Was ist eine HJT-Zelle? Dieser Artikel wird Ihnen ein umfassendes Verständnis vermitteln!

Was ist HJT?Zelle

Die HJT-Zelle, auch Heterojunction-Zelle genannt, basiert auf N-dotiertem Silizium-Einkristall und besteht aus Silizium-Dünnschichtstapeln und transparenten leitfähigen Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften auf Vorder- und Rückseite. Standardmäßige kristalline Silizium-Solarzellen sind Homojunction-Zellen, d. h. die PN-Übergänge werden auf demselben Halbleitermaterial gebildet. Die PN-Übergänge von Heterojunction-Zellen hingegen bestehen aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien.

Die japanische Firma Sanyo erfand die HITcell im Jahr 1990 und beantragte die Eintragung einer Marke. Daher werden Heterojunction-Zellen auch HJT (Heterojunction Technology) oder SHJ (Silicon Heterojunction) genannt.

Der Aufbau der HJT-Zelle ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Zunächst werden auf der Vorderseite des N-dotierten Einkristall-Siliziumwafers (c-Si) ein sehr dünner intrinsischer amorpher Siliziumfilm (ia-Si:H) und ein p-dotierter amorpher Siliziumfilm (pa-Si:H) abgeschieden. Anschließend werden auf der Rückseite des Siliziumwafers ein sehr dünner intrinsischer amorpher Siliziumfilm (ia-Si:H) und ein n-dotierter amorpher Siliziumfilm (na-Si:H) abgeschieden, um ein Rückseitenfeld zu erzeugen. Danach wird mittels PVD auf beiden Seiten der Zelle ein transparenter leitfähiger Oxidfilm (TCO) abgeschieden. Der TCO reduziert nicht nur den Serienwiderstand beim Stromfluss, sondern dient auch der Antireflexion. Abschließend wird eine Metallelektrode auf dem TCO aufgebracht.

Der PN-Übergang der Heterostruktur nutzt unterschiedliche Halbleitermaterialien zur Bildung einer Doppelheterostruktur: Eine dünne Schicht aus Material mit schmaler Bandlücke wird zwischen die Halbleitermaterialien mit breiter Bandlücke (p-Typ und N-Typ) eingefügt.

Hjt Technology wird als Pufferschicht zwischen den PN-Übergängen intrinsisches amorphes Silizium eingefügt, was eine gute Passivierungswirkung auf die Oberfläche des kristallinen Siliziums hat und das Problem der hohen Ladungsträgerrekombinationsverluste im Kontaktbereich zwischen der herkömmlichen Dotierungsschicht der Zelle und dem Substrat löst, wodurch eine höhere Minoritätsträgerlebensdauer und Leerlaufspannung erreicht werden.

Entwicklungsstadien von HJT Zelle

Die Entwicklungsgeschichte der HJT-Zelle lässt sich in vier Phasen unterteilen: die anfängliche Entwicklungsphase, die Industrialisierungsphase, die erste Phase der kommerziellen Produktion und die Phase der explosionsartigen Zunahme der kommerziellen Massenproduktion.

Vorteile von HJT Zelle

1. Hohe Umwandlungseffizienz

Hauptsächlich aufgrund der doppelten Passivierungswirkung des N-Typ-Siliziumsubstrats und des amorphen Siliziums auf Substratoberflächendefekte.

Derzeit liegt die Effizienz der Massenproduktion im Allgemeinen über 24 %. Der technische Weg zu mehr als 25 % ist klar: Auf der Vorder- und Rückseite werden dotiertes nanokristallines Silizium, dotiertes mikrokristallines Silizium, dotiertes mikrokristallines Siliziumoxid und dotiertes mikrokristallines Siliziumkarbid verwendet, um die bestehende Dotierung zu ersetzen. Die zukünftige Überlagerung von IBC und Perowskit-Konversionseffizienz von HJT kann auf über 30 % gesteigert werden.

