Солнечный элемент TOPCon: полная расшифровка, структура и принцип работы

Краткий ответ: TOPCon расшифровывается как Tunnel Oxide Passivated Contact (туннельный оксидный пассивирующий контакт). Это технология солнечных элементов из кремния N-типа, которая размещает ультратонкий слой туннельного оксида толщиной около 1–2 нанометров под легированным слоем поликремния на задней поверхности. Этот стек выполняет две функции: пассивирует заднюю поверхность, чтобы меньше носителей заряда рекомбинировало там, и позволяет основным носителям туннелировать, блокируя при этом противоположную полярность. Результат — более высокое напряжение холостого хода, чем у PERC, и, следовательно, более высокая эффективность — причина, по которой TOPCon вытеснил PERC в качестве доминирующей промышленной технологии элементов. Что критически важно для производителей, TOPCon в значительной степени совместим с существующим оборудованием для PERC, требуя в основном дополнительных этапов диффузии бора, осаждения туннельного оксида и поликремния. Он также является основой семейства заднеконтактных элементов: элементы IBC, TBC, HBC и HIBC все строятся на пассивирующем контакте TOPCon.

Производство PV-модулей · от Джерри, Ooitech

Введение в TOPCon солнечные элементы

TOPCon — это первый шаг в более длинной последовательности обратных контактов. Как IBC, TBC, HBC и HIBC строятся на его основе, изложено в Дорожная карта технологий BC-ячеек: от структуры к процессу.

TOPCon (туннельный оксидный пассивированный контакт) — это технология элементов на основе пластин N-типа, впервые появившаяся в 2013 году. TOPCon солнечный элемент — это солнечный элемент с туннельным оксидным пассивированным контактом, построенный на подложке N-типа.

По сравнению с PERC элементами, TOPCon элементы используют туннельный оксидный слой с отличными свойствами транспорта заряда в качестве слоя транспорта заряда на задней стороне элемента. Поверх этого 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 туннельным оксидным пассивированным контактом, основанная на принципе селективных носителей, обеспечивающая превосходный эффект пассивации.

TOPCon элемент использует подложку N-типа. На задней стороне элемента готовится тонкий оксидный слой, за которым следует 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 переиспользует существующее оборудование и процессы для P-типа ячеек. Она требует лишь добавления оборудования для диффузии бора и осаждения тонких пленок, без необходимости открытия тыльной стороны или выравнивания. 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, что обеспечивает явный прирост выработки электроэнергии на уровне конечной электростанции.

Этапы развития ячеек TOPCon

Историю развития ячеек TOPCon можно разделить на четыре этапа: период технологического прототипа, период планирования продукта, период коммерческого продвижения и период взрывного роста.

Преимущества ячеек TOPCon

Эксплуатационные преимущества

• 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 выше, чем у основных ячеек PERC (текущая эффективность массового преобразования 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 модулей TOPCon N-типа составляет всего -0,30%/℃, что лучше, чем -0,35%/℃ у модулей P-типа, и демонстрирует отличную стабильность в условиях высоких температур.

• Низкая деградация. Фосфорно-легированный кристаллический кремний N-типа содержит чрезвычайно низкое содержание бора, поэтому практически отсутствует рекомбинация бор-кислород, что дает преимущество в скорости деградации. Некоторые модули TOPCon показывают деградацию 1% в первый год 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.

• Отличные характеристики при низкой освещенности. Ячейки TOPCon хорошо реагируют как на короткие, так и на длинные волны, сохраняя отличную способность к выработке электроэнергии в условиях низкой освещенности, таких как раннее утро, вечер и пасмурная погода.

Экономические преимущества

• Высокая совместимость с производством PERC, снижающая сложность модернизации технологий. TOPCon может быть расширен на основе технологического процесса PERC, требуя лишь четыре дополнительных этапа: подготовка борового эмиттера, выращивание слоя туннельного оксида, 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 миллионов, в то время как новая линия HJT требует 350-400 миллионов. 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 миллионов. Это позволяет избежать крупномасштабных инвестиций в новое оборудование и серьезных модернизаций линий, что делает его высокоэкономичным.

