這就是HJT

:HJT是Heterojunction Technology的縮寫，是一種N型單晶雙面電池，具有工藝簡單、發(fā)電量高、度電成本低的優(yōu)勢，可能會成為繼PERC電池之后的行業(yè)熱點(diǎn)。因HIT( Heterojunction with Intrinsic Thin layer)已被日本三洋公司申請為注冊商標(biāo)，所以又被稱為HJT或SHJ（Silicon Heterojunction）。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)換效率于2015年已達(dá)到25.6%。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)。

一、HJT異質(zhì)結(jié)電池技術(shù)介紹

1.1 HJT電池結(jié)構(gòu)與工藝

HJT電池結(jié)構(gòu)示意圖如圖1，首先在N型單晶硅片（c-Si）的正面沉積很薄的本征非晶硅薄膜（i-a[J3]-Si:H）和p型非晶硅薄膜（p-a-Si:H），然后在硅片的背面沉積很薄的本征非晶硅薄膜（i-a-Si:H）和n型非晶硅薄膜（n-a-Si:H）形成背表面場；再在電池的兩面沉積透明氧化物導(dǎo)電薄膜(TCO)，TCO不僅可以減少收集電流時的串聯(lián)電阻，還能起到像晶硅電池上氮化硅層那樣的減反作用；最后在TCO上制作金屬電極。

圖1 HJT電池的結(jié)構(gòu)

在電池正表面，由于能帶彎曲，阻擋了電子向正面的移動，空穴則由于本征層很薄而可以隧穿后通過高摻雜的p+型非晶硅，構(gòu)成空穴傳輸層。同樣，在背表面，由于能帶彎曲阻擋了空穴向背面的移動，而電子可以隧穿后通過高摻雜的n+型非晶硅，構(gòu)成電子傳輸層。通過在電池正反兩面沉積選擇性傳輸層，使得光生載流子只能在吸收材料中產(chǎn)生富集然后從電池的一個表面流出，從而實(shí)現(xiàn)兩者的分離。

HJT電池的一大優(yōu)勢在于工藝步驟相對簡單，如圖2，總共分為四個步驟：制絨清洗、非晶硅薄膜沉積、TCO制備、電極制備。

圖2 HJT電池工藝流程圖

HJT電池的制備工藝步驟簡單，且工藝溫度低，可避免高溫工藝對硅片的損傷，并有效降低排放，但是工藝難度大，且產(chǎn)線與傳統(tǒng)電池不兼容，設(shè)備資產(chǎn)投資較大。

1.2 HJT太陽電池研究進(jìn)展與關(guān)鍵技術(shù)

1973年三洋公司（2008年被松下公司收購）開始研究非晶硅電池，制備出10%效率的電池。1983年開始設(shè)計非晶硅晶體硅堆積電池結(jié)構(gòu)，即為HIT電池雛形。1990年，三洋公司在非晶硅薄膜電池基礎(chǔ)上提出了a-Si/c-Si異質(zhì)結(jié)電池，即在N型襯底上制作面積為1cm2的太陽電池[1]，并將其命名為HIT電池。1994年，面積為1cm2的HIT太陽電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到20.0％[2]。1997年，三洋公司開始量產(chǎn)HIT電池，制備出HIT Power 21 TM 電池組件[3]，從此，三洋致力于提高實(shí)驗(yàn)室太陽電池和工廠組件的效率，很多適合于大規(guī)模生產(chǎn)的新技術(shù)相繼被開發(fā)和應(yīng)用。2003年，批量生產(chǎn)200Wp功率、17%的HIT電池組件，其中電池效率為19.5%。2009年，HIT電池效率達(dá)到23%[4]。2011年，電池效率則打破世界紀(jì)錄(η：23.7%,Voc：0.745V，Isc：39.38mA/cm2，F(xiàn)F：80.9%，100.7cm2)。2013年效率提升到25.6%。2014年，松下公司推出效率達(dá)到19.4%的HIT-N245的HIT電池組件。目前，中國、德國、法國、美國、意大利等國家也正在大力研制HIT電池，但是和松下還存在較大差距。松下公司的HIT電池的高效表明HIT電池具有廣闊的應(yīng)用前景。

1.2.1降低成本的途徑

在降低成本方面，三洋主要從以下幾個方面做改進(jìn)：

（1）提高效率，這是目前所有太陽電池研究者所追求的目標(biāo)；

（2）采用薄硅片替代厚硅片直接降低原材料的消耗量而降低成本；

（3）改善太陽電池的溫度系數(shù)，這樣就能得到更高的Voc 從而提高效率；

（4）將HIT太陽電池做成雙面組件提高太陽光的利用率多發(fā)電。

1.2.2提高效率的途徑

在提高異質(zhì)結(jié)HJT太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率的過程中，開路電壓Voc和Isc、FF非常關(guān)鍵[6]，具體可通過以下幾方面實(shí)現(xiàn)：

