Что такое солнечный элемент TOPCon? Полное руководство по технологии туннельного оксида с пассивированным контактом

Введение в TOPCon солнечные элементы

TOPCon (пассивированный контакт с туннельным оксидом) - это технология N-типа пластин, впервые появившаяся в 2013 году. TOPCon солнечный элемент - это солнечный элемент с пассивированным контактом на основе туннельного оксида, построенный на подложке N-типа.

По сравнению с PERC элементами, TOPCon элементы используют слой туннельного оксида с отличными свойствами переноса заряда в качестве слоя переноса заряда на тыльной стороне элемента. Поверх него наносится легированная поликремниевая пленка толщиной около 20 нм, образуя пассивированную контактную структуру на тыльной стороне. Это эффективно снижает поверхностную рекомбинацию и рекомбинацию на металлическом контакте, повышает напряжение холостого хода и улучшает эффективность преобразования энергии.

TOPCon - это технология солнечных элементов с пассивированным контактом на основе туннельного оксида, основанная на принципе селективных носителей, обеспечивающая превосходный эффект пассивации.

TOPCon элемент использует подложку N-типа. На тыльной стороне элемента подготавливается тонкий оксидный слой, затем наносится легированная тонкая пленка. Вместе они образуют пассивированную контактную структуру, которая эффективно снижает поверхностную рекомбинацию и рекомбинацию на металлическом контакте, обеспечивая больше возможностей для дальнейшего повышения эффективности преобразования N-PERT элементов.

Технология TOPCon максимально сохраняет и использует существующее традиционное P-типа оборудование и процессы для ячеек. Она требует лишь добавления оборудования для диффузии бора и осаждения тонких пленок, без необходимости открытия или выравнивания задней стороны. Это значительно упрощает процесс производства ячеек и сохраняет низкую сложность массового производства. Технологическая линия обладает высокой совместимостью и может работать параллельно с высокотемпературными производственными линиями, используемыми для двусторонних ячеек PERC и N-PERT.

Ячейки TOPCon обладают преимуществами низкой деградации, высокой двусторонности и низкого температурного коэффициента, обеспечивая явный прирост выработки электроэнергии на уровне конечной электростанции.

Этапы развития ячеек TOPCon

История развития ячеек TOPCon делится на четыре этапа: период технологического прототипа, период продуктового позиционирования, период коммерческого продвижения и период взрывного роста.

Преимущества ячеек TOPCon

Преимущества производительности

• Высокая эффективность преобразования. Благодаря уникальной конструкции пассивированных контактов ячеек TOPCon теоретический предел эффективности достигает 28,7%. Ведущие производители TOPCon уже достигли эффективности массового производства выше 25,5%, что значительно превосходит основные ячейки PERC (текущая эффективность массового производства около 23,5%, теоретический предел 24,5%).

• Высокая двусторонность. Двусторонние ячейки TOPCon производят примерно на 3% больше энергии на ватт, чем двусторонние ячейки PERC. В том же сценарии наземной электростанции это обеспечивает более высокий прирост выработки электроэнергии.

• Низкий температурный коэффициент. Температурный коэффициент N-типа модулей TOPCon составляет всего -0,30%/°C, что лучше, чем -0,35%/°C у P-типа модулей, демонстрируя отличную стабильность в условиях высоких температур.

• Низкая деградация. Фосфорно-легированный N-типа кристаллический кремний содержит чрезвычайно низкое содержание бора, поэтому практически отсутствует рекомбинация бор-кислород, что дает преимущество в скорости деградации. Некоторые модули TOPCon показывают деградацию в первый год 1% и линейную годовую деградацию 0,4%, по сравнению с 2% в первый год и 0,45% линейной для модулей PERC, что обеспечивает прирост выработки на ватт в течение жизненного цикла модуля.

• Высокая производительность при слабом освещении. Элементы TOPCon хорошо реагируют как на короткие, так и на длинные волны, сохраняя отличную способность к генерации энергии в условиях низкой освещенности, таких как раннее утро, вечер и пасмурная погода.

