Einführung in TOPCon-Solarzellen

TOPCon (Tunneloxid-Passivierungskontakt) ist eine N-Typ-Waferzellentechnologie, die erstmals 2013 aufkam. Eine TOPCon-Solarzelle ist eine Tunneloxid-Passivierungskontakt-Solarzelle auf einem N-Typ-Substrat.

Im Vergleich zu PERC-Zellen verwenden TOPCon-Zellen eine Tunneloxidschicht mit hervorragenden Ladungstransporteigenschaften als Ladungstransportschicht auf der Rückseite der Zelle. Darauf wird ein dotierter Polysiliziumfilm von etwa 20 nm abgeschieden, um eine passivierte Kontaktstruktur auf der Rückseite zu bilden. Dies reduziert effektiv die Oberflächenrekombination und die Metallkontaktrekombination, erhöht die Leerlaufspannung und verbessert die Energieumwandlungseffizienz.

TOPCon ist eine Tunneloxid-Passivierungskontakt-Solarzellentechnologie, die auf dem Prinzip der selektiven Träger basiert und einen überlegenen Passivierungseffekt erzielt.

Die TOPCon-Zelle verwendet ein N-Typ-Substrat. Auf der Rückseite der Zelle wird eine dünne Oxidschicht präpariert, gefolgt von einem dotierten dünnen Film. Zusammen bilden diese eine passivierte Kontaktstruktur, die effektiv die Oberflächenrekombination und Metallkontaktrekombination reduziert und mehr Spielraum bietet, um die Umwandlungseffizienz von N-PERT-Zellen weiter zu verbessern.

Die TOPCon-Technologie bewahrt und nutzt vorhandene konventionelle P-Typ-Zellanlagen und -prozesse weitestgehend. Es sind lediglich die Hinzufügung von Bordiffusions- und Dünnschichtabscheidungsanlagen erforderlich, ohne dass eine Rückseitenöffnung oder Ausrichtung nötig ist. Dies vereinfacht den Zellherstellungsprozess erheblich und hält die Schwierigkeit der Massenproduktion gering. Die Prozesslinie bietet eine hohe Kompatibilität und kann parallel zu den Hochtemperatur-Fertigungslinien für PERC- und N-PERT-bifaziale Zellen betrieben werden.

TOPCon-Zellen bieten die Vorteile von geringer Degradation, hoher Bifazialität und einem niedrigen Temperaturkoeffizienten, was auf Ebene des Endkraftwerks klare Stromerzeugungsgewinne liefert.

Entwicklungsstufen von TOPCon-Zellen

Die Entwicklungsgeschichte der TOPCon-Zellen lässt sich in vier Phasen unterteilen: die Technologieprototypenphase, Produktplatzierungsphase, kommerzielle Förderphase und explosive Wachstumsphase.

Vorteile von TOPCon-Zellen

Leistungsvorteile

• Hohe Umwandlungseffizienz. Dank des einzigartigen passivierten Kontaktdesigns von TOPCon-Zellen erreicht die theoretische Effizienzgrenze bis zu 28,7 %. Führende TOPCon-Hersteller haben bereits Massenproduktionseffizienzen von über 25,5 % erreicht, eine deutliche Verbesserung gegenüber den gängigen PERC-Zellen (derzeitige Massenproduktionseffizienz etwa 23,5 %, theoretische Grenze 24,5 %).

• Hohe Bifazialität. TOPCon-bifaziale Zellen erzeugen etwa 3 % mehr Strom pro Watt als bifaziale PERC-Zellen. Im gleichen Freiflächenkraftwerksszenario liefern sie höhere Stromerzeugungsgewinne.

• Niedriger Temperaturkoeffizient. Der Temperaturkoeffizient von N-Typ-TOPCon-Modulen beträgt nur -0,30 %/°C, besser als die -0,35 %/°C von P-Typ-Modulen, was eine hervorragende Stabilität in Umgebungen mit hohen Temperaturen zeigt.

