Vad är TOPCon-solcell? En komplett guide till tunneloxidpassiverad kontaktteknik

Introduktion till TOPCon-solceller

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 ett tunneloxidskikt med utmärkta laddningstransportegenskaper som laddningstransportskikt på baksidan av cellen. Ovanpå detta deponeras en dopad polysiliciumfilm på cirka 20 nm 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. Ett tunt oxidskikt förbereds 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-typscellsutrustning och processer. Den kräver endast tillägg av bor-diffusions- och tunnfilmsdeponeringsutrustning, utan behov av bakre öppning eller inriktning. Detta förenklar avsevärt cellproduktionsprocessen och håller svårighetsgraden för massproduktion låg. Processlinjen har hög kompatibilitet och kan köras parallellt med högtemperaturtillverkningslinjerna som används för PERC- och N-PERT-bifaciala celler.

TOPCon-celler erbjuder fördelarna med låg nedbrytning, hög bifacialitet och låg temperaturkoefficient, vilket ger tydliga effektvinster på terminalkraftverksnivå.

Utvecklingsstadier för TOPCon-celler

Utvecklingshistoriken för TOPCon-celler kan delas in i fyra stadier: teknikprototypperiod, produktlayoutperiod, 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%/°C, bättre än -0,35%/°C för P-typ-moduler, vilket visar utmärkt stabilitet i högtemperaturmiljöer.

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

• Stark prestanda i svagt ljus. TOPCon-celler svarar bra 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 svårighetsgraden för 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 svårighetsgraden för uppgradering och påskyndar införandet av TOPCon-teknik.

• Smidig linjeomställning 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 behövs endast bor-diffusions- och polysilicium/amorft silicium-deponeringsutrustning (LPCVD / PECVD / PVD) läggas till, med en utrustningsinvestering 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 generationsvinster och lägre systemkostnader, vilket skapar betydande utrymme för ett prispåslag.

Tillverkningsprocess för TOPCon-celler

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

Huvudsakliga processsteg och deras funktioner

1. Rengöring och texturering

Syfte: Efter wafer-skärning 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 waferytan, vilket minskar reflektansen.

2. Bordiffusion

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

Bordiffusion utförs vanligtvis vid högre temperaturer – över 1000°C – 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 vidare reagerar för att bilda gasformigt HBO2; vid höga temperaturer sönderfaller 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 livslängden på kvartskomponenterna 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 den främre metallelektroden och skivan, medan lågkoncentrationsdopning utanför elektrodområdena minskar rekombinationen i diffusionsskiktet. Optimering av emittern ökar solcellens utström och spänning, vilket förbättrar den fotoelektriska omvandlingseffektiviteten.

Var lasern sitter i TOPCon-flödet: PERC SE använder fosfordopning, medan TOPCon SE använder bordopning. Eftersom bor och fosfor har olika segregationskoefficienter, diffunderar fosfor lättare från kiseldioxid till kisel, medan bor är svårare att trycka 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 effektiviteten med 0,5%, och i verklig massproduktion kan en effektivitetsökning på 0,2-0,4% uppnås.

4. Etning

Syfte: Huvudfunktionen för etning 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. Etning görs för närvarande främst med våta metoder, där bakre och kantdiffusionsskikten avlägsnas i kedjeutrustning innan framsidan bearbetas.

5. Förberedelse av tunneloxidlagret och polysiliciumlagret

Syfte: Deponera ett 1-2 nm tunneloxidskikt på baksidan, deponera sedan ett 60-100 nm polysiliciumskikt för att bilda passiveringsstrukturen. Det finns flera metoder för att förbereda TOPCon-passiveringsskiktet, främst LPCVD-, PECVD- och PVD-vägar. LPCVD är för närvarande mainstream, men omslutande deponering är allvarlig, medan PECVD har 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 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-typsceller, kan mönsteröverföringstryck ha fördelen. Laseröverföring är en ny typ av kontaktlös tryckteknik: den nödvändiga pastan beläggs på ett specifikt flexibelt transparent material, och en högeffektslaserstråle utför höghastighetsmönstrad skanning för att överföra pastan från det flexibla transparenta materialet till cellytan, vilket bildar gridlinjerna och förbereder fram- och bakelektroderna.

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 för heterojunction-celler 25,2 %, båda betydande förbättringar jämfört med 2022.

Under 2023 var nyligen driftsatta massproduktionslinjer huvudsakligen N-typscellinjer. I takt med att N-typscellkapaciteten gradvis släpptes, komprimerades PERC-cellernas marknadsandel till 73,0 %. N-typsceller utgjorde totalt cirka 26,5 %, med N-typ TOPCon-celler cirka 23,0 %, heterojunction-celler cirka 2,6 % och XBC-celler cirka 0,9 % – alla betydande ökningar jämfört med 2022.

Från och med 2024 kommer andelen N-typsceller representerade av TOPCon att helt överträffa P-typ PERC, och branschen förväntar sig att andelen når och överstiger 70 %.

Ooitechs perspektiv

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