TOPCon-solcell: fullständig beteckning, struktur och hur den fungerar

Snabbt svar: TOPCon står för Tunnel Oxide Passivated Contact. Det är en solcellsteknik i N-typ kisel som placerar ett ultratunt tunneloxidskikt, cirka 1 till 2 nanometer, under ett dopat polysilikonlager på baksidan. Denna stapel gör två saker: den passiverar baksidan så att färre laddningsbärare rekombinerar där, och den låter majoritetsbärare tunnla igenom samtidigt som den blockerar motsatt polaritet. Resultatet är en högre öppen kretsspänning än PERC, och därmed högre verkningsgrad — anledningen till att TOPCon ersatte PERC som den dominerande industriella cellteknologin. Avgörande för tillverkare är att TOPCon till stor del är produktionslinjekompatibel med befintlig PERC-utrustning och huvudsakligen kräver tillagda steg för bordiffusion, tunneloxid och polysilikonavsättning. Den är också grunden för back-contact-familjen: IBC-, TBC-, HBC- och HIBC-celler bygger alla på TOPCon-passiveringskontakten.

PV-modultillverkning · av Jerry, Ooitech

Introduktion till TOPCon-solceller

TOPCon är det första steget i en längre back-contact-sekvens. Hur IBC, TBC, HBC och HIBC bygger vidare på det beskrivs i BC-cellteknikens färdplan: från struktur till process.

TOPCon (Tunnel Oxide Passivating Contact) är en N-typ wafer-cellteknik som först dök upp 2013. En TOPCon-solcell är en tunneloxidpassiverad kontaktsolcell byggd på ett N-typ substrat.

Jämfört med PERC-celler använder TOPCon-celler en tunneloxid med utmärkta laddningstransportegenskaper som laddningstransportskikt på baksidan av cellen. Ovanpå detta deponeras en dopad polysilikonfilm på cirka 20nm för att bilda en passiverad kontaktstruktur på baksidan. Detta minskar effektivt ytrekombination och metallkontaktrekombination, höjer öppen kretsspänning och förbättrar energiomvandlingseffektiviteten.

TOPCon är en tunneloxidpassiverad kontaktsolcellsteknik baserad på principen om selektiva bärare, vilket ger en överlägsen passiveringseffekt.

TOPCon-cellen använder ett N-typ substrat. En tunn oxid beläggs på baksidan av cellen, följt av en dopad tunn film. Tillsammans bildar dessa en passiverad kontaktstruktur som effektivt minskar ytrekombination och metallkontaktrekombination, vilket ger större utrymme att ytterligare förbättra omvandlingseffektiviteten hos N-PERT-celler.

TOPCon-tekniken bevarar och återanvänder i största möjliga utsträckning befintlig konventionell P-typs cellutrustning och processer. Den kräver endast tillägg av bor-diffusions- och tunnfilmsdeponeringsutrustning, utan behov av bakre öppning eller inriktning. Detta förenklar avsevärt cellproduktionsprocessen och håller svårigheten för massproduktion låg. Processlinjen erbjuder hög kompatibilitet och kan köras parallellt med högtemperaturtillverkningslinjerna som används för PERC- och N-PERT-bifaciala celler.

TOPCon-celler erbjuder fördelarna låg degradering, hög bifacialitet och en låg temperaturkoefficient, vilket ger tydliga effektvinster på terminalstationsnivå.

Utvecklingsstadier för TOPCon-celler

Utvecklingshistorien för TOPCon-celler kan delas in i fyra stadier: teknikprototypperioden, produktlayoutperioden, kommersiell marknadsföringsperiod och explosiv tillväxtperiod.

Fördelar med TOPCon-celler

Prestandafördelar

• Hög omvandlingseffektivitet. Tack vare den unika passiverade kontaktdesignen hos TOPCon-celler når den teoretiska effektivitetsgränsen upp till 28,7%. Ledande TOPCon-tillverkare har redan uppnått massproduktionseffektiviteter över 25,5%, en betydande förbättring jämfört med mainstream PERC-celler (nuvarande massproduktionsomvandlingseffektivitet runt 23,5%, teoretisk gräns 24,5%).

• Hög bifacialitet. TOPCon-bifaciala celler producerar cirka 3% mer effekt per watt än bifaciala PERC-celler. I samma markmonterade kraftverksscenario ger detta högre effektvinster.

• Låg temperaturkoefficient. Temperaturkoefficienten för N-typ TOPCon-moduler är så låg som -0,30%/℃, bättre än -0,35%/℃ för P-typ-moduler, vilket visar utmärkt stabilitet i högtemperaturmiljöer.

