HJT透明导电薄膜TCO技术

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HJT电池技术 

01-1 HJT技术结构

异质结 HJT ( Hereto- junctionwith Intrinsic Thin-layer )电池(同时也简称 HIT,SH1J,SJT等)，以N型单晶硅(C-Si)为衬底光吸收区,经过制绒清洗后，其正面依次沉积厚度为5-10nm的本征非晶硅薄膜(i-a-Si:H和掺杂的P型非晶硅(P-a-Si:H)，和硅衬底形成 p-n 异质结。

硅片的背面又通过沉积厚度为5-10nm的i-a-Si: H和掺杂的N型非晶硅(n-a-Si: H )形成背表面场，双面沉积的透明导电氧化物薄膜(TCO)不仅可以减少收集电流时的串联电阻，还能起到像晶硅电池上氮化硅层那样的减反作用。

最后通过丝网印刷在两侧的顶层形成金属基电极，这就是异质结电池的典型结构。

HJT电池工艺技术主要分为以下几道工序，在硅片经过制绒清洗后，在硅片表面沉积非晶硅薄膜后，下一个步骤是在硅片的正反两面沉积透明导电氧化物薄膜。

01-2 HJT优势

HJT 电池与传统电池相比具有工艺相对简单、无 PID 现象、低温 制造工艺、高效率（P 型单晶硅电池高 1-2%）、高稳定性、可向薄型化发展等优点，成为未来高效电池的发展方向，国内企业持续发力 HJT 电池，使得 HJT 电池加速产业化。

① 结构对称、工艺简单、设备较少。HJT 电池是在单晶硅片的两面分 别沉积本征层、掺杂层和 TCO 以及双面印刷电极。其结构对称、工 艺相对简单。

② 低温制造工艺。HJT电池采用硅基薄膜工艺形成 p-n 结发射区，制程中的最高温度就是非晶硅薄膜的形成温度(200℃)，避免了传统晶体硅电池形成p-n结的高温(950℃)。可以降低能耗、减少对硅片的热损 伤。

③ 获得较高的转换效率。HJT 电池中的本征薄膜能有效钝化晶体硅和 掺杂非晶硅的界面缺陷，形成较高的开路电压。

④ 由于电池上表面为TCO导电玻璃，电荷不会在电池表面的TCO上产生极化现象，PID 现象（电势诱导衰减）。

HJT 电池由于其较高的转换效率，工序少以及已经有量产实绩， 成为下一代高效电池的主要发展方向。但是其目前的阻碍主要在于工艺要求严格、需要低温组件封装工艺、设备投资高、透明导电薄膜成本高。

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TCO透明导电薄膜目的

TCO膜层在HJT电池中起着透光和导电作用，必须具有光学和电学性能，即同时满足高透过率、高迁移率及低方阻的要求，并尽可能在镀膜过程中减少对非晶硅膜层的损伤。要获得低电阻率，可以通过增加载流子浓度和提高载流子迁移率实现。

由于非晶硅的导电性较差，所以在HJT电池的制作过程中，在电极和非晶硅层之间加一层TCO膜可以有效地增加载流子的收集。透明导电氧化膜具有光学透明和导电双重功能，对有效载流子的收集起着关键作用，可以减少光的反射，起到很好的陷光作用，是很好的窗口层材料。

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TCO透明导电薄膜沉积流程 

该工艺步骤主要是在电池正背面非晶硅薄膜上沉积一层透明导电膜层，通过该层薄膜实现导电、减反射、保护非晶硅薄膜的作用。

1. 工序介绍

在沉积完成非晶硅膜硅片的正反面沉积上透明导电膜，减少对光的反射，并将硅片体内的电流导出。

① 上道工序流入的硅片放入沉积设备配套的自动化设备内，通过自动化设备将硅片放入载板内，载板装满硅片后，送入设备内部，进行工艺完成工艺后，通过回传系统，进入自动化，下料插入花篮，通过中转传输机构，翻面，到另一台沉积设备的自动化内，重新放片、镀膜、卸片后插入干花篮内，流入下一道工序；

② 自动化由德国JR提供，精准取放片，保证工艺的稳定性；

③ 沉积设备由国内捷佳伟创提供，目前全国最大产能的RPD设备，也是第一台国产化设备；

④ 在转换效率方面，能够提升转换效率0.2%。

2. 工序流程

3. 相关说明

4. 制备方法

TCO薄膜的制备方法较多，包括各种物理气相沉积（PVD），化学气相沉积（CVD），喷射热分解法以及溶胶-凝胶法（Sol-Gel），目前行业内常用的TCO镀膜方法为磁控溅射（PVD）和反应等离子体沉积（RPD）

