全方位解析异质结技术
异质结太阳电池英文名称缩写为HIT（Heterojunction with Intrinsic Thin-layer），中文名称为本征薄膜异质结电池。异质结电池最早由日本三洋公司于1990年研发成功，并被注册为商标，后续进入异质结领域的企业为了避免专利纠纷而纷纷采用了不同的称谓，比如HJT/ SHJ/ HDT等，虽然英文名称和缩写略有差异，但是其含义都代表本征薄膜异质结电池。
图1.太阳能电池分类
资料来源：新型TCO材料在光伏行业的应用前景
HIT电池结构
图2. HIT电池结构图
资料来源：HIT电池模拟计算的研究
HIT电池一般是以N型硅片为衬底，典型结构如图2所示：在正面依次为透明导电氧化物膜（简称TCO）、P型非晶硅薄膜，和本征富氢非晶硅薄膜；在电池背面依次为TCO透明导电氧化物膜，N型非晶硅薄膜和本征非晶硅膜。
此外，HIT电池在制造工艺流程上也较为简洁，在以上提到的电池结构中的薄膜都是通过沉积的方式形成，最后通过丝网印刷或者电镀工艺在电池两面制备金属电极，再经过低温固化工艺，完成HIT电池的制造，如图3所示。
图3. HIT电池结构以及工艺流程图
资料来源：CNKI
HIT电池生产工艺
相比于传统的PERC电池生产工艺以及TOPCon电池工艺，HIT电池的工艺制程相对较短，只有四大环节，依次是清洗制绒、非晶硅沉积、TCO沉积、丝印固化。
图4. 三种量产电池工艺流程对比
资料来源：梅耶伯格，招商证券
1. 清洗制绒
与常规P型或者N型电池制造工艺类似，HIT电池也是以清洗制绒为电池制造的第一步，这一步骤的主要目的是清除N型衬底表面的油污和金属杂质，去除机械损伤层，形成金字塔绒面，陷光并减少表面反射。
2. 制备非晶硅薄膜
硅片在PECVD设备中制作钝化膜和PN结。HIT电池高效率的根源在于本征非晶硅薄膜优良的钝化效果。由于晶硅衬底表面存在大量的悬挂键，光照激发的少数载流子到达表面后容易被悬挂键俘获而复合，从而降低电池效率。此外，通过在硅片正面和背面沉积富氢的本征非晶硅薄膜，可以有效地将悬挂键氢化并降低表面缺陷，从而显著提高少子寿命，增加开路电压，最终提高电池效率。
虽然每一层膜的厚度只有4-10nm，每1-2nm实现的功能和制备工艺却大不相同，因此本征和掺杂非晶硅薄膜需要在多个腔体中完成，PECVD中需要导入多腔室沉积系统。
图5. HIT电池非晶硅薄膜PECVD工艺图
资料来源：迈为股份，招商证券
3. 沉积金属氧化物导电层（TCO）
图6. 镀膜技术分类
资料来源：新型TCO材料在光伏行业的应用前景
硅片沉积完非晶硅薄膜之后就进入SPUTTER(磁控溅射)或者RPD（离子反应镀膜）设备，沉积透明金属氧化物导电膜TCO。TCO纵向收集载流子并向电极传输。由于非晶硅层晶体呈无序结构，电子与空穴迁徙率较低，且横向导电性较差，不利于光生载流子的收集。因此需要在正面掺杂层上方沉积一层75-80nm厚的TCO，用于纵向收集载流子并向电极传输，TCO同时可以减少光学反射。
图7. SPUTTER磁控溅射原理图
资料来源：新型TCO材料在光伏行业的应用前景
图8. RPD离子反应镀膜原理图
资料来源：新型TCO材料在光伏行业的应用前景
TCO膜在可见光范围内（波长380-760nm）具有80%以上的穿透率，且电阻很低，其成分主要为In、Sb、Zn、Sn、Cd及其氧化物的复合体。目前应用最广泛的是ITO，SCOT，IWO，AZO。TCO制备存在SPUTTER(磁控溅射)或者RPD（离子反应镀膜）两种工艺，目前由于成本考虑大多选择SPUTTER(磁控溅射)工艺。
图9. 磁控溅射工艺与RPD离子反应镀膜工艺对比
资料来源：CNKI
4. 丝印固化
HIT电池生产的最后一步是丝印固化，制备金属电极并固化。考虑到HIT是低温工艺，不区分正银和背银，因此丝网印刷加低温固化的工艺相对比较简单，但是这一特性的缺点之一就是价格较高且消耗量较大，因此目前业内也有部分企业尝试使用镀铜工艺来制作电极。因为在镀铜工艺中不会使用到银浆，成本较为低廉。但即便如此该工艺也并未被广泛应用，因为工艺非常复杂，且废液排放存在严重的环保制约，使其推广受到了限制。
HIT电池的优势
1. 转换效率高
HIT电池高转换效率源于高开路电压，HIT电池的开路电压Voc可以接近750mV，而普通PERC电池则普遍低于700mV。
HIT电池的高开路电压来源于两点：
氢化本征非晶硅薄膜优良的钝化效果
光生载流子可以贯穿氢化非晶硅薄膜，因此不需要激光开膜和形成欧姆接触，可以有效减少复合
由于多主栅技术和光致再生技术的导入，目前HIT的研发效率普遍已经超过24%。
图10. 主流HIT制造商的效率数据
资料来源：NREL，招商证券
2. 低衰减
由于HIT电池的特殊结构，其衰减程度要显著低于PERC电池：
HIT电池表面的TCO具有导电特性，电荷不会在表面产生极化现象，无电位诱导衰减PID；
N型硅片掺磷，没有硼氧复合体和硼铁复合体，光致衰减LID很小
据相关数据显示，HIT电池的首年衰减和年均衰减均低于PERC电池，并得到电站发电实证。
图11. HIT与PERC电池衰减数据对比
资料来源：WIND，招商证券
3. 低温度系数
组件的温度系数能够衡量输出功率随温度升高而下降的程度。阳光照射下组件表面不断升温，电池的开路电压不断下降，进而导致输出功率下降。HIT相较于其他类型电池，具备非常显著的低温度系数。
图12. 不同类型电池温度系数对比
资料来源：CNKI
组件的初始标称功率是在STC标准条件下测试的，对应温度是25℃，但在实际运营中，组件的工作温度多数时间在50℃左右，HIT低温度系数带来的发电量增益在3%，可溢价0.126元/瓦。
图13. HIT电池低温度系数带来发电增益数据
资料来源：WIND，招商证券
4. 高双面率
HIT电池双面率较高。HIT电池正反面三层膜和TCO都是透光的，且结构对称，天然就是双面电池，其双面率可以轻松做到90%以上，甚至达到98%的水平。PERC电池双面率可以做到80%-85%。
HIT技术市场现状
目前布局HIT的企业越来越多，产业化酝酿开启。当前全球最大HIT量产规模仅600MW，近两年新建产线以100-200MW的中试线为主。相较于2019年，2020年已经有超过20家企业宣布了GW级的扩产计划，其中包括山煤国际，钧石能源，东方日升，爱康科技，腾晖光伏，比太科技等。规模化以及关键设备国产化的突破，将成为HIT产业化的发令枪。
图14. HIT电池主流厂商产能计划
资料来源：招商证券
文章来源：贺利氏光伏