TOPCon-zonnecel: volledige naam, structuur en hoe het werkt

Snel antwoord: TOPCon staat voor Tunnel Oxide Passivated Contact. Het is een N-type silicium zonneceltechnologie die een ultradunne tunneloxidelaag, ongeveer 1 tot 2 nanometer, aanbrengt onder een gedoteerde polysiliciumlaag op het achteroppervlak. Die stapel doet twee dingen: hij passiveert het achteroppervlak zodat minder ladingsdragers daar recombineren, en hij laat meerderheidsladingsdragers door de tunnel gaan terwijl hij de tegenovergestelde polariteit blokkeert. Het resultaat is een hogere open-circuit spanning dan PERC, en dus een hoger rendement — de reden dat TOPCon PERC verdrong als de dominante industriële celtechnologie. Cruciaal voor fabrikanten is dat TOPCon grotendeels lijncompatibel is met bestaande PERC-apparatuur, waarbij vooral extra boordiffusie-, tunneloxide- en polysiliciumafzettingsstappen nodig zijn. Het is ook de basis van de back-contactfamilie: IBC-, TBC-, HBC- en HIBC-cellen bouwen allemaal voort op het passiverende contact van TOPCon.

PV-moduleproductie · door Jerry, Ooitech

Inleiding tot TOPCon-zonnecellen

TOPCon is de eerste stap in een langere back-contact-reeks. Hoe IBC, TBC, HBC en HIBC daarop voortbouwen, wordt uiteengezet in de BC-celtechnologieroadmap: van structuur naar proces.

TOPCon (Tunnel Oxide Passivating Contact) is een N-type waferceltechnologie die voor het eerst opkwam in 2013. Een TOPCon-zonnecel is een tunneloxide-passiveringscontactzonnecel gebouwd op een N-type substraat.

Vergeleken met PERC-cellen gebruiken TOPCon-cellen een tunneloxidelaag met uitstekende ladingstransporteigenschappen als de ladingstransportlaag op de achterkant van de cel. Hierop wordt een gedoteerde polysiliciumfilm van ongeveer 20 nm aangebracht om een gepassiveerde contactstructuur aan de achterzijde te vormen. Dit vermindert effectief oppervlakterecombinatie en metaalcontactrecombinatie, verhoogt de open-circuitspanning en verbetert de energieconversie-efficiëntie.

TOPCon is een tunneloxide-passiveringscontactzonneceltechnologie gebaseerd op het principe van selectieve dragers, die een superieur passiveringseffect bereikt.

De TOPCon-cel gebruikt een N-type substraat. Een dunne oxidelaag wordt aan de achterkant van de cel bereid, gevolgd door een gedoteerde dunne film. Samen vormen deze twee een gepassiveerde contactstructuur die effectief oppervlakterecombinatie en metaalcontactrecombinatie vermindert, wat meer ruimte biedt om de conversie-efficiëntie van N-PERT-cellen verder te verbeteren.

TOPCon-technologie behoudt en hergebruikt bestaande conventionele P-type celapparatuur en -processen in de grootst mogelijke mate. Het vereist alleen de toevoeging van boordiffusie- en dunnefilmdepositieapparatuur, zonder dat er openingen of uitlijning aan de achterzijde nodig zijn. Dit vereenvoudigt het celproductieproces aanzienlijk en houdt de moeilijkheidsgraad van massaproductie laag. De proceslijn biedt een hoge compatibiliteit en kan naast de hogetemperatuurproductielijnen voor PERC- en N-PERT-bifaciale cellen worden gebruikt.

TOPCon-cellen bieden de voordelen van lage degradatie, hoge bifacialiteit en een lage temperatuurcoëfficiënt, wat duidelijke energieopbrengstwinsten oplevert op het niveau van het eindstation.

Ontwikkelingsstadia van TOPCon-cellen

De ontwikkelingsgeschiedenis van TOPCon-cellen kan worden onderverdeeld in vier fasen: de technologieprototypeperiode, productlay-outperiode, commerciële promotieperiode en explosieve groeiperiode.