（1）提升Voc

在傳統(tǒng)的p-a-Si:H/n-c-Si異質(zhì)結(jié)太陽能電池中，表面和界面存在大量局域復(fù)合路徑和懸掛鍵，摻雜層中有大量局域態(tài)，載流子易發(fā)生局域復(fù)合和隧穿[7]。通過對單晶硅片表面織構(gòu)化進(jìn)行化學(xué)鈍化處理，提高a-Si:H(i)/mono-Si的界面質(zhì)量，將晶體硅表面的缺陷鈍化好，從而提高載流子通過a-Si:H(i)/mono-Si界面的幾率，這樣得到高的Voc。具體從以下幾個方面著手研究：沉積a-Si：H之前，采用低成本的濕法工藝清洗晶體硅的表面；采用化學(xué)氣相沉積的方法沉積高質(zhì)量的a-Si：H(i)，達(dá)到很好的鈍化效果；在制作a-Si，TCO，電極的過程中低溫低壓減少熱量和能量較高的粒子對晶體硅表面的破壞。采用上述工藝后，可以降低載流子的復(fù)合，提升Voc。

（2）提升Isc

基于電阻損失和光學(xué)損失對Isc的影響，改善電極的電阻率及對光的反射率顯得尤為重要。改善電極就需要電極比較細(xì)的同時還具有較低的電阻率。HJT通過改變銀漿的黏度和絲網(wǎng)印刷的參數(shù)達(dá)到合適的高寬比。三洋已經(jīng)能做出寬度是高度一半的電極，而一般技術(shù)的電極高度是寬度的四分之一。優(yōu)化HIT太陽電池的BSF，BSF能明顯改善太陽電池對長波段的載流子的吸收。發(fā)展高質(zhì)量的、載流子移動能力比較高的TCO薄膜。采用a-SiC以及盡量將非晶硅層做薄來減少光損失。采用合適的絨面結(jié)構(gòu)增加進(jìn)入太陽電池的太陽光。

（3）提升FF

有了高的Voc和Isc，還要有高的FF才能得到高的效率。提高FF主要就是減小漏電流和降低串聯(lián)電阻，三洋在提高FF方面做了如下的優(yōu)化：采用高質(zhì)量低電阻電極材料減少電池的串聯(lián)電阻；采用特殊高寬比的電極；發(fā)展高導(dǎo)電性能的P層非晶硅；發(fā)展低方塊電阻的TCO導(dǎo)電膜。

1.2.3HJT太陽電池研究現(xiàn)狀

除日本三洋外，世界上有很多機(jī)構(gòu)在研究HJT 太陽電池，包括德國亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心，美國資源部國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室，法國巴黎綜合理工學(xué)院，瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)，荷蘭德拜研究所等。表1和表2列出了當(dāng)前國內(nèi)外各大研究機(jī)構(gòu)的HJT太陽電池研究現(xiàn)狀[8]，包括效率，開路電壓，短路電流，填充因子，有效面積。少數(shù)研究機(jī)構(gòu)的HJT太陽電池穩(wěn)定效率能夠超過20%，開路電壓能夠超過700mV。值得注意的是，大部分研究機(jī)構(gòu)所采用的單晶硅襯底都是厚度大于200μm。松下創(chuàng)紀(jì)錄的HJT太陽電池效率采用的單晶硅襯底厚度是98μm。由于α-Si:H 較好的鈍化效果和較薄的單晶硅襯底，開路電壓達(dá)到750mV的新高。文獻(xiàn)[9]中對于單晶硅太陽電池的理論模擬顯示，對于100μm 厚度的單晶硅襯底而言，最高的開路電壓可以達(dá)到769mV，模擬過程中只考慮了內(nèi)在的輻射和俄歇復(fù)合。同這個理論極限相比，松下的HIT太陽電池的開路電壓記錄是非常引人注意的。

表1 基于N型單晶硅襯底的HJT 太陽電池效率表

小編注：2019年11月，漢能成都研發(fā)中心再次刷新高效硅薄膜異質(zhì)結(jié)（SHJ）太陽能電池的世界紀(jì)錄，其制備的冠軍電池片，全面積（M2，244.45 c㎡）光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到25.11%。2019年8月2日，漢能HIT事業(yè)部與成都珠峰永明科技有限公司聯(lián)合宣布，經(jīng)德國哈梅林太陽能研究所（ISFH）認(rèn)證，由雙方合作的成都研發(fā)中心研發(fā)的高效硅異質(zhì)結(jié)電池技術(shù)冠軍電池片，全面積（M2，244.52cm2）光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到24.85%，不僅刷新了其保持的中國紀(jì)錄，更超過了由日本Kaneka公司保持的原世界紀(jì)錄，成為6寸硅片SHJ電池新的世界冠軍。

表2基于P型單晶硅襯底的 HJT太陽電池效率表

二、HJT電池及組件產(chǎn)能現(xiàn)狀

2.1 市場前景

根據(jù)PVinfolink預(yù)測，HJT電池的安裝量將持續(xù)上升，2021年預(yù)計達(dá)到20GW（年），市場占比達(dá)到10%以上，詳細(xì)如圖4：

