光伏发电的主要原理是半导体的光电效应。半导体，指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，主要材料有硅、锗、砷化镓。原子间的结构决定物质的导电性。硅最外层有4个电子，磷最外层有5个电子，硼最外层有3个电子。当在纯硅中掺入磷原子，由于多出个电子，该电子会非常活跃，称之为N型半导体(negative，带负电)；当在纯硅中掺入硼原子，由于缺少个电子，存在空穴，这种空穴容易吸引电子，称之为P型半导体(positive，带正电)。

将一块P型半导体和一块N型半导体，从原子半径的尺度上紧密结合起来，或者将一块硅片一半做成P型半导体，另一半做成N型半导体，则两类半导体的接触区域就称作PN结。在PN结区，由于两边的电子浓度和空穴浓度不同，于是高浓度区向低浓度区扩散：P型区一侧，空穴向N型区扩散，杂质变为负离子；N型区一侧，电子向P型区扩散，杂质变为正离子。由于杂质在晶格中不能移动，在P型区一侧形成负离子薄层，N型区一侧形成正离子薄层，两个薄层形成一个电场，称之为内电场。内电场会对扩散运动形成阻碍，限制扩散运动的进一步发展。

当光照射到金属表面，光电效应使得电子跃迁，产生电子-空穴对。在PN结区域的电子-空穴对会被内电场分离：电子向N端移动，空穴向P端移动。此时在P、N区域分别接上导线，电流就形成了。

HIT是HeterojunctionwithIntrinsicThin-layer的缩写，意为本征薄膜异质结，年日本三洋公司研发成功并申请专利，所以又被称为HJT(HeterojunctionTechnology)或SHJ(SiliconHeterojunctionsolarcell)。异质结电池发电原理同样是基于光电效应，只是其PN结很特殊，由非晶硅（a-Si）和晶体硅（c-Si）材料形成，是在晶体硅上沉积非晶硅薄膜，属于N型电池中的一种。异质结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，降低电池效率。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，从而显著提高载流子寿命，增加开路电压，最终提高电池效率。

（）低光衰：异质结电池上表面为TCO，电荷不会在TCO上产生极化现象，无电位诱导衰减PID。异质结电池采用N型硅片，掺杂剂为磷，没有硼氧复合体和硼铁复合体，光致衰减LID很小。

（2）高转换效率：异质结电池高转换效率源于高开路电压，异质结电池的开路电压Voc可以接近mV，而普通PERC电池则普遍低于mV。异质结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，不需要激光开膜和形成欧姆接触，可以有效减少复合。

（3）高双面率：异质结电池为正反面对称结构，且三层薄膜和TCO均透明，天然具备双面发电能力，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%)。异质结能够扩展应用范围(沙地、雪地、水面等)，进一步提升发电能力。

（4）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。异质结相较于其他类型电池，具备非常显著的低温度系数。

（）设备投资高。异质结电池采用了薄膜沉积技术，需要使用高标准的真空设备。

（2）工艺要求严格。为获得良好的晶硅/非晶硅界面，对工艺环境和操作要求较高。

（3）需要低温组件封装工艺。由于异质结电池的低温工艺特性，不能采取传统晶体硅电池的后续高温封装工艺，需要开发适宜的低温封装工艺。

相比于PERC和TOPCON电池制造，异质结电池制造工艺流程较短，主要包括四大环节：制绒清洗、非晶硅沉积、TCO膜制备、丝网印刷。虽然工艺流程大大简化，但对工艺的要求却更为严苛，如洁净度、真空度、温度控制、镀膜质量等，比现有的电池技术要求都要高。

硅片经过前期的工序加工后，表面可能受到有机杂质、颗粒、金属离子等玷污。与PERC电池类似，异质结电池制造工艺第一步也是制绒清洗，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。异质结电池要形成高钝化的晶硅/非晶硅界面，相比于PERC，对制绒清洗的要求更高。

