TOPCon-Solarzelle: Vollständige Bezeichnung, Struktur und Funktionsweise

Kurze Antwort: TOPCon steht für Tunnel Oxide Passivated Contact. Es handelt sich um eine N-Typ-Silizium-Solarzellentechnologie, bei der eine ultradünne Tunneloxidschicht von etwa 1 bis 2 Nanometern unter einer dotierten Polysiliziumschicht auf der Rückseite platziert wird. Dieser Stapel bewirkt zwei Dinge: Er passiviert die Rückseite, sodass dort weniger Ladungsträger rekombinieren, und er lässt Majoritätsladungsträger tunneln, während er die entgegengesetzte Polarität blockiert. Das Ergebnis ist eine höhere Leerlaufspannung als bei PERC und damit ein höherer Wirkungsgrad – der Grund, warum TOPCon PERC als dominierende industrielle Zelltechnologie abgelöst hat. Für Hersteller entscheidend: TOPCon ist weitgehend linienkompatibel mit bestehender PERC-Ausrüstung und erfordert hauptsächlich zusätzliche Bor-Diffusions-, Tunneloxid- und Polysilizium-Abscheidungsschritte. Es ist zudem die Grundlage der Rückkontakt-Familie: IBC-, TBC-, HBC- und HIBC-Zellen bauen alle auf dem passivierenden TOPCon-Kontakt auf.

PV-Modulfertigung · von Jerry, Ooitech

Einführung in TOPCon-Solarzellen

TOPCon ist der erste Schritt in einer längeren Back-Contact-Sequenz. Wie IBC, TBC, HBC und HIBC darauf aufbauen, ist in der BC-Zelltechnologie-Roadmap: von der Struktur zum Prozess.

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

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

TOPCon ist eine Solarzellentechnologie mit Tunneloxid-Passivierungskontakt, die auf dem Prinzip selektiver Ladungsträger 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 einer dotierten Dünnschicht. Zusammen bilden diese eine passivierte Kontaktstruktur, die Oberflächenrekombination und Metallkontakt-Rekombination effektiv reduziert und mehr Raum bietet, um die Umwandlungseffizienz von N-PERT-Zellen weiter zu verbessern.

Die TOPCon-Technologie erhält und nutzt in größtmöglichem Maße bestehende konventionelle P-Typ-Zellausrüstung und -prozesse. Sie erfordert lediglich die Hinzufügung von Bor-Diffusions- und Dünnschichtabscheidungsanlagen, ohne dass eine Rückseitenöffnung oder Ausrichtung erforderlich ist. Dies vereinfacht den Zellproduktionsprozess 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-Bifazialzellen 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 von TOPCon-Zellen kann in vier Stufen unterteilt werden: die Technologie-Prototypphase, Produktplatzierungsphase, kommerzielle Förderphase und exponentielle 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 Mainstream-PERC-Zellen (aktuelle Massenproduktions-Umwandlungseffizienz etwa 23,5 %, theoretische Grenze 24,5 %).

• Hohe Bifazialität. TOPCon-Bifazialzellen erzeugen etwa 3 % mehr Strom pro Watt als bifaziale PERC-Zellen. Im gleichen Bodenmontage-Kraftwerksszenario liefert dies höhere Stromerzeugungsgewinne.

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

• Geringe Degradation. Phosphordotiertes N-Typ-Kristallsilizium enthält einen extrem niedrigen Borgehalt, sodass es im Wesentlichen keine Bor-Sauerstoff-Rekombination gibt, was ihm einen Vorteil bei der Degradationsrate verschafft. Einige TOPCon-Module zeigen eine Erstabbaurate von 1 % und eine lineare jährliche Abbaurate von 0,4 %, 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 sowohl kurze als auch lange Wellenlängen und behalten eine ausgezeichnete Stromerzeugungsfähigkeit bei schwachen Lichtverhältnissen wie am frühen Morgen, am Abend und bei bewölktem Wetter bei.