2. Kurzer Prozessablauf

Der HJTcell-Prozess umfasst im Wesentlichen vier Schritte: Texturierung, Abscheidung von amorphem Silizium, TCO-Abscheidung und Siebdruck; deutlich weniger als PERC (10) und TOPCON (12–13). Die Abscheidung von amorphem Silizium erfolgt hauptsächlich mittels PECVD-Verfahren.

Für die Abscheidung von TCO-Dünnschichten existieren derzeit zwei Verfahren: RPD (reaktive Plasmaabscheidung) und PVD (physikalische chemische Gasphasenabscheidung). RPD-Patente weisen eine hohe Patentdurchdringung auf, während die PVD-Technologie ausgereift ist und zahlreiche Hersteller entsprechende Anlagen anbieten.

3. Niedertemperaturverfahren

HIT-Zellen nutzen Silizium-Dünnschichten zur Bildung von pn-Übergängen. Die höchste Prozesstemperatur entspricht daher der Bildungstemperatur der amorphen Silizium-Dünnschichten (~200 °C). Dadurch wird die hohe Temperatur (ca. 900 °C) vermieden, die bei herkömmlichen thermisch diffusionsbasierten kristallinen Silizium-Solarzellen zur Bildung von pn-Übergängen erforderlich ist. Niedertemperaturprozesse sparen Energie und reduzieren thermische Schäden und Verformungen der Siliziumwafer. Dünne Siliziumwafer können als Substrate verwendet werden, was die Materialkosten senkt. Die kürzlich von Sanyo (jetzt Panasonic) entwickelten hocheffizienten HIT-Zellen basieren alle auf Siliziumwafern mit einer Dicke von weniger als 100 µm.

4. Hohe Leerlaufspannung

HIT-Zellen verwenden eine intrinsische ia-SiH-Dünnschicht zwischen kristallinem Silizium und dotiertem Silizium, wodurch Defekte an der Oberfläche des kristallinen Siliziums effektiv passiviert werden. Daher ist die Leerlaufspannung von HIT-Zellen deutlich höher als die von herkömmlichen Zellen, was zu einer hohen photoelektrischen Umwandlungseffizienz führt. Aktuell liegt die Leerlaufspannung von HIT-Zellen bei 750 mV.

5. Niedriger Temperaturkoeffizient

Die Leistungsdaten von Solarzellen werden üblicherweise unter Standardbedingungen bei 25 °C gemessen. Die tatsächliche Anwendungsumgebung von PhotovoltaikmodulDa HIT-Zellen im Freien eingesetzt werden, ist ihre Leistungsfähigkeit unter hohen Temperaturen besonders wichtig. Dank der Heterostruktur aus amorphem Siliziumdünnfilm und kristallinem Silizium in der HIT-Zellstruktur weisen sie deutlich bessere Temperatureigenschaften auf. Der anfänglich berichtete Temperaturkoeffizient der HIT-Zelle lag bei -0,33 %/°C. Nach Optimierungen konnte die Leerlaufspannung der Zelle verbessert und der Temperaturkoeffizient auf -0,25 %/°C reduziert werden. Dies entspricht etwa der Hälfte des Temperaturkoeffizienten von kristallinen Siliziumzellen (-0,45 %/°C), wodurch HIT-Zellen bei geringem Temperaturanstieg eine höhere Leistung als herkömmliche Zellen erzielen. Durch den amorphen Siliziumdünnfilm in der Zellstruktur vereinen HIT-Zellen die Vorteile von Dünnschichtzellen und weisen eine bessere Leistung bei schwachem Licht als herkömmliche Zellen auf.

6. Kein LID und PID, geringe Dämpfung

Da das Substrat von HJT-Zellen üblicherweise aus n-dotiertem monokristallinem Silizium besteht und dieses phosphor-dotiert ist, enthält p-dotiertes kristallines Silizium keine Bor-Sauerstoff- oder Bor-Eisen-Verbindungen usw. Daher sind HJT-Zellen immun gegen den LID-Effekt. Die Oberfläche der HJT-Zelle ist mit einem TCO-Film beschichtet und weist keine Isolierschicht auf, wodurch eine Aufladung der Oberflächenschicht und somit PID in der Struktur verhindert wird.

