Ogniwo słoneczne TOPCon: pełna nazwa, struktura i jak działa

Krótka odpowiedź: TOPCon to skrót od Tunnel Oxide Passivated Contact (kontakt pasywowany tlenkiem tunelowym). To technologia ogniw słonecznych z krzemu typu N, która umieszcza ultracienką warstwę tlenku tunelowego, około 1 do 2 nanometrów, pod domieszkowaną warstwą polikrzemu na tylnej powierzchni. Ten stos robi dwie rzeczy: pasywuje tylną powierzchnię, dzięki czemu mniej nośników ładunku ulega tam rekombinacji, oraz pozwala nośnikom większościowym tunelować, blokując jednocześnie przeciwną polaryzację. Rezultatem jest wyższe napięcie obwodu otwartego niż w PERC, a więc wyższa wydajność — powód, dla którego TOPCon wyparł PERC jako dominującą przemysłową technologię ogniw. Co istotne dla producentów, TOPCon jest w dużej mierze kompatybilny z istniejącym sprzętem do PERC, wymagając głównie dodania etapów dyfuzji boru, osadzania tlenku tunelowego i polikrzemu. Jest także podstawą rodziny ogniw z kontaktami tylnymi: ogniwa IBC, TBC, HBC i HIBC wszystkie opierają się na pasywującym kontakcie TOPCon.

Produkcja modułów PV · autor: Jerry, Ooitech

Wprowadzenie do ogniw słonecznych TOPCon

TOPCon to pierwszy krok w dłuższej sekwencji kontaktów tylnych. Jak IBC, TBC, HBC i HIBC na nim bazują, przedstawiono w Mapa drogowa technologii ogniw BC: od struktury do procesu.

TOPCon (Tunnel Oxide Passivating Contact) to technologia ogniw z waferem typu N, która po raz pierwszy pojawiła się w 2013 roku. Ogniwo słoneczne TOPCon to ogniwo słoneczne z kontaktem pasywowanym 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 tym osadza się domieszkowaną warstwę polikrzemu o grubości około 20nm, tworząc strukturę kontaktu pasywowanego na tylnej stronie. Skutecznie zmniejsza to rekombinację powierzchniową i rekombinację na kontakcie metalowym, podnosi napięcie obwodu otwartego i poprawia wydajność konwersji energii.

TOPCon to technologia ogniw słonecznych z kontaktem pasywowanym tlenkiem tunelowym oparta na zasadzie selektywnych nośników, osiągająca 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 kontaktu pasywowanego, która skutecznie zmniejsza rekombinację powierzchniową i rekombinację na kontakcie metalowym, zapewniając większe możliwości dalszej poprawy wydajności konwersji ogniw N-PERT.

Technologia TOPCon w jak największym stopniu zachowuje i ponownie wykorzystuje istniejące urządzenia i procesy dla konwencjonalnych ogniw typu P. Wymaga jedynie dodania urządzeń do dyfuzji boru i osadzania cienkich warstw, bez konieczności otwierania tylnej strony ani wyrównywania. Znacznie to 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 dla ogniw dwustronnych PERC i N-PERT.

Ogniwa TOPCon oferują zalety takie jak niska degradacja, wysoka dwustronność i niski współczynnik temperaturowy, zapewniając wyraźne korzyści w zakresie wytwarzania energii na poziomie końcowej elektrowni.

Etapy rozwoju ogniw TOPCon

Historię rozwoju ogniw TOPCon można podzielić na cztery etapy: okres prototypu technologii, okres układu produktów, okres promocji komercyjnej i okres gwałtownego wzrostu.

Zalety ogniw TOPCon

Zalety wydajności

• Wysoka wydajność konwersji. Dzięki unikalnej konstrukcji pasywowanego kontaktu ogniw TOPCon teoretyczny limit wydajności sięga nawet 28,7%. Wiodący producenci TOPCon osiągnęli już wydajność produkcji masowej powyżej 25,5%, co stanowi znaczącą poprawę w stosunku do głównych ogniw PERC (obecna wydajność konwersji w produkcji masowej około 23,5%, limit teoretyczny 24,5%).

