HIT[异质结]电池技术调研

HIT电池技术调研

HIT电池简介

HIT是Heterojunction with Intrinsic Thin-layer的缩写,意为本征薄膜异质结. HIT太阳能电池是以光照射侧的p/i型a-Si膜（膜厚5～10nm）和背面侧的i/n型a-Si膜（膜厚5～10nm）夹住单结晶Si片的来构成的.

图一.

电池基板以硅基板为主；在硅基板上沉积高能隙(Energy band gap)的硅奈米薄膜，表层再沉积透明导电膜，背表面有着背表面电场。

通过优化硅的表面织构，可以降低透明导电氧化层（TCO）和a-Si 层的光学吸收损耗。HIT电池抑制了p型、i型a-Si的光吸收率，而增强n型c-Si的光吸收率。

图二.

HIT电池在技术上的优势

由于HIT太阳能电池使用a-Si构成pn结，所以能够在200℃以下的低温完成整个工序。和原来的热扩散型的结晶太阳电池的形成温度（～900℃）相比较，大幅度地降低了制造工艺的温度。由于这种对称构造和低温工艺的特征，减少了因热量或者膜形成时产生的Si晶片的变形和热损伤，对实现晶片的轻薄化和高效化来说是有利的，具有业界领先的高转换效率（研究室水平为23％，量产水平为20％），即使在高温下，转换效率也极少降低，利用双面单元来提高发电量。

HIT电池的伏安曲线分析:

HIT电池里p/n 异质结中所发现的正向电流特性（0.4V 附近）的变化是由于a-Si 顶层膜中存在的高密度间隙态，引起异质结部耗尽层的再复合而造成的。对此，在顶层和结晶Si之间插入高质量a-Si 膜（i 型a-Si 膜），通过顶层内的电场来抑制复合电流，这就是HIT 构造。通过导入约5nm 左右的薄膜i 型a-Si 层，可看到反向的饱和电流密度降低了约2个数量级。亦即通过导入i 型a-Si 层，能够大幅度提高V oc,见下图.

图三

化学钝化和HIT 构造的寿命关系

采用μ-PCD 法测定HIT电池的少子寿命。μ-PCD 法得到的寿命值

虽然同时反映了体复合速度和表面复合速度两方面，但由于是在同一批（LOT）里抽出相邻的芯片，所以可认为体（BULK）的影响基本相同，所不同的是表面的差异。根据下图可以发现，HIT 构造的钝化性能要比化学钝化（CP 法）更优异。

图四

化学钝化

HIT 太阳能电池的V oc 和寿命之间的依存性

发现通过形成低损伤的a-Si膜和提高表面的清净度等可以提高寿命和V oc，V oc 和寿命之间是一种正的线性关系。即HIT构造中的a-Si 钝化性能的好坏和HIT 太阳电池的V oc 大小相关。所以，通过提高a-Si 的钝化性能以提高寿命的方法可以认为对提高HIT 太阳电池的输出电压是有效的。

图五

HIT电池单晶体硅的表面清洁度更高，同时抑制了非晶硅层形成时对单晶体硅表面产生的损伤。通过这些改良，这种电池的电能输出功率损失下降，开路电压得到了提高。

HIT 太阳电池优异的温度特性

HIT电池V oc越高输出特性的温度依存性越小。也就是说，在HIT 太阳电池的高效率化技术中的这种钝化技术的开发（即高V oc 化）带来了温度特性的提高.由于新电池在温度上升时发电量的损失降低，预计它的年发电量将比传统晶硅太阳能电池提升44%。

图六

HIT电池的制造工艺

HIT电池的关键技术是a-Si:H薄膜的沉积，要求说沉积的本征a-Si:H 薄膜的缺陷态密度低，掺杂a-Si:H的掺杂效率高且光吸收系数低，最重要的是最终形成的a-Si:H/Si界面的态密度要低。目前，普遍采用的等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）沉积本征及掺杂的a-Si:H 膜，同时热丝化学气相沉积发（HWCVD）制备a-Si:H法也被认为很有前景。

PECVD法制备a-Si:H薄膜

利用等离子里中丰富的活性粒子来进行低温沉积一直是a-Si:H制备的重要方法。在真空状态下给气体施加电场，气体在电场提供的能量下会有气态转变为等离子体状态。其中含有大量的电子、离子、光子和各类自由基等活性粒子。等离子体是部份离子化的气体，与普通气

体相比，主要性质发生了本质的变化，是一种新物质聚集态。等离子体中放置其中的衬底可以保持在室温，而电子在电厂的激发下会得到足够多的能量（2-5eV），通过与分子的碰撞将其电离，激发。PECVD 的缺点表现在两个方面，一是它的不稳定性，二是电子和离子的辐射会对所沉积的薄膜构成化学结构上的损伤。等离子体作为准中性气体，它的状态容易被外部条件的改变而发生变化。衬底表面的带电状态，反应器壁的薄膜附着，电源的波动，气体的流速都会改变活性粒子的种类和数量，并且等离子体的均匀性也难以控制，这样都会改变衬底的状态。等离子体中的离子轰击和光子辐照，除了会影响沉积膜的质量，还会影响下面的硅衬底。光谱相应的研究结果表明对于蓝光区，HIT电池的光谱相应提高，而在红光区，光谱相应变低。这说明对于本征层的钝化效果提高了蓝光光谱响应的结果，而对于硅片内部的损伤，则对红光部分，光谱相应降低，量子效率下降。对于这种情况，可以下调等离子体的功率，但是同时也会降低等离子体的稳定性。

HWCVD制备a-Si:H薄膜

热丝化学气相沉积HWCVD是利用热丝对气体进行催化和分解的软性过程，不会产生高能粒子轰击，对衬底的损伤较小，可以容易的移入或者移出沉积室，能够方便从实验室转换到生产线上。

在HIT电池中，非晶硅发射极和晶体硅之间夹着5纳米后，缺陷密度低于非晶硅的本征非晶硅薄膜。HWCVD的缺点在于非晶硅的外延可以穿透5纳米后的本征薄膜而与晶体硅直接接触，这样会导致高缺

陷，这样界面面积和缺陷态密度的增大会导致高的暗电流，继而开路电压也会减低。在制备中将温度控制在200度以下能够抑制非晶硅的外延。

HIT电池工艺的改良方向

提高界面钝化效果

当非晶硅和晶体硅的界面陷阱密度由10^11每平方厘米上升到10^12每平方厘米时，电池效率会降低20%。本征非晶硅的钝化效果由于a-Si:H薄膜的存在而变差，这可能是衬底中的少子波函数穿过本征非晶硅而和a-Si:H薄膜中的缺陷态相互作用，这样构成了载流子的复合通道。可以使用多形硅来作为钝化层，因为它具有更低的缺陷态密度和暗电流。

光陷结构和表面清洗

将制绒后的织构表面层使用硫酸和双氧水进行氧化，然后使用使用浓度为1%的氢氟酸进行60到180秒的腐蚀，这样可以去除缺陷层来使粗糙度降低，接近抛光硅的效果。

栅电极的优化设计

如果可以去除栅线的延展部分，纵横比提高1.0以后，效率可以在提高1.6%。这取决于对于银浆的流变学研究和丝网印刷的改进。