7. Hohe Bifazialität

Die HJT-Zelle besitzt eine symmetrische Struktur auf Vorder- und Rückseite, und die TCO-Schicht ist lichtdurchlässig, wodurch sie eine natürliche bifaziale Zelle darstellt. Die Bifazialität der HJT-Zelle kann über 90 % (bis zu 98 %) erreichen; die Bifazialität der bifazialen PERC-Zelle liegt hingegen nur bei etwas über 75 %.

8. Geringer CO2-Fußabdruck

Laut statistischen Daten können Heterojunction-Zellen den Verbrauch von Silizium als Rohmaterial, den Energieverbrauch und die CO₂-Emissionen effektiv reduzieren. Der CO₂-Fußabdruck lag im April 2024 bei 397 eq/W und damit 200 eq/W niedriger als bei PERC-Komponenten. Zukünftig sollen durch weitere Kostensenkungs- und Effizienzsteigerungsmaßnahmen der CO₂-Fußabdruck auf unter 300 eq/W gesenkt werden.

HJT-Zellprozess

Im Vergleich zum Produktionsprozess von monokristallinen PERC- und TOPCon-Zellen ist der Prozessablauf der HJT-Zelltechnologie stark verkürzt und besteht im Wesentlichen nur aus vier Schritten: Reinigung und Texturierung, Abscheidung von amorphem Silizium, TCO-Abscheidung und Siebdruck.

HJTHauptprozess und Funktion

1. Reinigung und Texturierung

Der Texturierungs- und Reinigungsprozess muss die Lichtabsorption der Zelle optimieren. Die effektive Samtstruktur bewirkt, dass das einfallende Licht an der Oberfläche mehrfach reflektiert und gebrochen wird, wodurch der optische Weg verlängert und die Anzahl der photogenerierten Ladungsträger erhöht wird. Um Defekte und Verunreinigungen, die durch die unsaubere Siliziumwaferoberfläche eingebracht werden, zu reduzieren und somit die Rekombinationsverluste der Ladungsträger an der Grenzfläche zu verringern, ist eine saubere Oberfläche erforderlich.

2. Abscheidung von amorphem Silizium

①Zweck:Durch die Abscheidung von intrinsischen und dotierten amorphen Siliziumschichten auf der Vorder- und Rückseite von Siliziumwafern lässt sich eine hervorragende Oberflächenpassivierung erzielen, die eine wichtige Voraussetzung für einen höheren Wirkungsgrad der Solarzellen darstellt. Die exzellente Passivierungswirkung des amorphen Siliziums kann die Minoritätsträgerlebensdauer der Siliziumwafer deutlich erhöhen.

②Methode:Die in der Serienproduktion eingesetzte Cluster-RF-PECVD-Anlage zeichnet sich durch höchste Prozessgenauigkeit aus und erreicht innerhalb von 0,5 s nach dem Start der Glimmphase Stabilität. Um Kreuzkontaminationen durch die Abscheidung von Dotierungsgasen zu vermeiden, werden vier Hauptreaktionskammern zur Abscheidung von pa-Si:H, ia-Si:H (p-Seite), na-Si:H und ia-Si:H (n-Seite) verwendet. SiH dient als Vorläufer (und H₂ wird zur Anpassung des SiH₄-Verhältnisses eingesetzt) ​​zur Abscheidung von ia-Si:H. Die Dotierungsgase PH₃ und B₂H werden zur Abscheidung der entsprechenden na-Si:H- und pa-Si:H-Schichten hinzugefügt. Die Schichtdicke jeder Abscheidung liegt zwischen 5 und 8 nm.

3. TCO-Ablagerung

① Zweck:Die TCO-Schicht spielt in HJT-Zellen eine wichtige Rolle für Lichttransmission und Leitfähigkeit. Sie muss sowohl optische als auch elektrische Eigenschaften aufweisen, d. h. gleichzeitig hohe Transmission, hohe Beweglichkeit und niedrigen Flächenwiderstand gewährleisten und die Beschädigung der amorphen Siliziumschicht während des Beschichtungsprozesses minimieren. Ein niedriger spezifischer Widerstand lässt sich durch Erhöhung der Ladungsträgerkonzentration und Verbesserung der Ladungsträgerbeweglichkeit erzielen.