目前主流的制绒清洗方式为RCA清洗和清洗，步骤为预清洗、制绒、清洗。RCA法包含SC和SC2两个步骤，分别使用NH4OH、H2O2和HCl、H2O2。由于NH4OH和H2O2本身的挥发性较强，加上RCA工艺温度高于60℃，加剧了其挥发，从而引起更高的清洗成本。臭氧去离子水(DIO3)不仅可以更高效地去除有机杂质和金属杂质，同时减少化学品的消耗，而且不会产生含氮废水。

从异质结电池结构来看，高质量的异质结界面钝化层能够获得高更高转换效率。本征非晶硅薄膜可以形成更好的异质结钝化界面，因此本征非晶硅层的制备工艺对于异质结电池的转换效率极其重要。

异质结电池制造工艺流程中非晶硅薄膜沉积的方法是化学气相沉积法(ChemicalVaporDeposition)，目前主要采用两种工艺方法：等离子体化学气相沉积(PECVD)与热丝化学气相沉积(HWCVD)。PECVD法优点在于成膜速率高、成膜质量好，但该方法不足之处在于等离子弧光放电会对表面造成应力损伤，且制备氛围硅烷不能充分反应造成成本浪费。HWCVD法沉积薄膜生长速率快，设备工艺简单，能够避免等离子体对表面损伤，但其高温产生的热辐射造成衬底温度难以精确控制，成膜均匀性较差。由于热丝的温度需要达到℃左右，因此该设备较为耗电。并且该方法热丝使用次数有限，需频繁更换，成本较高。目前日本企业主要使用HWCVD法，而国际上企业主要使用PECVD法。

非晶硅材料本身存在导电性差的问题，使得掺杂非晶硅的发射层不能直接使用金属格栅电极来收集电流，需要一层透光性好的导电层来与非晶硅层直接接触。透明导电膜(TCO膜)沉积在非晶硅两侧，一方面能够合理进行电流传送，另一方面能够更好地透过可见光。TCO膜需满足导电性和透光性好，同时为了保护非晶硅薄膜钝化效果还要采用低温工艺。

目前制备TCO薄膜主要有两种方法：物理气相沉积(PVD)和反应等离子沉积(RPD)。PVD在异质结TCO膜制备工艺中指磁控溅射镀膜，其原理是使用辉光放电的等离子体在磁场约束下轰击靶材，将靶材分子溅射并沉积到基板表面。但由于异质结电池非晶硅层厚度较小，等离子轰击往往会造成电池性能的下降或不稳定。RPD使离子源经磁场偏转后轰击到靶材料上，将靶材原子轰击出来沉积到样品。由于衬底不暴露在等离子中，非晶硅表面损伤更小。并且该方法镀制的TCO膜结晶度好，透光率高，电导率高。但该方法的设备在进行大规模量产时存在一定问题，针对异质结电池专门开发的设备还需要进一步优化。

制备TCO膜的另一项技术关键是薄膜材料。这种材料需要具备多种功能，因此特性要求较高：)透明性要好；2)电导率要尽量高；3)要与其接触的硅薄膜的功函数相匹配；4)在迎光面的TCO膜需要载流子浓度低，以避免红外吸收；5)靶材料成本要足够低；6)镀成的薄膜应较为稳定，不容易在气氛中分解。

目前能够投入大规模量产的透明导电膜的材料主要有两种：)ITO(SnO:InO=95%:5%)。这种材料是目前导电性能和透光特性最好的透明导电膜材料，使用PVD与RPD法均可以制备。2)IWO(InO+WO)。这种薄膜具有匹配性更高的功函数，红外吸光性较低，因此更适合于单晶硅材料对光的吸收波长范围。由于IWO材料无法轧制成高密度靶，对于这种低密度靶材，很难使用PVD法沉积，只能采用RPD法来沉积。

丝网印刷工艺是制作光伏电池电极的常见方法，异质结电池与传统晶硅电池工艺流程大致相同。异质结电池电极的工艺流程与传统晶硅电池的差异主要体现在银浆温度上。传统晶硅电池需要在℃以上烧结银浆；而异质结电池则需要℃低温烧结银浆，以防止高温退火工艺对掺杂层产生破坏。低温银浆是异质结电池非硅成本中最重要的部分，原因在于低温银浆的价格高且用量大。