Wirtschaftliche Vorteile

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

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

• 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 Schneiden des Wafers sind die Kanten beschädigt, die Kristallgitterstruktur ist gebrochen und die Oberflächenrekombination ist stark. Reinigung und Texturierung zielen hauptsächlich darauf ab, Oberflächenschäden zu entfernen und eine pyramidenförmige Lichtfalle-Struktur auf der Oberfläche zu bilden. Licht wird mehrfach über die Waferoberfläche 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℃ – 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 transportiert 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 sich B2O3 gleichmäßig über die Solarzellenoberfläche verteilt. Darüber hinaus reagiert H2O mit dem im Ofenrohr abgelagerten B2O3, wodurch die Ansammlung von B2O3 an den Diffusionsrohrwänden verhindert wird, die Lebensdauer der Quarzkomponenten verlängert wird und die effektive Borquelle erhöht wird. HCl kann auch mit Metallverunreinigungen auf der Zelloberfläche und im Rohr reagieren, um gasförmige Metallchloride zu 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 Dotierung mit hoher Konzentration wird an und in der Nähe der Kontaktbereiche zwischen den Metallfingerlinien und dem Wafer angewendet, um den Kontaktwiderstand zwischen der vorderen Metallelektrode und dem Wafer zu verringern, während eine Dotierung mit niedriger Konzentration außerhalb der Elektrodenbereiche die Rekombination in der Diffusionsschicht reduziert. Die Optimierung des Emitters erhöht den Ausgangsstrom und die Ausgangsspannung der Solarzelle und verbessert dadurch den photoelektrischen Wirkungsgrad.

Wo der Laser im TOPCon-Flow sitzt: PERC-SE verwendet Phosphordotierung, während TOPCon-SE Bor-Dotierung verwendet. Da Bor und Phosphor unterschiedliche Segregationskoeffizienten haben, diffundiert Phosphor leichter von Siliziumdioxid in Silizium, während Bor schwerer hineinzudrücken ist und mehr Energie erfordert. Doch übermäßige Laserenergie beschädigt leicht den Wafer, was die Bor-Dotierung anspruchsvoller macht. Im Vergleich zur traditionellen Bordiffusion kann die Hinzufügung der SE-Technologie zu TOPCon-Zellen theoretisch den Wirkungsgrad um 0,5 % verbessern, und in der tatsächlichen Massenproduktion kann eine Wirkungsgradsteigerung von 0,2-0,4 % erreicht 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 spätere Passivierung, daher müssen beide entfernt werden. Das Ätzen wird derzeit hauptsächlich mit Nassverfahren durchgeführt, wobei die rückseitigen und Kantendiffusionsschichten in Kettenanlagen entfernt werden, bevor die Vorderseite bearbeitet wird.

5. Vorbereitung der Tunneloxidschicht und der Polysiliziumschicht

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

6. Vorbereitung der rückseitigen Antireflexionsschicht

Zweck: Eine Antireflexions-Passivierungsschicht auf der Rückseite der Zelle vorbereiten, 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 aus Aluminiumoxidfilm auf der Vorderseite des Wafers abscheiden, die zusammen mit anderen Filmen den Vorderseiten-Passivierungseffekt bildet.

8. Vorbereitung der vorderseitigen Antireflexionsschicht

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

9. Siebdruck - Laser-Musterübertragung

Derzeit wird beim Zelldruck meist noch der Siebdruck verwendet. In Zukunft könnte beim reduzierten Silberpastenverbrauch für N-Typ-Zellen das Pattern-Transfer-Druckverfahren von Vorteil sein. Der Lasertransfer ist eine neue berührungslose Drucktechnologie: Die benötigte Paste wird auf ein spezielles flexibles transparentes Material aufgetragen, und ein Hochleistungslaserstrahl führt ein hochgeschwindigkeitsmusterhaftes Scannen 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 gebildet.

11. Automatische Sortierung

Die Zellen werden je nach ihren unterschiedlichen Umwandlungswirkungsgraden in Behälter sortiert.

Zukünftige Entwicklungstrends von TOPCon-Zellen

Im Jahr 2023 erreichte der durchschnittliche Umwandlungswirkungsgrad von N-Typ-TOPCon-Zellen 25,0 %, und der durchschnittliche Umwandlungswirkungsgrad von Heteroübergangszellen erreichte 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 der PERC-Zellen auf 73,0 % reduziert. N-Typ-Zellen machten zusammen etwa 26,5 % aus, wobei N-Typ-TOPCon-Zellen bei etwa 23,0 %, Heteroübergangszellen bei etwa 2,6 % und XBC-Zellen bei etwa 0,9 % lagen – allesamt deutliche Steigerungen gegenüber 2022.

Ab 2024 wird der Anteil der N-Typ-Zellen, repräsentiert durch TOPCon, den P-Typ-PERC umfassend übertreffen, wobei die Branche erwartet, dass der Anteil 70 % erreichen und überschreiten wird.

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 Leistungsgewinne und wird nun zum Mainstream der Solarindustrie.