TOPCon太陽能電池技術解析

隨著雙碳政策進一步落實和推進，光伏作為*有潛力的新能源正越來越引起全球的推崇。單結晶硅電池的效率極限大約是29.5%，但至今尚未達到。作為主流的背鈍化電池（PERC）技術效率極限是24.5%，在實驗室實現了24%的轉換效率，行業量產平均效率超過23%，已經接近PERC電池的效率極限。如何進一步提升效率和降低成本成為一個行業重點突破的課題。

不同的研究機構和電池制造商逐漸嘗試新的技術并實現了超越PERC限制的電池效率，他們用載流子選擇性接觸取代硅/金屬接觸，例如基于多晶硅（PolySi）的隧道氧化物鈍化接觸（TOPCon）技術或基于非晶硅（a-Si）和透明導電電極（TCO）異質結鈍化接觸（HJT）太陽能電池。TOPCon和HJT技術在實驗室已經實現25.5%以上的轉換效率，量產平均效率也超過了24%，ISFH的理論研究表明，此類技術的效率極限為27.5%（HJT）和28.7%（TOPCon），遠遠超過PERC電池24.5%的理論效率（圖1）。其中TOPCon因其低衰減、效率提升潛力大、產線升級成本低等優點，被行業**關注，成為目前N型領域市占率*高的電池技術。行業各大**企業也開始紛紛布局TOPCon產能，搶占市場高地。

圖1：不同鈍化方案的效率極限

一、什么是TOPCon電池

隧穿氧化層鈍化接觸（ Tunnel oxide passivating contacts， TOPCon）太陽能電池 ，是 2013 年在第28 屆歐洲 PVSEC 光伏大會上德國 Fraunhofer太陽能研究所**提出的一種新型鈍化接觸太陽能電池，電池結構圖如圖2所示，電池前表面為硼擴散的發射極，使用Al2O3/SiNx雙層鈍化膜， 背面制備一層1~2nm 的隧穿氧化層，然后再沉積一層摻雜多晶硅，二者共同形成了鈍化接觸結構，為硅片的背面提供了良好的界面鈍化，制備的大面積商用電池效率超過25.5%。

圖2：TOPCon太陽電池結構示意圖

二、為什么選擇TOPCon電池

      圖 3 比較了p型PERC線路和n型TOPCon線路的工藝流程和設備。由于TOPCon工藝與PERC工藝大部分工序兼容，只需添加硼擴散爐、多晶硅沉積設備以及必要的繞鍍清洗機即可完成PERC工藝至TOPCon工藝的升級，工藝及設備的成熟度高，更能夠得到電池廠的認可。

圖3：PERC與TOPCon工藝流程對比

從電池成本上來看（圖4），目前TOPCon電池非硅成本已經有能力低于RMB 0.3/W，雖然對比PERC電池片目前平均RMB0.21-0.23/W仍有差距，但預期隨著后續金屬化環節降本，良率和效率的進一步提升，以及同樣具備大尺寸生產，成本將逐漸靠近PERC。HJT由于高的銀槳耗量、兩倍的設備投資成本，總體非硅成本雖然也在快速下降，相對PERC和TOPCon還是不占優勢。

圖4：PERC,TOPCon,HJT成本預估（數據來源PV InfoLink）

經過多方實證數據，在大部分同等條件下，TOPCon組件要比PERC組件多發3%以上的發電量。根據內部收益率（IRR）的計算方式：假設IRR值不變，發電量增加3%，那么其組件成本可增加0.14-0.15元/W；同尺寸的組件版型， TOPCon組件比PERC組件在單片組件上功率要高出15-20瓦。則意味著功率提高了2.67%，2.67%的效率提升則可給除組件以外的EPC成本節約至少有0.04元/W以上的成本。經過實際測算，在TOPCon組件比PERC組件貴0.2元/W的情況下，依然可以給項目帶來相同的內部收益率。因此預計近兩年TOPCon將迎來快速擴產（圖6）。

圖5：系統端收益分析

圖6：TOPCon,HJT技術產能預測（數據來源PV InfoLink）

三、TOPCon電池的技術難點

1. Tunnel Oxide生長的厚度和均勻性控制

形成氧化層的方法很多，但是隧穿氧化層的厚度要求在1~2nm范圍內，太薄起不到界面鈍化效果，太厚則難以發生隧穿效應使得接觸電阻變大，都會影響*終電池片的電性能。常用的超薄氧化層生長方式有：濕化學硝酸氧化，等離子體輔助氧化，熱氧化，UV/O3氧化，原子層沉積，PECVD沉積等。其中熱生長的氧化硅不僅能提供**的化學鈍化質量，其設置和處理也都容易完成，并且可以集成到后續的LPCVD多晶硅沉積工序中，成為TOPCon工藝的**方案。PECVD沉積1-2nm的隧穿氧化膜，可以和PECVD沉積poly膜兼容，但是均勻性難以控制，工藝尚不成熟。ALD方式沉積的隧穿氧化膜具有良好的均勻性，厚度可控，但是需要增加額外的步驟，不利于工藝簡化。

