Co to jest ogniwo słoneczne TOPCon? Kompletny przewodnik po technologii pasywowanego kontaktu z tlenkiem tunelowym

Wprowadzenie do ogniw słonecznych TOPCon

TOPCon (pasywowany kontakt z tlenkiem tunelowym) to technologia ogniw na płytkach typu N, która pojawiła się po raz pierwszy w 2013 roku. Ogniwo słoneczne TOPCon to ogniwo słoneczne z pasywowanym kontaktem z tlenkiem tunelowym zbudowane na podłożu typu N.

W porównaniu z ogniwami PERC, ogniwa TOPCon wykorzystują warstwę tlenku tunelowego o doskonałych właściwościach transportu ładunku jako warstwę transportu ładunku na tylnej stronie ogniwa. Na niej osadza się domieszkowaną warstwę polikrzemu o grubości około 20 nm, tworząc strukturę pasywowanego kontaktu na tylnej stronie. Skutecznie zmniejsza to rekombinację powierzchniową i rekombinację kontaktu metalicznego, podnosi napięcie obwodu otwartego i poprawia wydajność konwersji energii.

TOPCon to technologia ogniw słonecznych z pasywowanym kontaktem z tlenkiem tunelowym oparta na zasadzie selektywnych nośników, zapewniająca doskonały efekt pasywacji.

Ogniwo TOPCon wykorzystuje podłoże typu N. Na tylnej stronie ogniwa przygotowuje się cienką warstwę tlenku, a następnie domieszkowaną cienką warstwę. Razem tworzą one strukturę pasywowanego kontaktu, która skutecznie zmniejsza rekombinację powierzchniową i rekombinację kontaktu metalicznego, zapewniając większe możliwości dalszej poprawy wydajności konwersji ogniw N-PERT.

Technologia TOPCon w maksymalnym stopniu zachowuje i wykorzystuje istniejące konwencjonalne urządzenia i procesy do produkcji ogniw P-typu. Wymaga jedynie dodania urządzeń do dyfuzji boru i osadzania cienkich warstw, bez konieczności otwierania tylnej strony lub wyrównywania. To znacznie upraszcza proces produkcji ogniw i utrzymuje niski poziom trudności produkcji masowej. Linia procesowa oferuje wysoką kompatybilność i może działać równolegle z liniami produkcyjnymi wysokotemperaturowymi stosowanymi do ogniw bifacjalnych PERC i N-PERT.

Ogniwa TOPCon oferują zalety niskiej degradacji, wysokiej bifacjalności i niskiego współczynnika temperaturowego, co przekłada się na wyraźne zyski w produkcji energii na poziomie elektrowni końcowej.

Etapy rozwoju ogniw TOPCon

Historia rozwoju ogniw TOPCon dzieli się na cztery etapy: okres prototypu technologii, okres układania produktów, okres promocji komercyjnej i okres gwałtownego wzrostu.

Zalety ogniw TOPCon

Zalety wydajnościowe

• Wysoka wydajność konwersji. Dzięki unikalnej konstrukcji pasywowanego kontaktu ogniw TOPCon, teoretyczna granica wydajności sięga 28,7%. Wiodący producenci TOPCon osiągnęli już wydajność produkcji masowej powyżej 25,5%, co stanowi znaczną poprawę w porównaniu z głównymi ogniwami PERC (obecna wydajność konwersji produkcji masowej około 23,5%, teoretyczna granica 24,5%).

• Wysoka bifacjalność. Ogniwa bifacjalne TOPCon wytwarzają około 3% więcej energii na wat niż bifacjalne ogniwa PERC. W tym samym scenariuszu naziemnej elektrowni słonecznej zapewnia to wyższe zyski z produkcji energii.

• Niski współczynnik temperaturowy. Współczynnik temperaturowy modułów N-typu TOPCon wynosi zaledwie -0,30%/°C, co jest lepsze niż -0,35%/°C modułów P-typu, wykazując doskonałą stabilność w środowiskach o wysokiej temperaturze.

• Niska degradacja. Domieszkowany fosforem krzem krystaliczny N-typu zawiera bardzo niską zawartość boru, więc praktycznie nie ma rekombinacji bor-tlen, co daje przewagę w szybkości degradacji. Niektóre moduły TOPCon wykazują degradację w pierwszym roku na poziomie 1% i liniową degradację roczną 0,4%, w porównaniu z 2% w pierwszym roku i 0,45% liniową dla modułów PERC, co przynosi zysk w produkcji energii na wat w całym cyklu życia modułu.

• Silna wydajność przy słabym oświetleniu. Ogniwa TOPCon dobrze reagują zarówno na krótkie, jak i długie fale, utrzymując doskonałą zdolność wytwarzania energii w warunkach słabego oświetlenia, takich jak wczesny poranek, wieczór i pochmurna pogoda.