• Låg degradering. Fosfordopat N-typ kristallint kisel innehåller extremt låg borhalt, så det finns i princip ingen bor-syre-rekombination, vilket ger en fördel i degraderingshastighet. Vissa TOPCon-moduler visar en förstaårsdegradering på 1% och en linjär årlig degradering på 0,4%, jämfört med 2% första året och 0,45% linjär för PERC-moduler, vilket ger en effektvinst per watt över modulens livscykel.

• Stark prestanda i svagt ljus. TOPCon-celler svarar väl på både korta och långa våglängder och bibehåller utmärkt kraftgenereringsförmåga under svaga ljusförhållanden som tidig morgon, kväll och molnigt väder.

Ekonomiska fördelar

• Hög kompatibilitet med PERC-tillverkning, vilket sänker svårigheten med teknikuppgraderingar. TOPCon kan utökas från PERC-processteknik och kräver endast fyra extra steg: förberedelse av bor-emitter, tillväxt av tunneloxidlagret, deponering och dopning av polysilicium samt rengöring efter diffusion. Detta sänker svårigheten med uppgraderingar och påskyndar införandet av TOPCon-teknik.

• Smidig linjekonvertering med låg investeringskostnad för utrustning. Att bygga en ny TOPCon-linje kräver utrustningsinvesteringar på cirka 200-250 miljoner, medan en ny HJT-linje kräver 350-400 miljoner. Eftersom TOPCon erbjuder god utrustningskompatibilitet med befintliga PERC-linjer behöver endast bor-diffusions- och polysilicium/amorft silicium-deponeringsutrustning (LPCVD / PECVD / PVD) läggas till, med utrustningsinvesteringar på cirka 50-70 miljoner. Detta undviker storskaliga investeringar i ny utrustning och större linjeombyggnationer, vilket gör det mycket ekonomiskt.

• Betydande potential för prispåslag. Jämfört med PERC-moduler erbjuder TOPCon-moduler högre kraftgenerering per watt, högre genereringsvinster och lägre systemkostnader, vilket skapar betydande utrymme för prispåslag.

Tillverkningsprocess för TOPCon-celler

Jämfört med monokristallina PERC-processer lägger TOPCon-cellproduktionen till 2 till 3 extra steg: deponering av tunneloxidlagret (ultratunn SiO2, 1-2nm), deponering av det intrinsiska polysilicium-passiveringslagret (60-100nm) och fosforimplantation.

Huvudsakliga processteg och deras funktioner

1. Rengöring och texturering

Syfte: Efter skivskärning är kanterna skadade, kristallgitterstrukturen är bruten och ytrekombinationen är allvarlig. Rengöring och texturering syftar främst till att avlägsna ytskador och bilda en pyramidformad ljusfångande struktur på ytan. Ljus reflekteras flera gånger över skivans yta, vilket minskar reflektansen.

2. Bordiffusion

Syfte: Huvudfunktionen är att bilda PN-övergången. Eftersom bor har låg löslighet i fast kisel krävs höga temperaturer och längre tider för diffusion. Valet av diffusionskälla påverkar också produktionen: klorider är frätande, medan bromider är trögflytande, vilket gör rengöring besvärlig och ökar underhållskostnaderna.

Bordiffusion utförs vanligtvis vid högre temperaturer—över 1000℃—och jämfört med den 102 minuter långa cykeln som krävs för fosfordiffusion tar bordiffusionscykeln 150 minuter.

Princip:

De gasformiga HCl och H2O som genereras av reaktioner inuti ugnsröret transporteras av N2 och fördelas jämnt i hela röret. H2O reagerar också med BBr3 och O2 för att bilda B2O3, som ytterligare reagerar för att bilda gasformigt HBO2; vid höga temperaturer sönderdelas HBO2 tillbaka till B2O3, vilket gör att B2O3 fördelas jämnt över solcellens yta. Dessutom reagerar H2O med B2O3 som avsatts inuti ugnsröret, vilket förhindrar B2O3-uppbyggnad på diffusionsrörets väggar, förlänger kvartskomponenternas livslängd och ökar den effektiva borkällan. HCl kan också reagera med metallföroreningar på cellytan och inuti röret för att bilda gasformiga metallklorider som lämnar med avgaserna, vilket förhindrar att metallföroreningar diffunderar in i solcellen under högtemperaturprocessen.

3. SE-laserdopning

Syfte: Att bilda en selektiv emitter. Högkoncentrationsdopning appliceras vid och nära kontaktytorna mellan metallgridlinjerna och skivan för att minska kontaktresistansen mellan frontmetallelektroden och skivan, medan lågkoncentrationsdopning utanför elektrodområdena minskar rekombination i diffusionsskiktet. Optimering av emittern ökar solcellens utström och spänning, vilket förbättrar den fotoelektriska omvandlingseffektiviteten.