栅线的主要作用是收集电流并进行汇流，分为细栅线和主栅线。电池的正面栅线会遮挡一部分太阳光，越细的栅线遮挡越少，但同时也会造成更大的电阻，因此栅线设计需要平衡遮光和导电的关系。目前太阳能电池仍以5主栅(5BB)技术为主，但多主栅技术已经在大规模开发中。此外，对于银浆消耗量大的异质结电池而言，多主栅具有更好的降本效果。

异质结电池工艺步骤较简单，但对工艺、设备、生产环境、操作水平、材料配套等提出了更加严格的要求。设备是异质结电池产业化的关键一环，关系到当前异质结电池产业化面临的两大难题：转换效率优势差不够，以及量产成本较高。异质结生产设备发展关键在于平衡量产稳定性和成本竞争力。

目前异质结生产设备环节，国外厂商处于领先地位，活跃在各环节的前沿领域。例如，瑞士MeyerBurger公司作为老牌的光伏设备供应商，持续多年的研发投入和技术跟进使其在PECVD领域保持着较强的技术领先性。日本Ulvac公司掌握HWCVD技术专利，目前只有它能够生产量产型设备。

国内方面，近年来国产设备厂商厂商在设备开发、验证等方面取得积极进展。捷佳伟创在异质结电池生产各环节都有相应布局，通过同国际一流企业产品对标或者直接合作，在相关设备上不断取得突破，成为全线四道工序整体解决方案的设备提供商。迈为股份是国内丝网印刷设备龙头，并积极拓展应用场景，进入PVD、PECVD等环节。

二、专业词典

[]晶体硅与非晶硅

晶体硅材料是最主要的光伏材料，性质为带有金属光泽的灰黑色固体、熔点高(40)、硬度大、有脆性、常温下化学性质不活泼。非晶硅又称无定形硅，单质硅的一种形态。棕黑色或灰黑色的微晶体。硅不具有完整的金刚石晶胞，纯度不高。熔点、密度和硬度也明显低于晶体硅。化学性质比晶体硅活泼。

[2]悬挂键

悬挂键是化学键。一般晶体因晶格在表面处突然终止，在表面的最外层的每个原子将有一个未配对的电子，即有一个未饱和的键，这个键称为悬挂键。

[3]载流子

在物理学中，载流子指可以自由移动的带有电荷的物质微粒，如电子和离子。在半导体物理学中，电子流失导致共价键上留下的空位(空穴引)被视为载流子。金属中为电子，半导体中有两种载流子即电子和空穴。

[4]开路电压

电池在开路状态下的端电压称为开路电压。电池的开路电压等于电池在断路时(即没有电流通过两极时)电池的正极电极电势与负极的电极电势之差。

[5]PID电位诱发衰减

电位诱发衰减(Potential-InducedDegradationPID)，指在高温多湿环境下，高电压流经太阳能电池单元导致输出功率下降的现象。

[6]LID光致衰减

光致衰减(Light-InducedDegradationLID)，指a-Si：H薄膜经较长时间的强光照射或电流通过,在其内部将产生缺陷而使薄膜的使用性能下降。

[7]钝化

钝化是指金属经强氧化剂或电化学方法氧化处理，使表面变为不活泼态即钝化的过程，是使金属表面转化为不易被氧化的状态，而延缓金属的腐蚀速度的方法。

[8]RCA清洗

RCA标准清洗法是年由Kern和Puotinen等人在N.J.Princeton的RCA实验室首创的，并由此而得名。RCA是一种典型的、至今仍为最普遍使用的湿式化学清洗法。

Q：异质结电池的核心优势是什么？

A：异质结电池具有四大优势：更高的效率，更大的降本空间、更容易达到高良率、更好地契合组件端的发展。这四大优势最终使得异质结能够实现相对低的平准化发电成本，契合光伏行业从P型向N型、精度向半导体靠近的大方向。

Q2：异质结电池生产工艺流程中，哪一环节设备成本最高？

A2：异质结电池产线设备投资中，非晶硅沉淀和TCO膜制作环节设备成本占比约70%。以东方日升发布的2.5GWHJT电池项目设备投资为例，HJT电池产线投资额为0亿/GW，其中制绒清洗设备占比8%，非晶硅沉淀设备(采用PECVD)占比40%，TCO膜制作设备(采用RPD)占比28%，丝网印刷占比8%，其余测试辅助设备占比6%。