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

Процесс производства ячеек TOPCon

По сравнению с процессами монокристаллического PERC, процесс производства ячеек TOPCon добавляет 2-3 дополнительных этапа: осаждение слоя туннельного оксида (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 повреждены, кристаллическая решетка нарушена, и поверхностная рекомбинация значительна. Очистка и текстурирование в основном направлены на удаление поверхностных повреждений и формирование пирамидальной светоулавливающей структуры на поверхности. Свет многократно отражается по поверхности пластины, снижая коэффициент отражения.

2. Диффузия бора

Назначение: Основная функция — формирование p-n перехода. Поскольку растворимость бора в кремнии низкая, для диффузии требуются высокие температуры и более длительное время. Выбор источника диффузии также влияет на производство: хлориды коррозионно-активны, а бромиды вязкие, что затрудняет очистку и увеличивает затраты на обслуживание.

Диффузия бора обычно выполняется при высоких температурах — выше 1000℃ — и по сравнению с 102-минутным циклом, необходимым для диффузии фосфора, цикл диффузии бора 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 отходящими газами, предотвращая диффузию металлических примесей в солнечный элемент в процессе высокотемпературной обработки.

3. Лазерное легирование SE

Назначение: Формирование селективного эмиттера. Высококонцентрационное легирование применяется в областях контакта между металлическими контактными линиями и пластиной и вблизи них для снижения контактного сопротивления между передним металлическим электродом и пластиной, в то время как низкоконцентрационное легирование вне областей электродов снижает рекомбинацию в диффузионном слое. Оптимизация эмиттера увеличивает выходной ток и напряжение солнечного элемента, тем самым повышая эффективность фотоэлектрического преобразования.

Где лазер находится в технологическом процессе TOPCon: PERC SE использует фосфорное легирование, в то время как TOPCon SE использует борное легирование. Поскольку бор и фосфор имеют разные коэффициенты сегрегации, фосфор легче диффундирует из диоксида кремния в кремний, в то время как бор труднее внедрить и требует больше энергии. Однако чрезмерная энергия лазера легко повреждает пластину, что делает борное легирование более сложным. По сравнению с традиционной борной диффузией, добавление технологии SE к элементам 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. Процесс диффузии формирует 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. Травление в настоящее время 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 туннельный оксидный слой толщиной 1-2 нм на заднюю сторону, 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 сильным потенциалом в общей производительности.

6. Подготовка задней антиотражающей пленки

Назначение: Подготовить антиотражающую пассивирующую пленку на задней стороне элемента 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 образует эффект лицевой пассивации.

8. Подготовка передней антиотражающей пленки

Назначение: Передняя антиотражающая пленка работает в основном так же, как и задняя. Кроме того, пленка оксида алюминия, нанесенная на лицевую сторону, очень тонкая и легко повреждается при последующем производстве элементов и модулей, поэтому передний SiNx также защищает оксид алюминия.

9. Трафаретная печать - перенос лазерного рисунка

В настоящее время большинство печати ячеек по-прежнему использует трафаретную печать. В будущем, с точки зрения снижения расхода серебряной пасты для N-типа ячеек, технология переноса рисунка (Pattern Transfer Printing) может иметь преимущество. Лазерный перенос — это новая технология бесконтактной печати: требуемая паста наносится на определенный гибкий прозрачный материал, а мощный лазерный луч выполняет высокоскоростное сканирование с рисунком, 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 соответствии с их различной эффективностью 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 лучше показателей 2022 года.

В 2023 году новые введенные в эксплуатацию массовые производственные линии были в основном линиями для N-типа ячеек. По мере постепенного высвобождения мощностей N-типа ячеек доля рынка PERC ячеек сократилась до 73,0%. N-тип ячейки в совокупности составили около 26,5%, из них N-тип TOPCon ячейки — около 23,0%, гетеропереходные ячейки — около 2,6%, а XBC ячейки — 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-тип PERC, и отрасль ожидает, что доля достигнет и превысит 70%.

Взгляд Ooitech

Ooitech считает: TOPCon, технология N-типа туннельного оксидного пассивированного контакта, основанная на существующих линиях PERC, обеспечивает более высокую эффективность, меньшее снижение мощности и более сильный прирост генерации, и в настоящее время становится мейнстримом солнечной отрасли.