Da amorphes Silizium eine geringe Leitfähigkeit aufweist, kann das Aufbringen einer TCO-Schicht zwischen Elektrode und amorpher Siliziumschicht während der Herstellung von HJT-Zellen die Ladungsträgerausbeute effektiv erhöhen. Die transparente leitfähige Oxidschicht vereint optische Transparenz und Leitfähigkeit, spielt eine Schlüsselrolle bei der effektiven Ladungsträgerausbeute, reduziert Lichtreflexionen und besitzt eine gute Lichtabsorption. Sie eignet sich daher hervorragend als Fensterschichtmaterial.

②Methode:

4. Siebdruck

①Zweck:Um den erzeugten Strom abzuleiten, müssen positive und negative Elektroden auf der Zelloberfläche aufgebracht werden. Die grundlegenden Anforderungen an die Elektrodenherstellung sind: guter Kontakt mit der ITO-Schicht, gute Leitfähigkeit und hohe Stromausbeute. Derzeit ist das Siebdruckverfahren die gängigste Methode zur Elektrodenherstellung in der Industrie. Dabei wird Silberpaste im Siebdruckverfahren auf die Vorder- und Rückseite der Zelle aufgetragen.

②Methode:Da HJT-Zellen nicht hochtemperaturbeständig sind, unterscheidet sich die in diesem Projekt verwendete Silberpaste von herkömmlichen Produkten. Im Verfahren kommen Niedertemperatur-Silberpastendruck und Niedertemperaturhärtung zum Einsatz. Der genaue Prozessablauf umfasst das Bedrucken der Rückseitenelektrode, das Trocknen, das Bedrucken der positiven Elektrode, das Trocknen und die Niedertemperaturhärtung. Die Härtungstemperatur wird üblicherweise auf etwa 200 °C geregelt.

HJTZelleUnternehmenslayout

Im Jahr 2023 erlebte die HJT-Zellentechnologie mit der Weiterentwicklung der Photovoltaikzellentechnologie einen rasanten Aufschwung. Laut PV Headlines investierten in diesem Jahr 39 Unternehmen in HJT-Projekte mit einer Gesamtproduktionskapazität von 265 GW und einem Investitionsvolumen von fast 200 Milliarden Yuan.

Nach 2024, mit der Massenproduktion von Produkten verschiedener Heterojunction-Unternehmen, hat die Heterojunction-Industrie eine neue Phase erreicht. Im März 2024 gründeten Unternehmen wie Huasheng New Energy, Risen Energy, Quanwei Technology, Guosheng Technology, Mingyang Photovoltaic und Liansheng Photovoltaic den „740W+ Club“. Diese Unternehmen zählen zu den führenden Anbietern von Heterojunction-Zelltechnologie.

Zukünftiger Entwicklungstrend von HJT Zelle

Laut Daten des chinesischen Photovoltaik-Industrieverbandes wird der Marktanteil von HJT im Jahr 2023 bei 3 % liegen, im Jahr 2024 auf 11,7 % steigen und bis 2030 voraussichtlich 30 % übersteigen.

Laut Statistik haben China Green Development, Datang, Guotou, China Power Construction, Huaneng, Huadian, Energy Construction, State Power Investment, China Railway Construction u. a. seit 2024 Ausschreibungen für Heterojunction-Modulprojekte mit einer Gesamtleistung von 20,789 GW veröffentlicht. Dies zeigt, dass die Heterojunction-Technologie von zentralen Staatsunternehmen allgemein anerkannt wird.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Heterojunction/Perowskit-Technologie besteht darin, dass sie eine gestapelte Zelle mit der Perowskit-Zelle bildet. Derzeit liegt der höchste Wirkungsgrad einer solchen gestapelten Zelle bei 30,09 %, wobei der theoretische Maximalwirkungsgrad 40 % übersteigen kann. Daher bietet die Heterojunction-Zelltechnologie vielversprechende Entwicklungsperspektiven.