• Geringe Degradation. Phosphor-dotiertes N-Typ-kristallines Silizium enthält extrem geringe Borgehalte, sodass es im Wesentlichen keine Bor-Sauerstoff-Rekombination gibt, was einen Vorteil bei der Degradationsrate bietet. Einige TOPCon-Module weisen eine Degradation von 1 % im ersten Jahr und eine lineare jährliche Degradation von 0,4 % auf, verglichen mit 2 % im ersten Jahr und 0,45 % linear bei PERC-Modulen, was über den Lebenszyklus des Moduls einen Stromerzeugungsgewinn pro Watt bringt.

• Starke Leistung bei schwachem Licht. TOPCon-Zellen reagieren gut auf kurze und lange Wellenlängen und behalten eine hervorragende Stromerzeugungsfähigkeit bei schwachen Lichtverhältnissen wie frühmorgens, abends und bei bewölktem Wetter.

Wirtschaftliche Vorteile

• Hohe Kompatibilität mit PERC-Fertigung, was die Schwierigkeit von Technologie-Upgrades verringert. TOPCon kann aus der PERC-Prozesstechnologie erweitert werden und erfordert nur vier zusätzliche Schritte: Herstellung des Bor-Emitters, Aufwachsen der Tunneloxidschicht, Abscheidung und Dotierung von Polysilizium sowie Reinigung nach der Diffusion. Dies senkt die Schwierigkeit des Upgrades und beschleunigt die Einführung der TOPCon-Technologie.

• Reibungslose Linienumstellung mit niedrigen Investitionskosten für die Ausrüstung. Der Bau einer neuen TOPCon-Linie erfordert Investitionen in die Ausrüstung von etwa 200-250 Millionen, während eine neue HJT-Linie 350-400 Millionen erfordert. Da TOPCon eine gute Gerätekompatibilität mit bestehenden PERC-Linien bietet, müssen nur Bor-Diffusions- und Polysilizium/amorphe Silizium-Abscheidungsanlagen (LPCVD / PECVD / PVD) hinzugefügt werden, mit Investitionen von etwa 50-70 Millionen. Dies vermeidet groß angelegte Investitionen in neue Anlagen und größere Linienumbauten und ist daher sehr wirtschaftlich.

• Erhebliches Potenzial für Preisaufschläge. Im Vergleich zu PERC-Modulen bieten TOPCon-Module eine höhere Stromerzeugung pro Watt, höhere Erzeugungsgewinne und niedrigere Systemkosten, was erheblichen Spielraum für einen Preisaufschlag schafft.

TOPCon-Zellfertigungsprozess

Im Vergleich zu monokristallinen PERC-Prozessen fügt der TOPCon-Zellproduktionsprozess 2 bis 3 zusätzliche Schritte hinzu: Abscheidung der Tunneloxidschicht (ultradünnes SiO2, 1-2nm), Abscheidung der intrinsischen Polysilizium-Passivierungsschicht (60-100nm) und Phosphorimplantation.

Hauptprozessschritte und ihre Funktionen

1. Reinigung und Texturierung

Zweck: Nach dem Wafer-Schneiden sind die Kanten beschädigt, die Kristallgitterstruktur ist gestört und die Oberflächenrekombination ist stark. Reinigung und Texturierung dienen hauptsächlich dazu, Oberflächenschäden zu entfernen und eine pyramidenförmige Lichtfalle auf der Oberfläche zu bilden. Licht wird mehrfach über die Wafer-Oberfläche reflektiert, wodurch die Reflektivität verringert wird.

2. Bordiffusion

Zweck: Die Hauptfunktion besteht darin, den PN-Übergang zu bilden. Da Bor eine geringe Löslichkeit in Silizium hat, sind hohe Temperaturen und längere Zeiten für die Diffusion erforderlich. Die Wahl der Diffusionsquelle beeinflusst auch die Produktion: Chloride sind korrosiv, während Bromide viskos sind, was die Reinigung umständlich macht und die Wartungskosten erhöht.