Экономические преимущества

• Высокая совместимость с производством PERC, снижающая сложность модернизации технологии. TOPCon может быть расширен на основе технологии процесса PERC, требуя только четыре дополнительных этапа: подготовка борового эмиттера, выращивание туннельного оксидного слоя, осаждение и легирование поликремния, а также очистка после диффузии. Это снижает сложность модернизации и ускоряет внедрение технологии TOPCon.

• Плавная конверсия линии с низкими инвестиционными затратами на оборудование. Строительство новой линии TOPCon требует инвестиций в оборудование около 200-250 млн, в то время как новая линия HJT требует 350-400 млн. Поскольку TOPCon обеспечивает хорошую совместимость оборудования с существующими линиями PERC, необходимо добавить только оборудование для боровой диффузии и осаждения поликремния/аморфного кремния (LPCVD / PECVD / PVD), с инвестициями в оборудование около 50-70 млн. Это позволяет избежать крупномасштабных инвестиций в новое оборудование и серьезных переделок линий, что делает его высокоэкономичным.

• Значительный потенциал ценовой премии. По сравнению с модулями PERC, модули TOPCon обеспечивают более высокую генерацию энергии на ватт, более высокий прирост генерации и более низкие системные затраты, создавая значительное пространство для ценовой премии.

Процесс производства элементов TOPCon

По сравнению с процессами монокристаллического PERC, процесс производства элементов TOPCon добавляет 2-3 дополнительных этапа: осаждение туннельного оксидного слоя (ультратонкий SiO2, 1-2 нм), осаждение пассивирующего слоя из собственного поликремния (60-100 нм) и имплантация фосфора.

Основные этапы процесса и их функции

1. Очистка и текстурирование

Цель: После резки пластины края повреждаются, структура кристаллической решетки нарушается, и поверхностная рекомбинация становится сильной. Очистка и текстурирование в основном направлены на удаление поверхностных повреждений и формирование на поверхности пирамидальной светоулавливающей структуры. Свет многократно отражается от поверхности пластины, снижая коэффициент отражения.

2. Боровая диффузия

Назначение: Основная функция — формирование PN-перехода. Поскольку бор имеет низкую растворимость в кремнии, для диффузии требуются высокие температуры и более длительное время. Выбор источника диффузии также влияет на производство: хлориды коррозионны, а бромиды вязкие, что затрудняет очистку и увеличивает затраты на обслуживание.

Борная диффузия обычно выполняется при высоких температурах — выше 1000°C, и по сравнению с 102-минутным циклом, необходимым для фосфорной диффузии, цикл борной диффузии занимает 150 минут.

Принцип:

Газообразные HCl и H2O, образующиеся в результате реакций внутри трубки печи, переносятся N2 и равномерно распределяются по всей трубке. H2O также реагирует с BBr3 и O2 с образованием B2O3, который далее реагирует с образованием газообразного HBO2; при высоких температурах HBO2 разлагается обратно на B2O3, что позволяет B2O3 равномерно распределяться по поверхности солнечного элемента. Кроме того, H2O реагирует с B2O3, осажденным внутри трубки печи, предотвращая накопление B2O3 на стенках диффузионной трубки, продлевая срок службы кварцевых компонентов и увеличивая эффективный источник бора. HCl также может реагировать с металлическими примесями на поверхности элемента и внутри трубки, образуя газообразные хлориды металлов, которые удаляются с выхлопными газами, предотвращая диффузию металлических примесей в солнечный элемент в процессе высокотемпературной обработки.

3. SE-лазерное легирование

Назначение: Формирование селективного эмиттера. Высококонцентрированное легирование применяется в областях контакта и рядом с ними между металлическими сетками и пластиной для снижения контактного сопротивления между передним металлическим электродом и пластиной, в то время как низкоконцентрированное легирование вне областей электродов уменьшает рекомбинацию в диффузионном слое. Оптимизация эмиттера увеличивает выходной ток и напряжение солнечного элемента, тем самым повышая эффективность фотоэлектрического преобразования.

Где лазер находится в потоке TOPCon: PERC SE использует легирование фосфором, а TOPCon SE — легирование бором. Поскольку бор и фосфор имеют разные коэффициенты сегрегации, фосфор легче диффундирует из диоксида кремния в кремний, а бор труднее внедрить и требует больше энергии. Однако чрезмерная энергия лазера легко повреждает пластину, что делает легирование бором более сложным. По сравнению с традиционной диффузией бора, добавление технологии SE в ячейки TOPCon теоретически может повысить эффективность на 0,5%, а в реальном массовом производстве можно достичь прироста эффективности на 0,2-0,4%.