Voordelen van TOPCon-cellen

Prestatievoordelen

• Hoge conversie-efficiëntie. Dankzij het unieke gepassiveerde contactontwerp van TOPCon-cellen ligt de theoretische efficiëntielimiet op maar liefst 28,7%. Toonaangevende TOPCon-fabrikanten hebben al massaproductie-efficiënties boven 25,5% behaald, een aanzienlijke verbetering ten opzichte van mainstream PERC-cellen (huidige massaproductie-conversie-efficiëntie rond 23,5%, theoretische limiet 24,5%).

• Hoge bifacialiteit. TOPCon-bifaciale cellen produceren ongeveer 3% meer vermogen per watt dan bifaciale PERC-cellen. In hetzelfde grondgemonteerde krachtstationscenario levert dit hogere energieopbrengstwinsten op.

• Lage temperatuurcoëfficiënt. De temperatuurcoëfficiënt van N-type TOPCon-modules is slechts -0,30%/°C, beter dan de -0,35%/°C van P-type modules, wat een uitstekende stabiliteit in omgevingen met hoge temperaturen laat zien.

• Lage degradatie. Fosfor-gedoteerd N-type kristallijn silicium bevat extreem lage boorgehaltes, dus er is in wezen geen boor-zuurstof-recombinatie, wat een voordeel geeft in degradatiesnelheid. Sommige TOPCon-modules vertonen een eerstejaarsdegradatie van 1% en een lineaire jaarlijkse degradatie van 0,4%, vergeleken met 2% eerstejaars en 0,45% lineair voor PERC-modules, wat een vermogenswinst per watt oplevert over de levenscyclus van de module.

• Sterke prestaties bij weinig licht. TOPCon-cellen reageren goed op zowel korte als lange golflengten en behouden een uitstekend stroomopwekkingsvermogen bij weinig licht, zoals in de vroege ochtend, avond en bij bewolkt weer.

Economische voordelen

• Hoge compatibiliteit met PERC-productie, waardoor de moeilijkheidsgraad van technologie-upgrades wordt verlaagd. TOPCon kan worden uitgebreid vanuit PERC-procestechnologie en vereist slechts vier extra stappen: het prepareren van de boron-emitter, het laten groeien van de tunneloxidelaag, het deponeren en doteren van polysilicium, en het reinigen na diffusie. Dit verlaagt de moeilijkheidsgraad van de upgrade en versnelt de adoptie van TOPCon-technologie.

• Soepele lijnconversie met lage investeringskosten voor apparatuur. Het bouwen van een nieuwe TOPCon-lijn vereist een investering in apparatuur van ongeveer 200-250 miljoen, terwijl een nieuwe HJT-lijn 350-400 miljoen vereist. Omdat TOPCon een goede apparatuurcompatibiliteit biedt met bestaande PERC-lijnen, hoeft alleen borondiffusie- en polysilicium/amorf silicium depositieapparatuur (LPCVD / PECVD / PVD) te worden toegevoegd, met een investering in apparatuur van ongeveer 50-70 miljoen. Dit vermijdt grootschalige investeringen in nieuwe apparatuur en grote lijnombouwingen, wat het zeer economisch maakt.

• Aanzienlijk potentieel voor prijspremie. Vergeleken met PERC-modules bieden TOPCon-modules een hogere stroomopwekking per watt, hogere opbrengsten en lagere systeemkosten, wat aanzienlijke ruimte creëert voor een prijspremie.

TOPCon-celproductieproces

Vergeleken met monokristallijne PERC-processen voegt het TOPCon-celproductieproces 2 tot 3 extra stappen toe: deponeren van de tunneloxidelaag (ultradun SiO2, 1-2nm), deponeren van de intrinsieke polysilicium passivatielaag (60-100nm) en fosforimplantatie.

