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探索TOPCon電池：光伏新興技術的未來

Published:

2023-10-18 17:07

Source:

順風光電

什麼(me)叫(jiào)TOPCon電池？

TOPCon電池是光伏晶矽電池的一種(zhǒng)，近年來，由于其高轉換效率、低衰減性能(néng)、高量産性價比等明顯優勢，逐步被(bèi)行業企業采納。

TOPCon電池理論極限效率高達28.7%，是最接近晶體矽太陽電池理論極限效率（29.43%）的技術，遠高于PERC（24.5%），具有非常大的研發(fā)潛力。

2023年作爲TOPCon技術爆發(fā)的一年，市占率有望占比超過(guò)25%。

從時間上來看，TOPCon電池技術，最早是由德國(guó)Fraunhofer太陽能(néng)研究所在2014年提出的一種(zhǒng)新型鈍化接觸太陽能(néng)電池。

從結構上來看，TOPCon是一種(zhǒng)基于選擇性載流子原理的隧穿氧化層鈍化接觸(Tunnel Oxide Passivated Contact)太陽能(néng)電池技術，其電池結構爲N型矽襯底電池，在電池背面(miàn)制備一層超薄氧化矽，然後(hòu)再沉積一層摻雜矽薄層，二者共同形成(chéng)了鈍化接觸結構，有效降低表面(miàn)複合和金屬接觸複合。

TOPCon電池工藝

相比于單晶PERC工序，TOPCon電池生産工序要多出2~3個步驟，分别是沉積隧穿氧化層（超薄SiO2，1~2nm）、沉積本征多晶矽鈍化層（60~100nm）、磷注入。

TOPCon主要工序及作用

1. 清洗制絨

① 目的

矽片切割後(hòu)其邊緣有損傷，矽的晶格結構被(bèi)破壞、表面(miàn)複合嚴重，清洗制絨主要目的在于去除表面(miàn)損傷并形成(chéng)表面(miàn)金字塔陷光結構、光線照射在矽片表面(miàn)通過(guò)多次折射，達到減少反射率的目的。

2. 硼擴散工序

① 目的

主要作用是制備 PN 結，由于硼在矽中的固溶度低，因此需要高溫和更長(cháng)的時間進(jìn)行擴散。同時，擴散源的選擇對(duì)生産過(guò)程也會有影響，氯化物腐蝕性較強，溴化物黏性大，清洗過(guò)程繁瑣、增加運維費用。硼擴散通常在較高的溫度下完成(chéng)-超出1000℃，并且和磷擴散所需的102min的循環周期相比，硼擴散的循環時間爲150min。

② 原理

在爐管内反應生成(chéng)的氣态HCl和H2O會在N2的攜帶下在爐管内均勻分布，H2O還(hái)會與BBr3和O2反應生成(chéng)B2O3反應生成(chéng)氣态的HBO2，HBO2在高溫下也會發(fā)生分解，生成(chéng)B2O3，可以實現B2O3在太陽能(néng)電池片表面(miàn)上的均勻分布；

另一方面(miàn)，H2O還(hái)會與爐管内沉積的B2O3發(fā)生反應，這(zhè)樣(yàng)即避免了B2O3在擴散爐管壁的沉積，延長(cháng)了石英器件的使用壽命，同時增加有效的硼源；

HCl還(hái)可以與太陽能(néng)電池片表面(miàn)及爐管内的金屬雜質反應，生成(chéng)氣态的金屬氯化物，随尾氣排出，可以避免金屬雜質在高溫過(guò)程中擴散入太陽能(néng)電池片内部。

3. SE激光摻雜工序

① 目的

形成(chéng)選擇發(fā)射極，主要是在金屬栅線與矽片接觸部位及其附近進(jìn)行高濃度摻雜，減少前金屬電極與矽片的接觸電阻；而在電極以外的區域進(jìn)行低濃度摻雜，可以降低擴散層的複合。通過(guò)對(duì)發(fā)射極的優化，增加太陽能(néng)電池的輸出電流和電壓，從而增加光電轉化效率。

② 激光在TOPCon 流程的所在工序

PERC SE是摻磷，而TOPCon SE是摻硼，由于硼和磷的分離系數不同，磷更容易從二氧化矽向(xiàng)矽中擴散，而硼更容易從矽從二氧化矽中擴散，需要更大的能(néng)量才能(néng)推進(jìn)摻雜，而激光能(néng)量過(guò)大又易造成(chéng)矽片損傷，因此將(jiāng)硼摻雜進(jìn)矽的難度更高。

相比于傳統的硼擴散，TOPCon電池疊加SE技術理論上可以實現效率提升0.5%，而在實際量産中可以實現效率提升0.2~0.4%。

4. 刻蝕工序

① 目的

刻蝕的主要作用爲去除 BSG 和背結。擴散過(guò)程會在矽片表面(miàn)及周邊均形成(chéng)擴散層，周邊擴散層容易形成(chéng)短路，表面(miàn)擴散層影響後(hòu)續鈍化，因此需要去除。目前刻蝕主要采用濕法，先在鏈式設備中去除背面(miàn)與周邊擴散層，之後(hòu)處理正面(miàn)。

5. 制備隧穿氧化層與多晶矽層

① 目的

背面(miàn)沉積 1-2nm 隧穿氧化層，之後(hòu)沉積 60-100nm 多晶矽層形成(chéng)鈍化結構。TOPCon 鈍化層制備方式較多，主要分爲 LPCVD、PECVD、PVD 路線等，目前以 LPCVD 爲主，但繞鍍嚴重，PECVD綜合性能(néng)具備較強潛力。

6. 制備背面(miàn)減反射膜

① 目的

在電池背面(miàn)制備減反射鈍化膜層增加對(duì)光的吸收，同時，在 SiNx 薄膜形成(chéng)過(guò)程中産生的氫原子對(duì)矽片具有鈍化作用。

7. 正面(miàn)鍍氧化鋁

① 目的

在矽片正面(miàn)沉積一層氧化鋁膜層，與其他膜層共同形成(chéng)正面(miàn)鈍化作用。

8. 制備正面(miàn)減反射膜

① 目的

正面(miàn)減反膜與背面(miàn)作用基本相同，此外，正面(miàn)沉積的氧化鋁薄膜非常薄，容易在後(hòu)續電池組件的制作中被(bèi)破壞，正面(miàn) SiNx 對(duì)氧化鋁也具有保護作用。