Cos'è una cella solare TOPCon? Guida completa alla tecnologia a contatto passivato con ossido tunnel

Introduzione alle celle solari TOPCon

TOPCon (contatto passivato con ossido tunnel) è una tecnologia di celle su wafer di tipo N emersa per la prima volta nel 2013. Una cella solare TOPCon è una cella solare a contatto passivato con ossido tunnel costruita su un substrato di tipo N.

Rispetto alle celle PERC, le celle TOPCon utilizzano uno strato di ossido tunnel con eccellenti proprietà di trasporto della carica come strato di trasporto della carica sul retro della cella. Sopra di esso, viene depositato un film di polisilicio drogato di circa 20 nm per formare una struttura di contatto passivato sul lato posteriore. Ciò riduce efficacemente la ricombinazione superficiale e la ricombinazione del contatto metallico, aumenta la tensione a circuito aperto e migliora l'efficienza di conversione energetica.

TOPCon è una tecnologia di celle solari a contatto passivato con ossido tunnel basata sul principio dei portatori selettivi, che raggiunge un effetto di passivazione superiore.

La cella TOPCon utilizza un substrato di tipo N. Un sottile strato di ossido viene preparato sul retro della cella, seguito da un film sottile drogato. Insieme formano una struttura di contatto passivato che riduce efficacemente la ricombinazione superficiale e la ricombinazione del contatto metallico, offrendo maggiore spazio per migliorare ulteriormente l'efficienza di conversione delle celle N-PERT.

La tecnologia TOPCon preserva e riutilizza al massimo le apparecchiature e i processi esistenti per celle P-type convenzionali. Richiede solo l'aggiunta di apparecchiature per la diffusione del boro e la deposizione di film sottili, senza necessità di apertura o allineamento sul lato posteriore. Ciò semplifica notevolmente il processo di produzione delle celle e mantiene bassa la difficoltà di produzione di massa. La linea di processo offre un'elevata compatibilità e può funzionare insieme alle linee di produzione ad alta temperatura utilizzate per le celle bifacciali PERC e N-PERT.

Le celle TOPCon offrono i vantaggi di bassa degradazione, alta bifaccialità e un basso coefficiente di temperatura, offrendo chiari guadagni di generazione di energia a livello di centrale elettrica terminale.

Fasi di sviluppo delle celle TOPCon

La storia dello sviluppo delle celle TOPCon può essere suddivisa in quattro fasi: il periodo del prototipo tecnologico, periodo di layout del prodotto, periodo di promozione commerciale e periodo di crescita esplosiva.

Vantaggi delle celle TOPCon

Vantaggi prestazionali

• Alta efficienza di conversione. Grazie al design unico del contatto passivato delle celle TOPCon, il limite di efficienza teorica raggiunge fino al 28,7%. I principali produttori di TOPCon hanno già raggiunto efficienze di produzione di massa superiori al 25,5%, un miglioramento significativo rispetto alle celle PERC mainstream (attuale efficienza di conversione di produzione di massa intorno al 23,5%, limite teorico 24,5%).

• Alta bifaccialità. Le celle bifacciali TOPCon producono circa il 3% in più di potenza per watt rispetto alle celle bifacciali PERC. Nello stesso scenario di centrale a terra, ciò offre maggiori guadagni di generazione di energia.

• Basso coefficiente di temperatura. Il coefficiente di temperatura dei moduli TOPCon di tipo N è basso fino a -0,30%/°C, migliore del -0,35%/°C dei moduli di tipo P, mostrando un'eccellente stabilità in ambienti ad alta temperatura.

• Bassa degradazione. Il silicio cristallino di tipo N drogato con fosforo contiene un contenuto di boro estremamente basso, quindi non c'è essenzialmente ricombinazione boro-ossigeno, offrendo un vantaggio nel tasso di degradazione. Alcuni moduli TOPCon mostrano una degradazione del primo anno dell'1% e una degradazione lineare annuale dello 0,4%, rispetto al 2% del primo anno e allo 0,45% lineare dei moduli PERC, portando a un guadagno di generazione di energia per watt durante il ciclo di vita del modulo.

• Forte prestazione in condizioni di scarsa illuminazione. Le celle TOPCon rispondono bene sia alle lunghezze d'onda corte che a quelle lunghe, mantenendo un'eccellente capacità di generazione di energia in condizioni di scarsa illuminazione come al mattino presto, alla sera e con tempo nuvoloso.

Vantaggi economici

• Elevata compatibilità con la produzione PERC, riducendo la difficoltà degli aggiornamenti tecnologici. TOPCon può essere esteso dalla tecnologia di processo PERC, richiedendo solo quattro passaggi aggiuntivi: preparazione dell'emettitore di boro, crescita dello strato di ossido tunnel, deposizione e drogaggio del polisilicio, e pulizia post-diffusione. Questo riduce la difficoltà dell'aggiornamento e accelera l'adozione della tecnologia TOPCon.

