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探索TOPCon電池：光伏新興技術(shù)的未來

Published:

2023-10-18 17:07

Source:

順風(fēng)光電

什么叫TOPCon電池？

TOPCon電池是光伏晶硅電池的一種，近年來，由于其高轉(zhuǎn)換效率、低衰減性能、高量產(chǎn)性價(jià)比等明顯優(yōu)勢，逐步被行業(yè)企業(yè)采納。

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

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

從時(shí)間上來看，TOPCon電池技術(shù)，最早是由德國Fraunhofer太陽能研究所在2014年提出的一種新型鈍化接觸太陽能電池。

從結(jié)構(gòu)上來看，TOPCon是一種基于選擇性載流子原理的隧穿氧化層鈍化接觸(Tunnel Oxide Passivated Contact)太陽能電池技術(shù)，其電池結(jié)構(gòu)為N型硅襯底電池，在電池背面制備一層超薄氧化硅，然后再沉積一層摻雜硅薄層，二者共同形成了鈍化接觸結(jié)構(gòu)，有效降低表面復(fù)合和金屬接觸復(fù)合。

TOPCon電池工藝

相比于單晶PERC工序，TOPCon電池生產(chǎn)工序要多出2~3個(gè)步驟，分別是沉積隧穿氧化層（超薄SiO2，1~2nm）、沉積本征多晶硅鈍化層（60~100nm）、磷注入。

TOPCon主要工序及作用

1. 清洗制絨

① 目的

硅片切割后其邊緣有損傷，硅的晶格結(jié)構(gòu)被破壞、表面復(fù)合嚴(yán)重，清洗制絨主要目的在于去除表面損傷并形成表面金字塔陷光結(jié)構(gòu)、光線照射在硅片表面通過多次折射，達(dá)到減少反射率的目的。

2. 硼擴(kuò)散工序

① 目的

主要作用是制備 PN 結(jié)，由于硼在硅中的固溶度低，因此需要高溫和更長的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散。同時(shí)，擴(kuò)散源的選擇對生產(chǎn)過程也會(huì)有影響，氯化物腐蝕性較強(qiáng)，溴化物黏性大，清洗過程繁瑣、增加運(yùn)維費(fèi)用。硼擴(kuò)散通常在較高的溫度下完成-超出1000℃，并且和磷擴(kuò)散所需的102min的循環(huán)周期相比，硼擴(kuò)散的循環(huán)時(shí)間為150min。

② 原理

在爐管內(nèi)反應(yīng)生成的氣態(tài)HCl和H2O會(huì)在N2的攜帶下在爐管內(nèi)均勻分布，H2O還會(huì)與BBr3和O2反應(yīng)生成B2O3反應(yīng)生成氣態(tài)的HBO2，HBO2在高溫下也會(huì)發(fā)生分解，生成B2O3，可以實(shí)現(xiàn)B2O3在太陽能電池片表面上的均勻分布；

另一方面，H2O還會(huì)與爐管內(nèi)沉積的B2O3發(fā)生反應(yīng)，這樣即避免了B2O3在擴(kuò)散爐管壁的沉積，延長了石英器件的使用壽命，同時(shí)增加有效的硼源；

HCl還可以與太陽能電池片表面及爐管內(nèi)的金屬雜質(zhì)反應(yīng)，生成氣態(tài)的金屬氯化物，隨尾氣排出，可以避免金屬雜質(zhì)在高溫過程中擴(kuò)散入太陽能電池片內(nèi)部。

3. SE激光摻雜工序

① 目的

形成選擇發(fā)射極，主要是在金屬柵線與硅片接觸部位及其附近進(jìn)行高濃度摻雜，減少前金屬電極與硅片的接觸電阻；而在電極以外的區(qū)域進(jìn)行低濃度摻雜，可以降低擴(kuò)散層的復(fù)合。通過對發(fā)射極的優(yōu)化，增加太陽能電池的輸出電流和電壓，從而增加光電轉(zhuǎn)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(shù)不同，磷更容易從二氧化硅向硅中擴(kuò)散，而硼更容易從硅從二氧化硅中擴(kuò)散，需要更大的能量才能推進(jìn)摻雜，而激光能量過大又易造成硅片損傷，因此將硼摻雜進(jìn)硅的難度更高。

相比于傳統(tǒng)的硼擴(kuò)散，TOPCon電池疊加SE技術(shù)理論上可以實(shí)現(xiàn)效率提升0.5%，而在實(shí)際量產(chǎn)中可以實(shí)現(xiàn)效率提升0.2~0.4%。

4. 刻蝕工序

① 目的

刻蝕的主要作用為去除 BSG 和背結(jié)。擴(kuò)散過程會(huì)在硅片表面及周邊均形成擴(kuò)散層，周邊擴(kuò)散層容易形成短路，表面擴(kuò)散層影響后續(xù)鈍化，因此需要去除。目前刻蝕主要采用濕法，先在鏈?zhǔn)皆O(shè)備中去除背面與周邊擴(kuò)散層，之后處理正面。

5. 制備隧穿氧化層與多晶硅層

① 目的

背面沉積 1-2nm 隧穿氧化層，之后沉積 60-100nm 多晶硅層形成鈍化結(jié)構(gòu)。TOPCon 鈍化層制備方式較多，主要分為 LPCVD、PECVD、PVD 路線等，目前以 LPCVD 為主，但繞鍍嚴(yán)重，PECVD綜合性能具備較強(qiáng)潛力。

6. 制備背面減反射膜

① 目的

在電池背面制備減反射鈍化膜層增加對光的吸收，同時(shí)，在 SiNx 薄膜形成過程中產(chǎn)生的氫原子對硅片具有鈍化作用。

7. 正面鍍氧化鋁

① 目的

在硅片正面沉積一層氧化鋁膜層，與其他膜層共同形成正面鈍化作用。

8. 制備正面減反射膜

① 目的

正面減反膜與背面作用基本相同，此外，正面沉積的氧化鋁薄膜非常薄，容易在后續(xù)電池組件的制作中被破壞，正面 SiNx 對氧化鋁也具有保護(hù)作用。