圖3 不同電池技術(shù)產(chǎn)能預(yù)測（PVinfolink）

圖4 不同N型電池技術(shù)產(chǎn)能預(yù)測（PVinfolink）

2.2 國內(nèi)外HJT技術(shù)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

異質(zhì)結(jié)電池的發(fā)展是從20世紀(jì)60年代開始的，1968年實(shí)現(xiàn)晶硅與非晶硅結(jié)合的異質(zhì)結(jié)器件，1974年首次實(shí)現(xiàn)氫化非晶硅，減少非晶硅的缺陷，1983年異質(zhì)結(jié)電池第一次制備成功，效率12.3%。1991年三洋公司首次將HJT電池效率達(dá)18.1%，并在1997年實(shí)現(xiàn)HJT電池的批量生產(chǎn);其在異質(zhì)結(jié)電池的研發(fā)和生產(chǎn)領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位，其研發(fā)的面積為100cm2左右的HJT電池轉(zhuǎn)換效率連續(xù)突破20%、21%、22%、23%重要窗口，2013年2月，轉(zhuǎn)換效率最高已達(dá)24.7%。從2014年初Panasonic的25.6%打破UNSW保持了近20年的記錄開始，Panasonic，SHARP和Kaneka先后超越25%。

日本化學(xué)品制造商KanekaCorporation的研究人員于2016年底將HJT電池光電轉(zhuǎn)換率提升到26.3％，打破了之前松下25.6%的紀(jì)錄。目前，疊加了IBC技術(shù)后的HJT電池能展現(xiàn)出更驚人的轉(zhuǎn)化效率，目前已達(dá)26.63%。

近兩年，國內(nèi)HJT產(chǎn)能迅速擴(kuò)張，特別是2018年HJT快速發(fā)展。在PERC已成為產(chǎn)業(yè)主流的今天，許多企業(yè)投資巨額資金布局HJT以博取在未來贏得“領(lǐng)跑權(quán)”。5月份國家電投高效低電阻金屬柵線晶體硅異質(zhì)結(jié)（C-HJT）光伏電池研發(fā)落戶南昌；5月25日，彩虹集團(tuán)異質(zhì)結(jié)電池智能制造基地項(xiàng)目簽約落戶秀洲國家高新區(qū)；5月30日，亞瑪頓與中智簽署20MW異質(zhì)結(jié)（HJT）超薄雙面雙玻組件戰(zhàn)略合作計劃；通威太陽能、上海微系統(tǒng)所、三峽資本于5月22日正式簽訂硅基異質(zhì)結(jié)產(chǎn)業(yè)化戰(zhàn)略合作協(xié)議，從事SHJ太陽能電池中試線和產(chǎn)業(yè)化運(yùn)營。

晉能HJT單晶雙面雙玻光伏組件成功通過組件IEC61215/617302016新標(biāo)準(zhǔn)測試，目前，晉能科技HJT電池量產(chǎn)平均效率達(dá)23.27%，量產(chǎn)最高效率可達(dá)24.04%。在未使用半片、MBB等組件提效技術(shù)前提下，量產(chǎn)60片單面組件最高功率達(dá)到332.6W，組件雙面性達(dá)89.61%，并有望在2018年年底實(shí)現(xiàn)24%的電池量產(chǎn)平均效率。自2017年7月HJT實(shí)現(xiàn)批量出貨以來，產(chǎn)品良率始終保持高位水平。今年3月份測試分選顯示，HJT良率已突破97.42%。除了晉能，漢能，國內(nèi)諸多力量都加入到HJT發(fā)展的浪潮中。在這場競技中，率先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化及實(shí)現(xiàn)超高效率，將擁有絕對的話語權(quán)與市場機(jī)會。

2016年12月,福建金石能源建設(shè)6條100MW高效異質(zhì)結(jié)電池生產(chǎn)線，其電池轉(zhuǎn)換效率超過22%。2017年3月，漢能建設(shè)HJT光伏研發(fā)制造基地。據(jù)透露目前，漢能HJT電池研發(fā)效率達(dá)23%。2017年12月，協(xié)鑫集中央研究院與中智（泰興）、德國馮阿登納簽訂三方合資合作框架協(xié)議，以聯(lián)手助推HJT產(chǎn)業(yè)化。

目前國內(nèi)外HJT電池產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀如下表所示，近兩年，特別是近期，國內(nèi)HIT產(chǎn)能迅速擴(kuò)張：

表3 國內(nèi)HJT電池產(chǎn)能匯總

表4 國外HJT電池產(chǎn)能匯總

總結(jié)

晶硅異質(zhì)結(jié)HJT太陽能電池技術(shù)經(jīng)歷了多年發(fā)展，目前已經(jīng)接近成本與價格相匹配的臨界點(diǎn)，且未來成本降低空間很大，加上其本身高效率和高發(fā)電能力，在未來非常有希望占據(jù)晶硅組件的高端市場份額，成為組件差異化的重要代表之一。