Die Bor-Diffusion wird normalerweise bei höheren Temperaturen – über 1000 °C – durchgeführt, und im Vergleich zum 102-minütigen Zyklus für die Phosphor-Diffusion dauert der Bor-Diffusionszyklus 150 Minuten.

Prinzip:

Das gasförmige HCl und H2O, die durch Reaktionen im Ofenrohr entstehen, werden von N2 getragen und gleichmäßig im Rohr verteilt. H2O reagiert auch mit BBr3 und O2 zu B2O3, das weiter zu gasförmigem HBO2 reagiert; bei hohen Temperaturen zersetzt sich HBO2 zurück zu B2O3, sodass B2O3 gleichmäßig über die Solarzellenoberfläche verteilt wird. Darüber hinaus reagiert H2O mit dem im Ofenrohr abgelagerten B2O3, verhindert die Ansammlung von B2O3 an den Diffusionsrohrwänden, verlängert die Lebensdauer der Quarzkomponenten und erhöht die effektive Borquelle. HCl kann auch mit Metallverunreinigungen auf der Zelloberfläche und im Rohr reagieren und gasförmige Metallchloride bilden, die mit dem Abgas austreten, wodurch verhindert wird, dass Metallverunreinigungen während des Hochtemperaturprozesses in die Solarzelle diffundieren.

3. SE-Laserdotierung

Zweck: Bildung eines selektiven Emitters. Eine hochkonzentrierte Dotierung wird an und in der Nähe der Kontaktbereiche zwischen den Metall-Gitterlinien und dem Wafer angewendet, um den Kontaktwiderstand zwischen der vorderen Metallelektrode und dem Wafer zu reduzieren, während eine niedrig konzentrierte Dotierung außerhalb der Elektrodenbereiche die Rekombination in der Diffusionsschicht reduziert. Die Optimierung des Emitters erhöht den Ausgangsstrom und die Spannung der Solarzelle und verbessert dadurch die photoelektrische Umwandlungseffizienz.

Wo der Laser im TOPCon-Fluss sitzt: PERC SE verwendet Phosphordotierung, während TOPCon SE Bordotierung verwendet. Da Bor und Phosphor unterschiedliche Segregationskoeffizienten haben, diffundiert Phosphor leichter von Siliziumdioxid in Silizium, während Bor schwerer einzubringen ist und mehr Energie benötigt. Dennoch kann übermäßige Laserenergie den Wafer leicht beschädigen, was die Bordotierung anspruchsvoller macht. Im Vergleich zur traditionellen Bordiffusion kann die Hinzufügung der SE-Technologie zu TOPCon-Zellen theoretisch die Effizienz um 0,5 % verbessern, und in der tatsächlichen Massenproduktion kann ein Effizienzgewinn von 0,2-0,4 % erzielt werden.

4. Ätzen

Zweck: Die Hauptfunktion des Ätzens besteht darin, das BSG und den Rückseitenübergang zu entfernen. Der Diffusionsprozess bildet Diffusionsschichten sowohl auf der Waferoberfläche als auch an den Kanten; die Kantendiffusionsschicht verursacht leicht Kurzschlüsse, und die Oberflächendiffusionsschicht beeinträchtigt die nachfolgende Passivierung, daher müssen beide entfernt werden. Das Ätzen erfolgt derzeit hauptsächlich mit nassen Methoden, bei denen die rückseitigen und Kantendiffusionsschichten in Kettengeräten entfernt werden, bevor die Vorderseite bearbeitet wird.

5. Vorbereitung der Tunneloxidschicht und der Polysiliziumschicht

Zweck: Auf der Rückseite eine 1-2 nm dicke Tunneloxidschicht abscheiden, dann eine 60-100 nm dicke Polysiliziumschicht abscheiden, um die Passivierungsstruktur zu bilden. Es gibt mehrere Methoden zur Herstellung der TOPCon-Passivierungsschicht, hauptsächlich LPCVD-, PECVD- und PVD-Verfahren. LPCVD ist derzeit der Standard, aber die Umhüllungsabscheidung ist stark ausgeprägt, während PECVD ein starkes Potenzial in der Gesamtleistung bietet.