Belangrijkste processtappen en hun functies

1. Reinigen en textureren

Doel: Na het snijden van de wafer zijn de randen beschadigd, is de kristalroosterstructuur verbroken en is de oppervlakterecombinatie ernstig. Reinigen en textureren zijn voornamelijk bedoeld om oppervlakteschade te verwijderen en een piramidevormige lichtvangstructuur op het oppervlak te vormen. Licht reflecteert meerdere keren over het waferoppervlak, waardoor de reflectie wordt verminderd.

2. Borondiffusie

Doel: De hoofdfunctie is het vormen van de PN-overgang. Omdat boor een lage oplosbaarheid in silicium heeft, zijn hoge temperaturen en langere tijden nodig voor diffusie. De keuze van de diffusiebron heeft ook invloed op de productie: chloriden zijn corrosief, terwijl bromiden viskeus zijn, waardoor reinigen omslachtig is en de onderhoudskosten stijgen.

Boor diffusie wordt meestal uitgevoerd bij hogere temperaturen—boven 1000℃—en vergeleken met de 102 minuten durende cyclus voor fosfordiffusie, duurt de boordiffusiecyclus 150 minuten.

Principe:

De gasvormige HCl en H2O die worden gegenereerd door reacties in de ovenbuis worden door N2 gedragen en gelijkmatig over de buis verdeeld. H2O reageert ook met BBr3 en O2 om B2O3 te vormen, dat verder reageert tot gasvormig HBO2; bij hoge temperaturen ontleedt HBO2 terug naar B2O3, waardoor B2O3 gelijkmatig over het zonneceloppervlak wordt verdeeld. Bovendien reageert H2O met B2O3 dat in de ovenbuis is afgezet, waardoor ophoping van B2O3 op de diffusiebuiswanden wordt voorkomen, de levensduur van de kwartscomponenten wordt verlengd en de effectieve boorbron wordt vergroot. HCl kan ook reageren met metaalverontreinigingen op het celoppervlak en in de buis om gasvormige metaalchloriden te vormen die met de uitlaatgassen worden afgevoerd, waardoor wordt voorkomen dat metaalverontreinigingen tijdens het hogetemperatuurproces in de zonnecel diffunderen.

3. SE Laser Doping

Doel: Het vormen van een selectieve emitter. Hoge concentratiedoping wordt toegepast op en nabij de contactgebieden tussen de metalen gridlijnen en de wafer om de contactweerstand tussen de voorste metaalelektrode en de wafer te verlagen, terwijl lage concentratiedoping buiten de elektrodegebieden de recombinatie in de diffusielaag vermindert. Het optimaliseren van de emitter verhoogt de uitgangsstroom en -spanning van de zonnecel, waardoor de fotovoltaïsche conversie-efficiëntie wordt verbeterd.

Waar de laser zich bevindt in de TOPCon-stroom: PERC SE gebruikt fosfordotering, terwijl TOPCon SE boordotering gebruikt. Omdat boor en fosfor verschillende segregatiecoëfficiënten hebben, diffundeert fosfor gemakkelijker van siliciumdioxide naar silicium, terwijl boor moeilijker in te brengen is en meer energie vereist. Overmatige laserenergie beschadigt echter gemakkelijk de wafer, waardoor boordotering uitdagender is. Vergeleken met traditionele boordiffusie kan het toevoegen van SE-technologie aan TOPCon-cellen theoretisch de efficiëntie met 0,5% verbeteren, en in daadwerkelijke massaproductie kan een efficiëntiewinst van 0,2-0,4% worden bereikt.

4. Etsen

Doel: De belangrijkste functie van etsen is het verwijderen van de BSG en de achterste junctie. Het diffusieproces vormt diffusielagen op zowel het waferoppervlak als de randen; de randdiffusielaag veroorzaakt gemakkelijk kortsluiting en de oppervlaktediffusielaag beïnvloedt de daaropvolgende passivering, dus beide moeten worden verwijderd. Etsen wordt momenteel voornamelijk met natte methoden uitgevoerd, waarbij de achterste en randdiffusielagen in kettingapparatuur worden verwijderd voordat de voorkant wordt bewerkt.