PVD溅射镀膜膜厚均匀易控制，镀膜工艺稳定可控，工艺重复性较好，靶材寿命较长，适合连续生产但离子轰击对薄膜的性能损伤较大，且要获得高性能薄膜，必须制备出高质量靶材。

RPD具有低离子损伤、低沉积温度、可大面积沉积和高生长速率等优势，但RPD为蒸发薄膜，总体来说膜厚均匀性差于PCD溅射镀膜。

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TCO透明导电薄膜制备原理

04-1 物理气相沉积（PVD）

① PVD的定义：

PVD（Physical Vapor Deposition，PVD）是一种物理气相反应生长法。

② 沉积原理

沉积过程是在真空或低气压放电条件下，即在低温等离子体中进行的。涂层的物质源是固态物质，经过“蒸发或溅射”后，在零件表面生成与基材性能完全不同的新的固体物质图层。

PVD基本过程：从原料中发射粒子（经过蒸发、升华、溅射和分解等过程）粒子输运到基片（粒子之间发生碰撞，产生离化、复合、反应，能量的交换和运动方向的变化）粒子在基片上凝结、成核、长大和成膜。

③ PVD 优势

与CVD工艺相比，PVD工艺处理温度低，在600℃以下时对刀具材料的抗弯曲强度无影响；薄膜内部应力状态为压应力，更适于对硬质合金精密复杂刀具的涂层；PVD工艺对环境无不利影响，符合现代绿色制造的发展方向。

④ PVD 特点

⑤ PVD 技术实现方案

异质结透明导电薄膜的PVD技术是采用磁控溅射镀膜技术。

⑥ 磁控溅射技术优点

a. 沉积速度快、基材温升低、对膜层的损伤小；

b. 对于大部分材料，只要能制成靶材，就可以实现溅射；

c. 溅射所获得的薄膜与基片结合较好、易于实现工业化，溅射所获得的薄膜纯度高、致密性好、成膜均匀性好；

d. 溅射工艺可重复性好，可以在大面积基片上获得厚度均匀的薄膜；

e. 能够精确控制镀层的厚度，同时可通过改变参数条件控制组成薄膜的颗粒大小；

f. 不同的金属、合金、氧化物能够进行混合，同时溅射于基材上；

⑦ 磁控溅射技术缺点

a. 常规平面磁控溅射技术靶材利用率不高，一般低于40%；

b. 不能实现强磁性材料的低温高速溅射，因为几乎所有的磁通都通不过磁性靶子，所以在靶面附近不能加外加强磁场。

04-2 反应等离子体沉积（RPD）

① RPD 技术实现方案

TCO 薄膜的RPD(Reactive Plasma Deposition)技术是采用空心阴极反应离子镀技术。

② RPD 过程原理

a. 空心阴极离子镀（hollow cathode discharge deposition，HCD）利用空心阴极发射大量的电子束，使坩埚内镀膜材料蒸发并电离，在基片上的负偏压作用下，离子具有较大能量，沉积在基片表面上的一种镀膜；

b. 空心阴极离子镀技术属于弧光放电时，通过烘烤加热工件及氩离子轰击净化。

c. 工件经清洗入炉后抽真空，当真空度达到界定值后，开启烘烤加热电源，对工件进行加热。

d. 达到一定温度后，从钽管通入氩气，接通工件偏压电源，此时产生辉光放电，获得氩离子。氩离子在负偏压电场的作用下，对工件进行轰击净化并沉积氮化钛硬质涂层后开启空心阴极电源，加大氩气的流量，银管首先产生辉光放电，然后很快转为弧光放电，高密度的电子流到达坩埚，将金属加热、蒸发。

e. 沉积一层纯钛的底层，以提高涂层和基体的结合力。通入氮气，达到预定沉积时间后，关闭弧电源、偏压电源、工件转架、氩气、氮气。

04-3 PVD-RPD 技术对比

RPD 工艺主要采用 RPD 设备匹配 IWO（氧化铟掺钨）靶材制备 IWO 透明导电薄膜，该方法相对于传统 PVD 工艺制备ITO效率上0.3-1%的优势。

由于RPD工艺采用蒸发镀膜对硅衬底轰击较小，并且制备的 IWO 导电薄膜在电学性能上优于 PVD 工艺制备的 ITO 薄膜，并且 IWO 薄膜功函数高于 ITO薄膜，总的来说与非晶硅P层匹配较好，效率上 RPD 工艺制备的 IWO 薄膜优于 PVD 工艺制备的 ITO。

松下公司采用的就是RPD工艺。住友重工持有 RPD 设备与IWO 靶材两项专利技术，限制了该技术的发展。国内捷佳伟创 在获得住友重工授权以后进行研发制造，并实现了在通威产线上的应用。