Korzyści ekonomiczne

• Wysoka kompatybilność z produkcją PERC, obniżająca trudność modernizacji technologicznej. TOPCon może być rozwijany z technologii procesowej PERC, wymagając tylko czterech dodatkowych etapów: przygotowania emitera borowego, wzrostu warstwy tlenku tunelowego, osadzania i domieszkowania polikrzemu oraz czyszczenia po dyfuzji. Obniża to trudność modernizacji i przyspiesza wdrażanie technologii TOPCon.

• Płynna konwersja linii przy niskich kosztach inwestycji w sprzęt. Budowa nowej linii TOPCon wymaga inwestycji w sprzęt około 200-250 milionów, podczas gdy nowa linia HJT wymaga 350-400 milionów. Ponieważ TOPCon oferuje dobrą kompatybilność sprzętową z istniejącymi liniami PERC, wystarczy dodać sprzęt do dyfuzji boru i osadzania polikrzemu/krzemu amorficznego (LPCVD / PECVD / PVD), z inwestycją w sprzęt około 50-70 milionów. Pozwala to uniknąć inwestycji na dużą skalę w nowy sprzęt i poważnych modernizacji linii, co czyni go bardzo ekonomicznym.

• Znaczący potencjał premii cenowej. W porównaniu z modułami PERC, moduły TOPCon oferują wyższą wydajność na wat, wyższe zyski z generacji i niższe koszty systemowe, tworząc znaczną przestrzeń dla premii cenowej.

Proces produkcji ogniw TOPCon

W porównaniu z procesami monokrystalicznymi PERC, proces produkcji ogniw TOPCon dodaje 2 do 3 dodatkowych etapów: osadzanie warstwy tlenku tunelowego (ultracienki SiO2, 1-2nm), osadzanie pasywacyjnej warstwy polikrzemu (60-100nm) oraz implantacja fosforu.

Główne etapy procesu i ich funkcje

1. Czyszczenie i teksturowanie

Cel: Po cięciu wafla krawędzie są uszkodzone, struktura sieci krystalicznej jest zerwana, a rekombinacja powierzchniowa jest silna. Czyszczenie i teksturowanie mają głównie na celu usunięcie uszkodzeń powierzchni i utworzenie na powierzchni struktury pułapkującej światło w kształcie piramid. Światło odbija się wielokrotnie na powierzchni wafla, zmniejszając współczynnik odbicia.

2. Dyfuzja boru

Cel: Główną funkcją jest utworzenie złącza PN. Ponieważ bor ma niską rozpuszczalność w krzemie, do dyfuzji wymagane są wysokie temperatury i dłuższy czas. Wybór źródła dyfuzji wpływa również na produkcję: chlorki są żrące, a bromki lepkie, co utrudnia czyszczenie i zwiększa koszty konserwacji.

Dyfuzja boru jest zwykle przeprowadzana w wyższych temperaturach – powyżej 1000°C – a w porównaniu z 102-minutowym cyklem wymaganym dla dyfuzji fosforu, cykl dyfuzji boru trwa 150 minut.

Zasada:

Gazowe HCl i H2O powstające w reakcjach wewnątrz rury pieca są przenoszone przez N2 i równomiernie rozprowadzane w całej rurze. H2O reaguje również z BBr3 i O2, tworząc B2O3, który dalej reaguje, tworząc gazowy HBO2; w wysokich temperaturach HBO2 rozkłada się z powrotem na B2O3, co pozwala na równomierne rozprowadzenie B2O3 na powierzchni ogniwa słonecznego. Ponadto H2O reaguje z B2O3 osadzonym wewnątrz rury pieca, zapobiegając gromadzeniu się B2O3 na ściankach rury dyfuzyjnej, wydłużając żywotność elementów kwarcowych i zwiększając efektywne źródło boru. HCl może również reagować z zanieczyszczeniami metalicznymi na powierzchni ogniwa i wewnątrz rury, tworząc gazowe chlorki metali, które są usuwane z gazem wydechowym, zapobiegając dyfuzji zanieczyszczeń metalicznych do ogniwa słonecznego podczas procesu wysokotemperaturowego.

3. Laserowe domieszkowanie SE

Cel: Utworzenie selektywnego emitera. Stosuje się domieszkowanie o wysokim stężeniu w obszarach styku i w ich pobliżu między metalowymi liniami siatki a płytką, aby zmniejszyć rezystancję styku między przednią elektrodą metalową a płytką, podczas gdy domieszkowanie o niskim stężeniu poza obszarami elektrod zmniejsza rekombinację w warstwie dyfuzyjnej. Optymalizacja emitera zwiększa prąd wyjściowy i napięcie ogniwa słonecznego, poprawiając w ten sposób wydajność konwersji fotoelektrycznej.

Gdzie laser znajduje się w przepływie TOPCon: PERC SE wykorzystuje domieszkowanie fosforem, podczas gdy TOPCon SE wykorzystuje domieszkowanie borem. Ponieważ bor i fosfor mają różne współczynniki segregacji, fosfor łatwiej dyfunduje z dwutlenku krzemu do krzemu, podczas gdy bor jest trudniejszy do wprowadzenia i wymaga więcej energii. Jednak nadmierna energia lasera łatwo uszkadza płytkę, co sprawia, że domieszkowanie borem jest bardziej wymagające. W porównaniu z tradycyjną dyfuzją boru, dodanie technologii SE do ogniw TOPCon może teoretycznie poprawić wydajność o 0,5%, a w rzeczywistej produkcji masowej można osiągnąć wzrost wydajności o 0,2-0,4%.