• Conversione di linea fluida con basso costo di investimento in attrezzature. La costruzione di una nuova linea TOPCon richiede un investimento in attrezzature di circa 200-250 milioni, mentre una nuova linea HJT richiede 350-400 milioni. Poiché TOPCon offre una buona compatibilità delle attrezzature con le linee PERC esistenti, è necessario aggiungere solo attrezzature per la diffusione del boro e la deposizione di polisilicio/silicio amorfo (LPCVD / PECVD / PVD), con un investimento in attrezzature di circa 50-70 milioni. Ciò evita investimenti su larga scala in nuove attrezzature e importanti modifiche alla linea, rendendolo molto economico.

• Potenziale significativo di premio di prezzo. Rispetto ai moduli PERC, i moduli TOPCon offrono una maggiore generazione di energia per watt, maggiori guadagni di generazione e costi di sistema inferiori, creando un notevole margine per un premio di prezzo.

Processo di produzione delle celle TOPCon

Rispetto ai processi PERC monocristallini, il processo di produzione delle celle TOPCon aggiunge 2 o 3 passaggi extra: deposizione dello strato di ossido tunnel (SiO2 ultra-sottile, 1-2nm), deposizione dello strato di passivazione in polisilicio intrinseco (60-100nm) e impiantazione di fosforo.

Principali fasi del processo e loro funzioni

1. Pulizia e texturizzazione

Scopo: Dopo il taglio del wafer, i bordi sono danneggiati, la struttura del reticolo cristallino è rotta e la ricombinazione superficiale è grave. La pulizia e la texturizzazione mirano principalmente a rimuovere i danni superficiali e a formare una struttura piramidale intrappolante la luce sulla superficie. La luce si riflette più volte sulla superficie del wafer, riducendo la riflettanza.

2. Diffusione del boro

Scopo: La funzione principale è formare la giunzione PN. Poiché il boro ha una bassa solubilità solida nel silicio, per la diffusione sono necessarie temperature elevate e tempi più lunghi. La scelta della fonte di diffusione influisce anche sulla produzione: i cloruri sono corrosivi, mentre i bromuri sono viscosi, rendendo la pulizia complicata e aumentando i costi di manutenzione.

La diffusione del boro viene solitamente completata a temperature più elevate—sopra i 1000℃—e rispetto al ciclo di 102 minuti richiesto per la diffusione del fosforo, il ciclo di diffusione del boro richiede 150 minuti.

Principio:

L'HCl gassoso e l'H2O generati dalle reazioni all'interno del tubo del forno vengono trasportati da N2 e distribuiti uniformemente in tutto il tubo. L'H2O reagisce anche con BBr3 e O2 per formare B2O3, che reagisce ulteriormente per formare HBO2 gassoso; ad alte temperature l'HBO2 si decompone nuovamente in B2O3, consentendo al B2O3 di distribuirsi uniformemente sulla superficie della cella solare. Inoltre, l'H2O reagisce con il B2O3 depositato all'interno del tubo del forno, prevenendo l'accumulo di B2O3 sulle pareti del tubo di diffusione, prolungando la vita dei componenti in quarzo e aumentando la fonte efficace di boro. L'HCl può anche reagire con le impurità metalliche sulla superficie della cella e all'interno del tubo per formare cloruri metallici gassosi che escono con il gas di scarico, impedendo alle impurità metalliche di diffondersi nella cella solare durante il processo ad alta temperatura.

3. Drogaggio Laser SE

Scopo: Formare un emettitore selettivo. Viene applicato un drogaggio ad alta concentrazione nelle aree di contatto e nelle vicinanze tra le linee metalliche della griglia e il wafer per ridurre la resistenza di contatto tra l'elettrodo metallico anteriore e il wafer, mentre un drogaggio a bassa concentrazione al di fuori delle aree degli elettrodi riduce la ricombinazione nello strato di diffusione. Ottimizzare l'emettitore aumenta la corrente di uscita e la tensione della cella solare, migliorando così l'efficienza di conversione fotovoltaica.

Dove si posiziona il laser nel flusso TOPCon: PERC SE utilizza drogaggio al fosforo, mentre TOPCon SE utilizza drogaggio al boro. Poiché boro e fosforo hanno coefficienti di segregazione diversi, il fosforo diffonde più facilmente dal biossido di silicio nel silicio, mentre il boro è più difficile da spingere e richiede più energia. Tuttavia, un'eccessiva energia laser danneggia facilmente la wafer, rendendo il drogaggio al boro più impegnativo. Rispetto alla tradizionale diffusione del boro, l'aggiunta della tecnologia SE alle celle TOPCon può teoricamente migliorare l'efficienza dello 0,5%, e nella produzione di massa reale può raggiungere un guadagno di efficienza dello 0,2-0,4%.