Q3：异质结电池生产工艺步骤更少，为什么生产成本更高？

A3：主要有以下几个原因：)目前光伏电池市场上的PERC电池和BSF电池都是采用高温银浆，异质结电池所需要的低温银浆非常小众，价格更高。2)目前国产厂商还未完全掌握低温银浆技术，市场几乎被日本京都垄断，市占率超过90%，导致国产化进程缓慢。3)异质结电池生产设备与传统PERC电池不同，需要重新采购。并且异质结电池生产设备国产化程度不高，需要从国外进口，限制了其生产成本的下降。

四、前沿综述

未来HJT电池产业会继续发展前进，更多的研究会集中围绕在降低HJT太阳能电池成本、相关材料性能优化、简约制造工艺流程以及大规模可重复性生产等方面，而不是单纯地追求高效率。通过优化电池构成材料、制备工艺、组件结构等对HJT电池进行改良。

当前HJT电池上表面的TCO膜承担了过多的功能，且这些功能间存在一定的矛盾关系，影响HJT电池的效率。例如，为了降低前表面TCO膜的红外光吸收性，就需要降低其中的载流子浓度，而降低载流子浓度必然会降低前表面的电导性，二者之间存在矛盾关系。传统的ITO膜的电导率较好，但是其载流子浓度较高，导致其红外光吸收性较严重，因此研究人员选用低载流子浓度但具有高迁移率的材料，如IWO、ICO、IOH。但是这些材料或多或少存在一些缺陷，比如IWO材料很难压制成柱形陶瓷靶材、IOH的稳定性较差等；此外，这些靶材的成本也较高。另外存在矛盾关系的是前表面TCO膜在承担透光功能的同时必须承担减反射的作用，对于减反射功能必须要求TCO膜的厚度约为80nm，而透光性要求膜层最好较薄。

TCO膜的一项重要改进是采用叠层技术。MeyerBurger公司在叠层技术的基础上提出HJT2.0结构：在ITO膜外侧再镀一层SiNx膜,使SiNx与ITO膜共同承担减反射的作用，而导电作用只需ITO膜承担。这一结构不但可以提高效率，而且可以降低成本，因为该结构节省了较为昂贵的ITO材料。

汉能公司也使用了TCO叠层技术。汉能公司在该TCO叠层中采用了3层结构，包括缓冲层、种子层和导电层。虽然该公司在报告中并未给出这3层材料的具体细节，但其指出缓冲层的主要目的是减少a-Si(n)/TCO的接触电阻，而种子层主要是为了改善TCO膜的结晶、电学和光学特性。

电极技术的改进能够提高HJT电池光电转化效率，降低电池生产成本。目前研究机构与相关企业正在栅线技术、电镀铜等工艺技术方面进行改进。

栅线研究理论表明，为减小阳光遮挡，需要降低栅线宽度，但宽度降低必然导致栅线电阻的增加，因此必需缩短栅线长度，即采用多主栅(MBB)或无主栅(SWCT)技术。MeryerBurger公司拥有SWCT的技术专利，该公司表明采用SWCT技术除了可使浆料用量大规模下降之外，还可以降低电池正表面的遮光面积。我国也有一些生产厂商对MBB技术进行研究开发。山西晋能公司通过在其HJT电池生产线上比较5BB技术与9BB技术的差别，发现采用9BB技术之后，电池的光电转换效率提升了0.43%，并且由于Ag消耗量的减少，电池成本还下降了45%。

参考文献

.创新驱动未来，异质结引领光伏技术发展开源证券

2.异质结太阳能电池设备深度报告中泰证券

3.年中国光伏技术发展报告——晶体硅太阳电池研究进展中国可再生能源学会

4.高效本征薄层异质结太阳电池技术研究进展郝立成，张明，陈文超，冯晓东

5.从半导体发电原理初识光伏产业链（入门篇）终极能源雪球专栏