4. Травление

Назначение: Основная функция травления — удаление BSG и заднего перехода. В процессе диффузии образуются диффузионные слои как на поверхности пластины, так и на ее краях; краевой диффузионный слой легко вызывает короткие замыкания, а поверхностный диффузионный слой влияет на последующую пассивацию, поэтому оба должны быть удалены. В настоящее время травление в основном выполняется влажными методами, удаляя задний и краевой диффузионные слои в цепном оборудовании перед обработкой лицевой стороны.

5. Подготовка туннельного оксидного слоя и слоя поликремния

Назначение: Нанести на заднюю сторону туннельный оксидный слой толщиной 1-2 нм, затем нанести слой поликремния толщиной 60-100 нм для формирования пассивирующей структуры. Существует несколько методов подготовки пассивирующего слоя TOPCon, в основном маршруты LPCVD, PECVD и PVD. LPCVD в настоящее время является основным, но оберточное осаждение является серьезным, в то время как PECVD обладает большим потенциалом по общей производительности.

6. Подготовка задней антиотражающей пленки

Назначение: Подготовить антиотражающую пассивирующую пленку на задней стороне ячейки для увеличения поглощения света. В то же время атомы водорода, образующиеся в процессе формирования пленки SiNx, пассивируют пластину.

7. Осаждение оксида алюминия на лицевой стороне

Назначение: Нанести слой пленки оксида алюминия на лицевую сторону пластины, который вместе с другими пленками обеспечивает эффект лицевой пассивации.

8. Подготовка лицевой антиотражающей пленки

Назначение: Лицевая антиотражающая пленка работает в основном так же, как и задняя. Кроме того, пленка оксида алюминия, нанесенная на лицевую сторону, очень тонкая и легко повреждается в процессе последующего изготовления ячеек и модулей, поэтому лицевой SiNx также защищает оксид алюминия.

9. Трафаретная печать - перенос лазерного рисунка

В настоящее время большинство ячеек по-прежнему печатается методом трафаретной печати. В будущем, с точки зрения снижения расхода серебряной пасты для N-типа ячеек, технология Pattern Transfer Printing может иметь преимущество. Лазерный перенос — это новый тип бесконтактной технологии печати: требуемая паста наносится на определенный гибкий прозрачный материал, а мощный лазерный луч выполняет высокоскоростное сканирование по шаблону, перенося пасту с гибкого прозрачного материала на поверхность ячейки, формируя линии сетки и подготавливая передний и задний электроды.

10. Спекание

Хороший омический контакт формируется при высокотемпературном спекании.

11. Автоматическая сортировка

Ячейки сортируются по контейнерам в зависимости от их различной эффективности преобразования.

Будущие тенденции развития TOPCon ячеек

В 2023 году средняя эффективность преобразования N-типа TOPCon ячеек достигла 25,0%, а средняя эффективность преобразования гетеропереходных ячеек достигла 25,2%, что значительно выше показателей 2022 года.

В 2023 году вновь введенные в эксплуатацию линии массового производства были в основном линиями N-типа. По мере постепенного высвобождения мощностей N-типа ячеек доля рынка PERC ячеек сократилась до 73,0%. Ячейки N-типа в сумме составили около 26,5%, из которых N-типа TOPCon — около 23,0%, гетеропереходные — около 2,6%, а XBC — около 0,9% — все это значительный рост по сравнению с 2022 годом.

Начиная с 2024 года доля N-типа ячеек, представленных TOPCon, полностью превзойдет P-типа PERC, и отрасль ожидает, что доля достигнет и превысит 70%.

Взгляд Ooitech

Ooitech считает: TOPCon, технология N-типа с туннельным оксидным пассивированным контактом, основанная на существующих линиях PERC, обеспечивает более высокую эффективность, меньшее снижение производительности и более сильный прирост генерации энергии, и теперь становится мейнстримом солнечной промышленности.