4. Incisione

Scopo: La funzione principale dell'incisione è rimuovere il BSG e la giunzione posteriore. Il processo di diffusione forma strati di diffusione sia sulla superficie della wafer che sui suoi bordi; lo strato di diffusione sui bordi causa facilmente cortocircuiti, e lo strato di diffusione superficiale influisce sulla successiva passivazione, quindi entrambi devono essere rimossi. Attualmente l'incisione viene eseguita principalmente con metodi umidi, rimuovendo gli strati di diffusione posteriore e dei bordi in apparecchiature a catena prima di processare il lato anteriore.

5. Preparazione dello strato di ossido tunnel e dello strato di polisilicio

Scopo: Depositare uno strato di ossido tunnel di 1-2 nm sul retro, quindi depositare uno strato di polisilicio di 60-100 nm per formare la struttura di passivazione. Esistono diversi metodi per preparare lo strato di passivazione TOPCon, principalmente le vie LPCVD, PECVD e PVD. LPCVD è attualmente la via principale, ma la deposizione avvolgente è severa, mentre PECVD offre un forte potenziale in termini di prestazioni complessive.

6. Preparazione della pellicola antiriflesso posteriore

Scopo: Preparare una pellicola di passivazione antiriflesso sul retro della cella per aumentare l'assorbimento della luce. Allo stesso tempo, gli atomi di idrogeno generati durante la formazione della pellicola SiNx passivano la wafer.

7. Deposizione di ossido di alluminio sul lato anteriore

Scopo: Depositare uno strato di pellicola di ossido di alluminio sul lato anteriore della wafer, che insieme ad altre pellicole forma l'effetto di passivazione anteriore.

8. Preparazione della pellicola antiriflesso anteriore

Scopo: La pellicola antiriflesso anteriore funziona essenzialmente allo stesso modo di quella posteriore. Inoltre, la pellicola di ossido di alluminio depositata sul lato anteriore è molto sottile e facilmente danneggiabile durante la successiva fabbricazione di celle e moduli, quindi il SiNx anteriore protegge anche l'ossido di alluminio.

9. Serigrafia - Trasferimento del pattern laser

Attualmente, la maggior parte della stampa delle celle utilizza ancora la serigrafia. In futuro, per ridurre il consumo di pasta d'argento nelle celle di tipo N, la stampa a trasferimento di pattern potrebbe avere un vantaggio. Il trasferimento laser è una nuova tecnologia di stampa senza contatto: la pasta necessaria viene applicata su un materiale flessibile trasparente specifico, e un raggio laser ad alta potenza esegue una scansione patternizzata ad alta velocità per trasferire la pasta dal materiale flessibile trasparente alla superficie della cella, formando le linee della griglia e preparando gli elettrodi anteriore e posteriore.

10. Sinterizzazione

Un buon contatto ohmico si forma attraverso la sinterizzazione ad alta temperatura.

11. Smistamento Automatico

Le celle vengono smistate in contenitori in base alle loro diverse efficienze di conversione.

Tendenze Future di Sviluppo delle Celle TOPCon

Nel 2023, l'efficienza di conversione media delle celle TOPCon di tipo N ha raggiunto il 25,0%, e l'efficienza di conversione media delle celle eterogiunzione ha raggiunto il 25,2%, entrambi miglioramenti significativi rispetto al 2022.

Nel 2023, le nuove linee di produzione di massa commissionate erano principalmente linee di celle di tipo N. Con il graduale rilascio della capacità di celle di tipo N, la quota di mercato delle celle PERC è stata compressa al 73,0%. Le celle di tipo N hanno rappresentato complessivamente circa il 26,5%, con celle TOPCon di tipo N a circa il 23,0%, celle eterogiunzione a circa il 2,6% e celle XBC a circa lo 0,9%—tutti aumenti sostanziali rispetto al 2022.

Dal 2024 in poi, la quota delle celle di tipo N rappresentate da TOPCon supererà completamente il P-type PERC, con l'industria che prevede che la quota raggiunga e superi il 70%.

Il punto di vista di Ooitech

Ooitech ritiene: TOPCon, una tecnologia di celle a contatto passivato con ossido tunnel di tipo N che si basa sulle linee PERC esistenti, offre maggiore efficienza, minore degradazione e maggiori guadagni di generazione di potenza, e sta diventando la corrente principale dell'industria solare.