TOPCon太陽(yáng)能電池技術(shù)解析

隨著雙碳政策進(jìn)一步落實(shí)和推進(jìn)，光伏作為*有潛力的新能源正越來越引起全球的推崇。單結(jié)晶硅電池的效率極限大約是29.5%，但至今尚未達(dá)到。作為主流的背鈍化電池（PERC）技術(shù)效率極限是24.5%，在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了24%的轉(zhuǎn)換效率，行業(yè)量產(chǎn)平均效率超過23%，已經(jīng)接近PERC電池的效率極限。如何進(jìn)一步提升效率和降低成本成為一個(gè)行業(yè)重點(diǎn)突破的課題。

不同的研究機(jī)構(gòu)和電池制造商逐漸嘗試新的技術(shù)并實(shí)現(xiàn)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(shù)或基于非晶硅（a-Si）和透明導(dǎo)電電極（TCO）異質(zhì)結(jié)鈍化接觸（HJT）太陽(yáng)能電池。TOPCon和HJT技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)實(shí)現(xiàn)25.5%以上的轉(zhuǎn)換效率，量產(chǎn)平均效率也超過了24%，ISFH的理論研究表明，此類技術(shù)的效率極限為27.5%（HJT）和28.7%（TOPCon），遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(chǎn)線升級(jí)成本低等優(yōu)點(diǎn)，被行業(yè)**關(guān)注，成為目前N型領(lǐng)域市占率*高的電池技術(shù)。行業(yè)各大**企業(yè)也開始紛紛布局TOPCon產(chǎn)能，搶占市場(chǎng)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(yáng)能電池 ，是 2013 年在第28 屆歐洲 PVSEC 光伏大會(huì)上德國(guó) Fraunhofer太陽(yáng)能研究所**提出的一種新型鈍化接觸太陽(yáng)能電池，電池結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，電池前表面為硼擴(kuò)散的發(fā)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(jié)構(gòu)，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(yáng)電池結(jié)構(gòu)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(shè)備。由于TOPCon工藝與PERC工藝大部分工序兼容，只需添加硼擴(kuò)散爐、多晶硅沉積設(shè)備以及必要的繞鍍清洗機(jī)即可完成PERC工藝至TOPCon工藝的升級(jí)，工藝及設(shè)備的成熟度高，更能夠得到電池廠的認(rèn)可。

圖3：PERC與TOPCon工藝流程對(duì)比

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

圖4：PERC,TOPCon,HJT成本預(yù)估（數(shù)據(jù)來源PV InfoLink）

經(jīng)過多方實(shí)證數(shù)據(jù)，在大部分同等條件下，TOPCon組件要比PERC組件多發(fā)3%以上的發(fā)電量。根據(jù)內(nèi)部收益率（IRR）的計(jì)算方式：假設(shè)IRR值不變，發(fā)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(jié)約至少有0.04元/W以上的成本。經(jīng)過實(shí)際測(cè)算，在TOPCon組件比PERC組件貴0.2元/W的情況下，依然可以給項(xiàng)目帶來相同的內(nèi)部收益率。因此預(yù)計(jì)近兩年TOPCon將迎來快速擴(kuò)產(chǎn)（圖6）。

圖5：系統(tǒng)端收益分析

圖6：TOPCon,HJT技術(shù)產(chǎn)能預(yù)測(cè)（數(shù)據(jù)來源PV InfoLink）

三、TOPCon電池的技術(shù)難點(diǎn)

1. Tunnel Oxide生長(zhǎng)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(nèi)，太薄起不到界面鈍化效果，太厚則難以發(fā)生隧穿效應(yīng)使得接觸電阻變大，都會(huì)影響*終電池片的電性能。常用的超薄氧化層生長(zhǎng)方式有：濕化學(xué)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(zhǎng)的氧化硅不僅能提供**的化學(xué)鈍化質(zhì)量，其設(shè)置和處理也都容易完成，并且可以集成到后續(xù)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(jiǎn)化。

2. TOPcon摻雜多晶硅沉積問題。

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

LPCVD 全稱為低壓力化學(xué)氣相沉積法(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)，該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于工藝成熟、控制簡(jiǎn)單容易，但難于鍍膜速度慢，同時(shí)存在原位摻雜、有繞鍍、石英件沉積嚴(yán)重等問題。

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

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

圖7以圖形方式總結(jié)了ISFH的文獻(xiàn)綜述，通過飽和電流密度J0（fA/cm2）對(duì)比不同鈍化方式的鈍化質(zhì)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(zhì)量和電池效率的因素還包括界面隧穿氧化層和表面形態(tài)（絨面或平面）。我們從這張圖表中得出如下結(jié)論：