2. TOPcon摻雜多晶硅沉積問題。

目前，主流的TOPCon層沉積技術主要有LPCVD、 PECVD 和 PVD 三種技術路線。

LPCVD 全稱為低壓力化學氣相沉積法(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)，該技術優點在于工藝成熟、控制簡單容易，但難于鍍膜速度慢，同時存在原位摻雜、有繞鍍、石英件沉積嚴重等問題。

PECVD 全稱為等離子體增強化學氣相沉積法( Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition )。根據沉積腔室等離子源與樣品的關系、以及腔室的不同又可細分為微波 PECVD、管式 PECVD 和板式 PECVD。微波 PECVD 沉積速率高達 100A/s，但目前沉積的氧化硅膜較厚，且維護成本比較高。管式 PECVD 和板式 PECVD 同樣可以實現原位摻雜和無繞鍍，但也存在含氫、維護成本高等問題。

PVD 為物**相沉積法(Physical Vapor Deposition)，與 PECVD 一樣可以實現原位摻雜、無繞度和冷壁，但目前技術仍不夠成熟。

圖7以圖形方式總結了ISFH的文獻綜述，通過飽和電流密度J0（fA/cm2）對比不同鈍化方式的鈍化質量。Poly-Si可以通過LPCVD或PECVD與這兩種方式沉積，決定接觸鈍化質量和電池效率的因素還包括界面隧穿氧化層和表面形態（絨面或平面）。我們從這張圖表中得出如下結論：

圖7：不同鈍化方式的鈍化質量對比

1. PECVD沉積多晶硅未在制絨表面進行測試，可能是由于鍍膜均勻性差，對雙面絨面的雙面電池鈍化效果差。

2. PECVD沉積多晶硅搭配熱氧化鈍化效果優于濕氧化，因此隧穿氧化層制備方法對鈍化質量有一定的影響。

   搭配PECVD沉積多晶硅的熱氧化需要額外的設備。

3. LPCVD沉積多晶硅在熱氧化和化學濕法氧化得到相似的J0，這表明LPCVD技術在使用熱或濕化學氧化物方面具有更大的靈活性。

   此外，熱氧化可以和LPCVD在同一爐管中進行。

4. LPCVD 適用于平面和絨面，更適合于雙面電池。

5. PECVD鍍膜工藝搭配p型多晶硅、熱氧化、拋光表面體表現出良好的鈍化結果，這意味著此工藝可以適用于其他的電池結構。

由于上述原因，LPCVD目前在TOPCon產線生產中進行了**的測試。與PECVD不同，LPCVD沉積的主要缺點是石英件的消耗以及多晶硅的繞鍍問題，硅片背靠背的裝載在專門設計的石英舟上仍然會有邊緣5mm左右的繞鍍。得益于大產能LPCVD設備的研發，鍍膜設備的成本進一步下降，采用雙面鍍膜方案可以簡單有效的去除電池正面poly硅繞鍍問題。與這個缺點對比，優勢也是很明顯的，例如高產量、更高的生長速率、更好的鈍化質量和原位隧穿SiO2生長。

3、硼擴散問題

TOPCon工藝另外一個重要的工序是發射極的形成，因為現在TOPCon電池主要是基于N型硅片，發射極是通過硼擴散形成。

硼擴散通常是在低壓管式爐中完成，對比磷擴散，硼擴散需要更高的溫度（超過1000℃）和更長的循環時間（150分鐘以上），這使得硼擴散的產能變低，提高產能降低成本是一個必然趨勢。

硼擴散的前驅體選擇也是重要的課題，在此之前BBr3是使用***的前驅體，但是三溴化硼有一個傳統的問題，該反應的副產物會充當石英的粘合劑，使得石英管使用壽命短，設備維護成本高；近一年BCl3作為前驅體有了更多的追隨者，因為氯離子的存在能夠讓石英管更為清潔，反應副產物無腐蝕性和黏連性，石英管的使用壽命更長。三氯化硼以瓶裝的氣態形式供應，無需起泡器，有助于進氣。雖然擴散均勻性稍差，氣態源也存在一定的安全問題，但鑒于使用成本更低，優勢還是很明顯。

四、TOPCon電池技術展望

盡管TOPCon電池仍有較多待解決的問題，但是TOPCon電池先天的高轉換效率、低衰減和更低LCOE潛力決定其勢必成為繼PERC后下一代電池主流技術。目前TOPCon 電池已經取得了高于PERC的效率，在系統端也表現出更高的收益率。而成本因素是制約TOPCon電池能否快速增長的關鍵。隨著越來越多的設備和制造廠商加入對TOPCon電池的研究，效率和良率有望進一步提升，隨著設備產能提升和運營成本的下降，TOPCon電池產能的擴張將加速落地。

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