PVD 工艺主要采用直流磁控溅射制备 TCO，采用的 PVD 设备制备的 TCO一般是 ITO，由于 PVD 工艺带来了粒子高轰击，损伤较大，同时 ITO 光学性能略差于 IWO 导电薄膜，两者电池效率缩小到0.3%以下，PVD 设备技术更加成熟，设备和运营成本更低，因此异质结电池 TCO 薄膜的主流技术应该是 PVD。国外主流厂家为 Meyer Burger，国内包括钧石能源、迈为股份、红太阳等。

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HJT TCO透明导电薄膜"Equipment"

05-1 苏州迈为公司PVD镀膜设备

① 设备结构

Maxwell P6 一套卧式在线磁控溅射连续镀膜设备，可同时进行双面镀膜。

② 设备参数

③ 设备优势

④ 设备工艺流程

05-2 钧石能源PVD镀膜设备

① 设备介绍

钧石能源 PVD 采用水平连续双面可控温真空溅射镀膜方式，实现正反面一次镀膜无需翻面。水平传动快、患定性高，极大的提高了设备产能和连续批量生产重复性。

PVD 又称为物理气相沉积设备，在制作异质结电池时，用来沉积氧化锢锡（ ITO ）即透明导电层等。

设备具备上料外观检测（破片、裂片、崩边）、下料自动 PL 检测及自动离线方阻抽检等功能；单侧上下料，方便与 AGV 对接，实现全自动化流水作业，靶材更换简便、易于保养，节省人力成本和管理成本。

② PVD 设备优势

a. 上下电极在同一系统中同时沉积；

b．双旋转靶设计，靶材利用率超过80%；

c．硅片全自动上下料；

d.uptime超过92%；

e．扩展性好，可兼容166mm、18xmm、210mm等尺寸硅片；

f．设备成熟稳定，故障率低；利用率高，易保养7．运营成本低，保养费用低；

③ PVD设备主要模块

钧石能源PVD设备具有产能高、运行稳定、连续批量化生产重复性好等优势，设备主要包含模块如下：

④ PVD设备结构

特点智能化低成本：

a. 创新型靶机系统，使用者依工艺需求可随意切换完成正面镀、背面镀或双面同时镀，同一系统中完成硅片正／反面的镀膜，一机多用途，避免了传统型靶机只可单面镀膜的缺陷；

b. 采用了双旋转靶设计，独特的下打上的靶座设计，使维护和更换靶材都是从设备上方进行，维护和保养更方便；

c. 在 PVD 设备制程腔増设冷阱系统，优化腔体遮罩、靶座的设计，可预防阴极短路，减少破碎片等导致的短路情况，减少开腔保养次数，缩短了复机时间，改善制程稳定性，极大地提高了设备稼动率；

d. 控制系统使用更多智能化元件及数据采集功能，预留 MES 系统接口，可接入车间工业网络，提供 MES 系统所需的设备控制信息、生产数据采集，可实现单片数据追溯。

⑤ PVD设备主要技术参数

05-3 中电科电子装备 PVD镀膜设备

a. 用于高效晶体硅太阳能电池制造工艺中HJT电池片的正面和背面ITO膜的沉积；

b. 模块化设计，便于安装以及产能升级；

c. 满足不同温度沉积ITO薄膜，工艺扩展性强；

d. 采用磁控旋转阴极靶快速镀膜技术，靶材利用率高；

e. 分区加热和控温，具有出色的控温系统和控温性能；

05-4 梅耶博格HJT设备

05-5 捷佳创RPD镀膜设备

① 设备介绍

a. HJT反应式等离子体镀膜设备 HJT Reactive Plasma Deposition (RPD)

b. 设备型号：PAR5500A

c. 设备优势

高解离率离子、低轰击能量镀膜，不损伤衬底表面，保持良好的接口特性，薄膜的载子迁移率超高，经长期量产验证的精密镀膜技术。

d. 设备用途

制备(TCO) 透明导电薄膜。

② 设备工艺

使用低能量高密度电子束升华靶材产生高解离率的离子镀着在衬底的表面。

③ 技术特点

a. 世界第一异质结太阳电池大厂唯一选用RPD设备。

b. 高达80%以上铟解离率，成就高质量的透明导电膜(TCO)。

c. 镀膜过程低于30eV离子轰击，不损伤非晶硅膜，保持良好接口特性。

d. 高载子迁移率与低载子浓度，确保优异导电性与高长波长透光率。

e. 靶材IWO载子迁移率高达80cm2/V·s，新材料ICO载子迁移率可高达130cm2/V·s。

f. 异质结厂商长期量产验证，采用RPD制备的电池效率比其他设备多0.4%。

g. 可依客户产线规划，提供直线型RPD设备与回路型RPD设备。

④ 设备参数

资料来源：光伏技术

END

原文始发于微信公众号（光伏产业通）：HJT透明导电薄膜TCO技术