圖7：不同鈍化方式的鈍化質(zhì)量對(duì)比

1. PECVD沉積多晶硅未在制絨表面進(jìn)行測(cè)試，可能是由于鍍膜均勻性差，對(duì)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(yōu)于濕氧化，因此隧穿氧化層制備方法對(duì)鈍化質(zhì)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(shè)備。

3. LPCVD沉積多晶硅在熱氧化和化學(xué)濕法氧化得到相似的J0，這表明LPCVD技術(shù)在使用熱或濕化學(xué)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(jìn)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(xiàn)出良好的鈍化結(jié)果，這意味著此工藝可以適用于其他的電池結(jié)構(gòu)。

由于上述原因，LPCVD目前在TOPCon產(chǎn)線生產(chǎn)中進(jìn)行了**的測(cè)試。與PECVD不同，LPCVD沉積的主要缺點(diǎn)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(shè)計(jì)的石英舟上仍然會(huì)有邊緣5mm左右的繞鍍。得益于大產(chǎn)能LPCVD設(shè)備的研發(fā)，鍍膜設(shè)備的成本進(jìn)一步下降，采用雙面鍍膜方案可以簡(jiǎn)單有效的去除電池正面poly硅繞鍍問題。與這個(gè)缺點(diǎn)對(duì)比，優(yōu)勢(shì)也是很明顯的，例如高產(chǎn)量、更高的生長(zhǎng)速率、更好的鈍化質(zhì)量和原位隧穿SiO2生長(zhǎng)。

3、硼擴(kuò)散問題

TOPCon工藝另外一個(gè)重要的工序是發(fā)射極的形成，因?yàn)楝F(xiàn)在TOPCon電池主要是基于N型硅片，發(fā)射極是通過硼擴(kuò)散形成。

硼擴(kuò)散通常是在低壓管式爐中完成，對(duì)比磷擴(kuò)散，硼擴(kuò)散需要更高的溫度（超過1000℃）和更長(zhǎng)的循環(huán)時(shí)間（150分鐘以上），這使得硼擴(kuò)散的產(chǎn)能變低，提高產(chǎn)能降低成本是一個(gè)必然趨勢(shì)。

硼擴(kuò)散的前驅(qū)體選擇也是重要的課題，在此之前BBr3是使用***的前驅(qū)體，但是三溴化硼有一個(gè)傳統(tǒng)的問題，該反應(yīng)的副產(chǎn)物會(huì)充當(dāng)石英的粘合劑，使得石英管使用壽命短，設(shè)備維護(hù)成本高；近一年BCl3作為前驅(qū)體有了更多的追隨者，因?yàn)槁入x子的存在能夠讓石英管更為清潔，反應(yīng)副產(chǎn)物無腐蝕性和黏連性，石英管的使用壽命更長(zhǎng)。三氯化硼以瓶裝的氣態(tài)形式供應(yīng)，無需起泡器，有助于進(jìn)氣。雖然擴(kuò)散均勻性稍差，氣態(tài)源也存在一定的安全問題，但鑒于使用成本更低，優(yōu)勢(shì)還是很明顯。

四、TOPCon電池技術(shù)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(zhuǎn)換效率、低衰減和更低LCOE潛力決定其勢(shì)必成為繼PERC后下一代電池主流技術(shù)。目前TOPCon 電池已經(jīng)取得了高于PERC的效率，在系統(tǒng)端也表現(xiàn)出更高的收益率。而成本因素是制約TOPCon電池能否快速增長(zhǎng)的關(guān)鍵。隨著越來越多的設(shè)備和制造廠商加入對(duì)TOPCon電池的研究，效率和良率有望進(jìn)一步提升，隨著設(shè)備產(chǎn)能提升和運(yùn)營(yíng)成本的下降，TOPCon電池產(chǎn)能的擴(kuò)張將加速落地。

賽瑞達(dá)智能電子裝備（無錫）股份有限公司，是一家專注于研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和服務(wù)的半導(dǎo)體前道工藝設(shè)備和光伏電池**設(shè)備的**裝備制造企業(yè)，公司主要產(chǎn)品有臥式和立式擴(kuò)散爐、LPCVD、高溫氧化爐和退火爐等。可以為TOPCon工藝升級(jí)和產(chǎn)能擴(kuò)充提供低壓硼擴(kuò)散爐、LPCVD、PECVD、磷擴(kuò)和退火設(shè)備等，并可以根據(jù)客戶需求提供定制化的設(shè)備和工藝解決方案。

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