消耗,從而進一步降低電池生產成本。我們已經做了一些額外的改進工作,其中包括對物理氣相沉積(PVD)托盤進行優化,同時修改接觸電極網格的設計以盡可能降低非有效區域造成的損失。采用上述電池進行封裝的組件實現了1.8W的平均功率提升。

金屬化

與傳統的同質結c-Si太陽能電池相比,制造SHJ太陽能電池的工藝要求具有幾個優點。第一個優點是異質結形成期間的低熱預算;a-Si:H和ITO層的沉積溫度通常低于250℃。其次,對于SHJ電池,形成a-Si:H/c-Si結和接觸層所需的時間也比基于熱擴散工藝的常規c-Si太陽能電池短。第三,SHJ太陽能電池的低工藝溫度和對稱結構,抑制了硅片翹曲。

然而,使用低溫工藝也存在弊端,主要是標準的燒穿金屬化技術(燒制溫度在800-900℃范圍內)不能用于SHJ電池。這是因為a-Si / c-Si異質結不能承受高于200-250℃的工藝溫度,此時來自異質結內表面的氫氣滲出會對電池性能產生不利影響。由于這個原因,通過絲網印刷對SHJ電池進行金屬化時需要使用低固化溫度(LCT)銀漿,這是目前用于金屬柵格沉積的最先進技術。

表一:羅列了標準和優化BOM后的I-V特性結果平均生產值,包括電池功率的優化。

異質結技術:通往高效組件大規模生產之路

異質結技術:通往高效組件大規模生產之路

圖五:Hevel的產線。

電池互連和組件封裝

互連工藝是整個SHJ電池工藝鏈的瓶頸:用于傳統c-Si電池互連的焊接工藝與LTC Ag焊膏不兼容,而后者是因為a-Si / c-Si異質結的溫度限制才被用于替代標準燒穿銀漿材料的。低溫型漿料的體電阻率較高(是高溫漿料的2至3倍)和焊接后粘附性也較低。通常,低于1N/mm的力都能使Ag主柵從ITO表面剝離。

為了克服這一限制,已經提出了新的電池互連技術,例如使用導電粘合劑(ECA)粘合帶,或者使用嵌入式InSn涂層電線的箔帶實現低溫粘黏來進行多線互連(Meyer Burger的SmartWire連接技術)—SWCT。熔點約120℃的InSn合金對Ag漿料和ITO層本身具有良好的粘合性;因此,在加熱處理之后實現導線和電池表面之間的合金接觸。SWCT技術不需要連接帶與金屬化網格之間的定位非常準確,而這是多線技術的主要挑戰之一。在SWCT中將電池初始連接到電線上,不需要將電線精確焊接到焊盤上,并且通常通過含有粘合劑層的箔來完成,這允許使用大量(最多24個)相對較細的直徑為200-250μm的電線。

“電池生產的總體改進(更高的FF,導致更低的CTM)和Hevel生產線上的組件封裝使得2017年第四季度至2019年第二季度的平均功率從300W增加到318W?!?/p>

通過優化SWCT組件材料清單(BOM)—即通過調整層壓箔的光學特性和電線的電氣特性—Hevel實現了將60片電池組件功率比標準BOM提高9W,并且不增加材料成本(見表1)。

異質結技術:通往高效組件大規模生產之路

圖六:Hevel產線的視覺檢查站

電池生產的總體改進(更高的FF,導致更低的CTM)和Hevel生產線上的組件封裝使得2017年第四季度至2019年第二季度的平均功率從300W增加到318W。

2019年6月,Hevel開始使用膠合五主柵電池建立了一條新的雙玻組件封裝線。計劃于2019年7月全面啟動。新的雙玻組件將提升額外的產能,因為它們可以為發電廠提升高達30%的額外組件功率。

Hevel新裝配線的另一個優點是采用特殊的陷光帶(LCR);它能夠擴散反射光,可以使組件效率提高4%(根據生產商數據)。因此,下一代Hevel組件具有更高的效率以及更高的耐用性和穩定性,這是玻璃—玻璃結構帶來的結果,同時可以降低組件衰減。

總結

在破紀錄項目計劃里,Hevel將其子公司研發中心TFTE開發的工藝使其低產能(97MWp)非微晶組件生產線提升為中等產能生產線(260MWp),并用于生產高效SHJ電池/組件(圖5和圖6)。在關閉薄膜生產線后不到兩年的時間內,平均電池效率達到了22.8%(最高效率超過23.5%),使大規模平均60片組件功率提升到318W(最大組件功率甚至達到328W)。

致謝

作者希望感謝他們的設備供應商對Hevel生產線設備給予的支持,以及Skolkovo基金會對使用其實驗室設備的資助。

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