• Wysoka dwustronność. Dwustronne ogniwa TOPCon wytwarzają około 3% więcej mocy na wat niż dwustronne ogniwa PERC. W tym samym scenariuszu elektrowni naziemnej przekłada się to na wyższe korzyści w zakresie wytwarzania energii.

• Niski współczynnik temperaturowy. Współczynnik temperaturowy modułów TOPCon typu N wynosi zaledwie -0,30%/℃, lepiej niż -0,35%/℃ modułów typu P, wykazując doskonałą stabilność w środowiskach wysokotemperaturowych.

• Niska degradacja. Krzem krystaliczny typu N domieszkowany fosforem zawiera bardzo niską zawartość boru, więc praktycznie nie występuje rekombinacja bor-tlen, co daje przewagę pod względem współczynnika degradacji. Niektóre moduły TOPCon wykazują degradację w pierwszym roku na poziomie 1% i liniową roczną degradację 0,4%, w porównaniu z 2% w pierwszym roku i 0,45% liniowo dla modułów PERC, co przynosi zysk w wytwarzaniu energii na wat w całym cyklu życia modułu.

• Wysoka wydajność w 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 ranek, wieczór i pochmurna pogoda.

Korzyści ekonomiczne

• Wysoka kompatybilność z produkcją PERC, obniżająca trudność modernizacji technologicznej. TOPCon można rozszerzyć z technologii procesowej PERC, wymagając jedynie czterech dodatkowych kroków: 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 niskim koszcie inwestycji w sprzęt. Budowa nowej linii TOPCon wymaga inwestycji w sprzęt na poziomie około 200-250 milionów, podczas gdy nowa linia HJT wymaga 350-400 milionów. Ponieważ TOPCon oferuje dobrą kompatybilność sprzętową z istniejącymi liniami PERC, należy dodać jedynie sprzęt do dyfuzji boru oraz osadzania polikrzemu/amorficznego krzemu (LPCVD / PECVD / PVD), przy inwestycji w sprzęt na poziomie około 50-70 milionów. Pozwala to uniknąć inwestycji na dużą skalę w nowy sprzęt i poważnych modernizacji linii, co czyni go wysoce ekonomicznym.

• Znaczący potencjał premii cenowej. W porównaniu z modułami PERC, moduły TOPCon oferują wyższą produkcję energii na wat, wyższe zyski z wytwarzania i niższe koszty systemu, tworząc znaczne pole dla premii cenowej.

Proces produkcji ogniw TOPCon

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

Główne kroki 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 piramidalnej struktury pułapkującej światło. 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 stałą w krzemie, do dyfuzji wymagane są wysokie temperatury i dłuższy czas. Wybór źródła dyfuzji wpływa również na produkcję: chlorki są żrące, natomiast bromki są lepkie, co utrudnia czyszczenie i zwiększa koszty utrzymania.

Dyfuzja boru jest zwykle przeprowadzana w wyższych temperaturach—powyżej 1000℃—i w porównaniu z 102-minutowym cyklem wymaganym do dyfuzji fosforu, cykl dyfuzji boru trwa 150 minut.

Zasada:

Gazowe HCl i H2O powstające w wyniku reakcji wewnątrz rury pieca są przenoszone przez N2 i równomiernie rozprowadzane w całej rurze. H2O reaguje również z BBr3 i O2, tworząc B2O3, który w dalszej reakcji tworzy gazowy HBO2; w wysokich temperaturach HBO2 rozkłada się z powrotem do B2O3, co pozwala B2O3 równomiernie rozprowadzić się 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 wraz z gazem odlotowym, zapobiegając dyfuzji zanieczyszczeń metalicznych do ogniwa słonecznego podczas procesu wysokotemperaturowego.