5. Voorbereiden van de tunneloxidelaag en polysiliciumlaag

Doel: Deponeer een 1-2nm tunneloxidelaag op de achterkant, deponeer vervolgens een 60-100nm polysiliciumlaag om de passiveringsstructuur te vormen. Er zijn verschillende methoden voor het bereiden van de TOPCon-passiveringslaag, voornamelijk LPCVD-, PECVD- en PVD-routes. LPCVD is momenteel de mainstream, maar omhullende depositie is ernstig, terwijl PECVD een sterk potentieel biedt in algemene prestaties.

6. Voorbereiden van de achterste antireflectiefilm

Doel: Bereid een antireflectie-passiveringsfilm op de achterkant van de cel om de lichtabsorptie te verhogen. Tegelijkertijd passiveren de waterstofatomen die worden gegenereerd tijdens het SiNx-filmvormingsproces de wafer.

7. Depositie van aluminiumoxide aan de voorkant

Doel: Deponeer een laag aluminiumoxidefilm op de voorkant van de wafer, die samen met andere films het frontpassiveringseffect vormt.

8. Voorbereiden van de voorste antireflectiefilm

Doel: De voorste antireflectiefilm werkt in wezen hetzelfde als de achterste. Bovendien is de aluminiumoxidefilm die aan de voorkant is gedeponeerd erg dun en gemakkelijk te beschadigen tijdens de daaropvolgende cel- en moduleproductie, dus de voorste SiNx beschermt ook het aluminiumoxide.

9. Zeefdruk - Laserpatroonoverdracht

Momenteel wordt bij het printen van cellen nog steeds zeefdruk gebruikt. In de toekomst, wat betreft het verminderen van zilverpastaverbruik voor N-type cellen, kan patroonoverdrachtprinten het voordeel hebben. Laseroverdracht is een nieuw type contactloze printtechnologie: de benodigde pasta wordt aangebracht op een specifiek flexibel transparant materiaal, en een krachtige laserstraal voert een snelle patroonscan uit om de pasta van het flexibele transparante materiaal naar het celoppervlak over te brengen, waardoor de gridlines worden gevormd en de voor- en achterelektroden worden voorbereid.

10. Sinteren

Goed ohms contact wordt gevormd door sinteren op hoge temperatuur.

11. Automatisch sorteren

Cellen worden gesorteerd in bakken op basis van hun verschillende conversie-efficiënties.

Toekomstige ontwikkelingstrends van TOPCon-cellen

In 2023 bereikte de gemiddelde conversie-efficiëntie van N-type TOPCon-cellen 25,0% en de gemiddelde conversie-efficiëntie van heterojunctiecellen 25,2%, beide aanzienlijke verbeteringen ten opzichte van 2022.

In 2023 waren nieuw in gebruik genomen massaproductielijnen voornamelijk N-type cellijnen. Naarmate de N-type celcapaciteit geleidelijk werd vrijgegeven, werd het marktaandeel van PERC-cellen gecomprimeerd tot 73,0%. N-type cellen hadden een gecombineerd totaal van ongeveer 26,5%, met N-type TOPCon-cellen op ongeveer 23,0%, heterojunctiecellen op ongeveer 2,6% en XBC-cellen op ongeveer 0,9%—allemaal aanzienlijke stijgingen ten opzichte van 2022.

Vanaf 2024 zal het aandeel van N-type cellen vertegenwoordigd door TOPCon P-type PERC volledig overtreffen, waarbij de industrie verwacht dat het aandeel 70% zal bereiken en overschrijden.

Ooitech's Perspectief

Ooitech gelooft: TOPCon, een N-type tunneloxide gepassiveerde contactceltechnologie die voortbouwt op bestaande PERC-lijnen, levert hogere efficiëntie, lagere degradatie en sterkere vermogenswinsten, en wordt nu de mainstream van de zonne-energie-industrie.