Där lasern placeras i TOPCon-flödet: PERC SE använder fosfordopning, medan TOPCon SE använder bordopning. Eftersom bor och fosfor har olika segregeringskoefficienter, diffunderar fosfor lättare från kiseldioxid till kisel, medan bor är svårare att pressa in och kräver mer energi. Ändå skadar överdriven laserenergi lätt skivan, vilket gör bordopning mer utmanande. Jämfört med traditionell bordiffusion kan tillägg av SE-teknik till TOPCon-celler teoretiskt förbättra verkningsgraden med 0,5 %, och i faktisk massproduktion kan en verkningsgradsökning på 0,2–0,4 % uppnås.

4. Etching

Syfte: Huvudfunktionen för etching är att avlägsna BSG och bakre pn-övergången. Diffusionsprocessen bildar diffusionsskikt på både skivans yta och dess kanter; kantdiffusionsskiktet orsakar lätt kortslutningar, och ytdiffusionsskiktet påverkar efterföljande passivering, så båda måste avlägsnas. Etching görs för närvarande främst med våta metoder, där bakre och kantdiffusionsskikt avlägsnas i kedjeutrustning innan framsidan bearbetas.

5. Förberedelse av tunneloxidlagret och polysiliciumlagret

Syfte: Deponera ett 1–2 nm tunneloxidlager på baksidan, deponera sedan ett 60–100 nm polysiliciumlager för att bilda passiveringsstrukturen. Det finns flera metoder för att förbereda TOPCon-passiveringsskiktet, främst LPCVD-, PECVD- och PVD-vägar. LPCVD är för närvarande den vanligaste, men omslutande deponering är allvarlig, medan PECVD erbjuder stark potential i övergripande prestanda.

6. Förberedelse av bakre antireflexfilm

Syfte: Förbereda en antireflexpassiveringsfilm på cellens baksida för att öka ljusabsorptionen. Samtidigt passiverar väteatomerna som genereras under SiNx-filmens bildningsprocess skivan.

7. Deponering av aluminiumoxid på framsidan

Syfte: Deponera ett lager av aluminiumoxidfilm på skivans framsida, som tillsammans med andra filmer bildar frontpassiveringseffekten.

8. Förberedelse av främre antireflexfilm

Syfte: Den främre antireflexfilmen fungerar i princip på samma sätt som den bakre. Dessutom är aluminiumoxidfilmen som deponeras på framsidan mycket tunn och skadas lätt under efterföljande cell- och modultillverkning, så den främre SiNx skyddar också aluminiumoxiden.

9. Screentryck - Laseröverföring av mönster

För närvarande använder de flesta celltryck fortfarande screentryck. I framtiden, när det gäller att minska silverpastaförbrukningen för N-typceller, kan mönsteröverföringstryck ha fördelen. Lasertransfer är en ny typ av icke-kontakt tryckteknik: den erforderliga pastan beläggs på ett specifikt flexibelt transparent material, och en högeffektslaserstråle utför höghastighets mönsterskanning för att överföra pastan från det flexibla transparenta materialet till cellytan, vilket bildar gridlinjerna och förbereder front- och bakrelektroderna.

10. Sintring

God ohmsk kontakt bildas genom högtemperatursintring.

11. Automatisk sortering

Celler sorteras i fack enligt deras olika omvandlingseffektivitet.

Framtida utvecklingstrender för TOPCon-celler

Under 2023 nådde den genomsnittliga omvandlingseffektiviteten för N-typ TOPCon-celler 25,0 %, och den genomsnittliga omvandlingseffektiviteten för heterojunction-celler nådde 25,2 %, båda med betydande förbättringar jämfört med 2022.

Under 2023 var nyinstallerade massproduktionslinjer huvudsakligen N-typ cellinjer. I takt med att N-typ cellkapacitet gradvis släpptes, komprimerades PERC-cellens marknadsandel till 73,0 %. N-typ celler stod för totalt cirka 26,5 %, med N-typ TOPCon-celler på cirka 23,0 %, heterojunction-celler på cirka 2,6 % och XBC-celler på cirka 0,9 % – alla betydande ökningar jämfört med 2022.

Från och med 2024 kommer andelen N-typ celler som representeras av TOPCon att helt överträffa P-typ PERC, och branschen förväntar sig att andelen ska nå och överstiga 70 %.

Ooitechs perspektiv

Ooitech anser: TOPCon, en N-typ tunneloxidpassiverad kontaktcellteknik som bygger på befintliga PERC-linjer, ger högre effektivitet, lägre degradering och starkare effektförstärkningar, och blir nu mainstream inom solenergiindustrin.