3. Doping laserowy SE

Cel: Utworzenie emitera selektywnego. Wysokie stężenie domieszki stosuje się w obszarach kontaktu i w ich pobliżu między liniami siatki metalowej a płytką, aby zmniejszyć rezystancję kontaktu między przednim elektrodą metalową a płytką, natomiast niskie stężenie domieszki poza obszarami elektrod zmniejsza rekombinację w warstwie dyfuzyjnej. Optymalizacja emitera zwiększa prąd wyjściowy i napięcie ogniwa słonecznego, poprawiając tym samym sprawność konwersji fotoelektrycznej.

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

4. Trawienie

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

5. Przygotowanie warstwy tlenku tunelowego i warstwy polikrzemu

Cel: Osadzić warstwę tlenku tunelowego o grubości 1-2nm na tyle, następnie osadzić warstwę polikrzemu o grubości 60-100nm, aby utworzyć strukturę pasywacyjną. Istnieje kilka metod przygotowania warstwy pasywacyjnej TOPCon, głównie trasy LPCVD, PECVD i PVD. LPCVD jest obecnie metodą dominującą, ale osadzanie dookoła jest poważnym problemem, natomiast PECVD oferuje duży potencjał pod względem ogólnych osiągów.

6. Przygotowanie tylnej warstwy antyrefleksyjnej

Cel: Przygotować antyrefleksyjną warstwę pasywacyjną na tyle ogniwa, aby zwiększyć absorpcję światła. Jednocześnie atomy wodoru generowane podczas procesu tworzenia warstwy SiNx pasywują płytkę.

7. Osadzanie tlenku glinu na stronie przedniej

Cel: Osadzić warstwę filmu tlenku glinu na przedniej stronie płytki, która wraz z innymi filmami tworzy efekt pasywacji przedniej strony.

8. Przygotowanie przedniej warstwy antyrefleksyjnej

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

9. Sitodruk - Transfer wzoru laserowego

Obecnie większość drukowania ogniw nadal wykorzystuje sitodruk. W przyszłości, w zakresie zmniejszania zużycia pasty srebrowej dla ogniw typu N, przewagę może mieć Pattern Transfer Printing. Transfer laserowy to nowy rodzaj bezkontaktowej technologii drukowania: wymagana pasta jest nakładana na specjalny elastyczny przezroczysty materiał, a wiązka lasera o dużej mocy wykonuje szybkie skanowanie wzorcowe w celu przeniesienia pasty z elastycznego przezroczystego materiału na powierzchnię ogniwa, tworząc linie siatki i przygotowując elektrody przednie i tylne.

10. Spiekanie

Dobry kontakt omowy jest tworzony poprzez spiekanie w wysokiej temperaturze.

11. Automatyczna sortownia

Ogniwa są sortowane do pojemników według ich różnych wydajności konwersji.

Przyszłe trendy rozwojowe ogniw TOPCon

W 2023 roku średnia wydajność konwersji ogniw N-type TOPCon osiągnęła 25,0%, a średnia wydajność konwersji ogniw heterozłączowych osiągnęła 25,2%, co stanowi znaczącą 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 zdolności produkcyjnych ogniw typu N udział ogniw PERC w rynku został zmniejszony do 73,0%. Ogniwa typu N stanowiły łącznie około 26,5%, przy czym ogniwa N-type TOPCon około 23,0%, ogniwa heterozłączowe około 2,6%, a ogniwa XBC około 0,9% — wszystko to stanowi znaczny wzrost w porównaniu z 2022 rokiem.

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

Perspektywa Ooitech

Ooitech uważa: TOPCon, technologia ogniw N-type z tunelowym tlenkowym kontaktem pasywowanym, oparta na istniejących liniach PERC, zapewnia wyższą wydajność, niższą degradację i silniejsze zyski z wytwarzania energii, i staje się obecnie głównym nurtem branży fotowoltaicznej.