6. Vorbereitung der rückseitigen Antireflexionsschicht

Zweck: Auf der Rückseite der Zelle eine Antireflexions-Passivierungsschicht herstellen, um die Lichtabsorption zu erhöhen. Gleichzeitig passivieren die während der SiNx-Schichtbildung erzeugten Wasserstoffatome den Wafer.

7. Abscheidung von Aluminiumoxid auf der Vorderseite

Zweck: Eine Schicht Aluminiumoxid auf der Vorderseite des Wafers abscheiden, die zusammen mit anderen Schichten den vorderseitigen Passivierungseffekt bildet.

8. Vorbereitung der vorderseitigen Antireflexionsschicht

Zweck: Die vorderseitige Antireflexionsschicht funktioniert im Wesentlichen genauso wie die rückseitige. Darüber hinaus ist die auf der Vorderseite abgeschiedene Aluminiumoxidschicht sehr dünn und kann während der nachfolgenden Zell- und Modulherstellung leicht beschädigt werden, daher schützt das vorderseitige SiNx auch das Aluminiumoxid.

9. Siebdruck - Laserstrukturübertragung

Derzeit wird bei den meisten Zellen noch Siebdruck eingesetzt. In Zukunft könnte das Pattern Transfer Printing bei der Reduzierung des Silberpasteverbrauchs für N-Typ-Zellen von Vorteil sein. Lasertransfer ist eine neue berührungslose Drucktechnologie: Die benötigte Paste wird auf ein spezielles flexibles transparentes Material aufgetragen, und ein leistungsstarker Laserstrahl führt eine hochgeschwindigkeitsstrukturierte Abtastung durch, um die Paste vom flexiblen transparenten Material auf die Zelloberfläche zu übertragen, wodurch die Gitterlinien gebildet und die Vorder- und Rückelektroden vorbereitet werden.

10. Sintern

Durch Hochtemperatursintern wird ein guter ohmscher Kontakt hergestellt.

11. Automatische Sortierung

Die Zellen werden entsprechend ihrer unterschiedlichen Umwandlungswirkungsgrade in Behälter sortiert.

Zukünftige Entwicklungstrends von TOPCon-Zellen

Im Jahr 2023 erreichte der durchschnittliche Umwandlungswirkungsgrad von N-Typ-TOPCon-Zellen 25,0 % und der von Heteroübergangszellen 25,2 %, beide mit deutlichen Verbesserungen gegenüber 2022.

Im Jahr 2023 waren die neu in Betrieb genommenen Massenproduktionslinien hauptsächlich N-Typ-Zelllinien. Mit der schrittweisen Freigabe der N-Typ-Zellkapazität wurde der Marktanteil von PERC-Zellen auf 73,0 % gedrückt. N-Typ-Zellen machten insgesamt etwa 26,5 % aus, davon N-Typ-TOPCon-Zellen etwa 23,0 %, Heteroübergangszellen etwa 2,6 % und XBC-Zellen etwa 0,9 % – alles deutliche Steigerungen gegenüber 2022.

Ab 2024 wird der Anteil der N-Typ-Zellen, repräsentiert durch TOPCon, P-Typ-PERC umfassend übertreffen, wobei die Branche einen Anteil von 70 % und mehr erwartet.

Ooitechs Perspektive

Ooitech ist der Ansicht: TOPCon, eine N-Typ-Tunneloxid-Passivierungskontakt-Zelltechnologie, die auf bestehenden PERC-Linien aufbaut, bietet höhere Effizienz, geringere Degradation und stärkere Stromertragssteigerungen und wird nun zum Mainstream der Solarindustrie.