4. Trawienie

Cel: Główną funkcją trawienia jest usunięcie BSG oraz złącza tylnego. Proces dyfuzji tworzy warstwy dyfuzyjne zarówno na powierzchni płytki, jak i na jej krawędziach; warstwa dyfuzyjna na krawędzi łatwo powoduje zwarcia, a warstwa dyfuzyjna na powierzchni wpływa na późniejsze pasywowanie, dlatego obie muszą zostać usunięte. Trawienie jest obecnie wykonywane głównie metodami mokrymi, usuwając tylną i krawędziową warstwę dyfuzyjną w urządzeniach łańcuchowych przed obróbką strony przedniej.

5. Przygotowanie warstwy tlenku tunelowego i warstwy polikrzemu

Cel: Osadzenie 1-2 nm warstwy tlenku tunelowego na tylnej stronie, a następnie osadzenie 60-100 nm warstwy polikrzemu w celu utworzenia struktury pasywującej. Istnieje kilka metod przygotowania warstwy pasywującej TOPCon, głównie ścieżki LPCVD, PECVD i PVD. LPCVD jest obecnie główną metodą, ale osadzanie na krawędziach jest znaczne, podczas gdy PECVD oferuje duży potencjał w ogólnej wydajności.

6. Przygotowanie tylnej warstwy antyrefleksyjnej

Cel: Przygotowanie warstwy pasywującej antyrefleksyjnej na tylnej stronie ogniwa w celu zwiększenia absorpcji światła. Jednocześnie atomy wodoru powstające podczas tworzenia warstwy SiNx pasywują płytkę.

7. Osadzanie tlenku glinu na stronie przedniej

Cel: Osadzenie warstwy tlenku glinu na przedniej stronie płytki, która wraz z innymi warstwami zapewnia efekt pasywacji przedniej strony.

8. Przygotowanie przedniej warstwy antyrefleksyjnej

Cel: Przednia warstwa antyrefleksyjna działa zasadniczo tak samo jak tylna. Ponadto warstwa tlenku glinu osadzona na przedniej stronie jest bardzo cienka i łatwo ulega uszkodzeniu podczas późniejszej produkcji ogniw i modułów, dlatego przednia warstwa SiNx chroni również tlenek glinu.

9. Sitodruk - transfer wzoru laserowego

Obecnie większość druku ogniw nadal wykorzystuje sitodruk. W przyszłości, w zakresie zmniejszenia zużycia pasty srebrnej dla ogniw typu N, druk z przenoszeniem wzoru może mieć przewagę. Transfer laserowy to nowy rodzaj bezdotykowej technologii druku: wymagana pasta jest nakładana na specjalny elastyczny przezroczysty materiał, a wiązka lasera o dużej mocy wykonuje szybkie skanowanie wzoru, przenosząc pastę z elastycznego przezroczystego materiału na powierzchnię ogniwa, tworząc linie siatki i przygotowując elektrody przednią i tylną.

10. Spiekanie

Dobry kontakt omowy jest tworzony poprzez spiekanie w wysokiej temperaturze.

11. Automatyczne sortowanie

Ogniwa są sortowane do pojemników zgodnie z ich różnymi wydajnościami konwersji.

Przyszłe trendy rozwoju ogniw TOPCon

W 2023 roku średnia wydajność konwersji ogniw N-typu TOPCon osiągnęła 25,0%, a średnia wydajność konwersji ogniw heterozłączowych osiągnęła 25,2%, co stanowi znaczną poprawę w porównaniu z 2022 rokiem.

W 2023 roku nowo uruchomione linie produkcyjne masowej produkcji to głównie linie ogniw typu N. W miarę stopniowego uwalniania mocy produkcyjnych ogniw typu N, udział rynkowy ogniw PERC został skompresowany do 73,0%. Ogniwa typu N stanowiły łącznie około 26,5%, w tym ogniwa N-typu TOPCon około 23,0%, ogniwa heterozłączowe około 2,6%, a ogniwa XBC około 0,9% – wszystkie znacznie wzrosły w porównaniu z 2022 rokiem.

Od 2024 roku udział ogniw typu N reprezentowanych przez TOPCon kompleksowo przewyższy P-typ PERC, a branża spodziewa się, że udział osiągnie i przekroczy 70%.

Perspektywa Ooitech

Ooitech uważa: TOPCon, technologia ogniw pasywowanych tlenkiem tunelowym typu N, oparta na istniejących liniach PERC, zapewnia wyższą wydajność, niższą degradację i silniejsze zyski z generacji energii, i staje się obecnie mainstreamem w branży fotowoltaicznej.