مقدمه‌ای بر سلول‌های خورشیدی TOPCon

TOPCon (تماس غیرفعال شده با اکسید تونل) یک فناوری سلول ویفر نوع N است که اولین بار در سال 2013 ظهور کرد. سلول خورشیدی TOPCon یک سلول خورشیدی تماس غیرفعال شده با اکسید تونل است که بر روی زیرلایه نوع N ساخته شده است.

در مقایسه با سلول‌های PERC، سلول‌های TOPCon از یک لایه اکسید تونل با خواص حمل بار عالی به عنوان لایه حمل بار در پشت سلول استفاده می‌کنند. بر روی این لایه، یک فیلم پلی‌سیلیکون دوپ شده به ضخامت حدود 20 نانومتر رسوب داده می‌شود تا یک ساختار تماس غیرفعال شده در سمت پشتی تشکیل شود. این کار به طور موثر بازترکیب سطحی و بازترکیب تماس فلزی را کاهش می‌دهد، ولتاژ مدار باز را افزایش می‌دهد و بازده تبدیل انرژی را بهبود می‌بخشد.

TOPCon یک فناوری سلول خورشیدی تماس غیرفعال شده با اکسید تونل است که بر اساس اصل حامل‌های انتخابی کار می‌کند و به اثر غیرفعال‌سازی برتر دست می‌یابد.

سلول TOPCon از یک زیرلایه نوع N استفاده می‌کند. یک لایه اکسید نازک در پشت سلول تهیه می‌شود و سپس یک فیلم نازک دوپ شده روی آن قرار می‌گیرد. این دو با هم یک ساختار تماس غیرفعال شده را تشکیل می‌دهند که به طور موثر بازترکیب سطحی و بازترکیب تماس فلزی را کاهش می‌دهد و فضای بیشتری برای بهبود بازده تبدیل سلول‌های N-PERT فراهم می‌کند.

فناوری TOPCon تجهیزات و فرآیندهای متداول سلول‌های P-type موجود را تا حد زیادی حفظ و استفاده مجدد می‌کند. تنها نیاز به افزودن تجهیزات انتشار بور و لایه‌نشانی فیلم نازک دارد و نیازی به باز کردن یا تراز کردن سمت پشتی نیست. این امر فرآیند تولید سلول را بسیار ساده می‌کند و دشواری تولید انبوه را پایین نگه می‌دارد. خط فرآیند سازگاری بالایی دارد و می‌تواند در کنار خطوط تولید دمای بالا که برای سلول‌های دوطرفه PERC و N-PERT استفاده می‌شود، کار کند.

سلول‌های TOPCon مزایای تخریب کم، دوطرفه‌گی بالا و ضریب دمایی پایینرا دارند که منجر به افزایش واضح تولید برق در سطح نیروگاه ترمینال می‌شود.

مراحل توسعه سلول‌های TOPCon

تاریخچه توسعه سلول‌های TOPCon را می‌توان به چهار مرحله تقسیم کرد: دوره نمونه اولیه فناوری، دوره چیدمان محصول، دوره ترویج تجاری و دوره رشد انفجاری.

مزایای سلول‌های TOPCon

مزایای عملکردی

• راندمان تبدیل بالا. به لطف طراحی تماس غیرفعال منحصر‌به‌فرد سلول‌های TOPCon، حد تئوری راندمان به 28.7٪ می‌رسد. تولیدکنندگان پیشرو TOPCon قبلاً به راندمان تولید انبوه بالای 25.5٪ دست یافته‌اند که بهبود قابل توجهی نسبت به سلول‌های PERC رایج (راندمان تولید انبوه فعلی حدود 23.5٪، حد تئوری 24.5٪) است.

• دوطرفه‌گی بالا. سلول‌های دوطرفه TOPCon حدود 3٪ توان بیشتری در هر وات نسبت به سلول‌های دوطرفه PERC تولید می‌کنند. در همان سناریوی نیروگاه زمینی، این امر افزایش تولید برق بیشتری را به همراه دارد.

• ضریب دمایی پایین. ضریب دمایی ماژول‌های N-type TOPCon تا -0.30٪/℃ پایین است که بهتر از -0.35٪/℃ ماژول‌های P-type است و پایداری عالی در محیط‌های با دمای بالا نشان می‌دهد.

• تخریب کم. سیلیکون کریستالی N-type دوپ شده با فسفر حاوی مقدار بسیار کمی بور است، بنابراین اساساً بازترکیب بور-اکسیژن وجود ندارد و این مزیت را در نرخ تخریب به آن می‌دهد. برخی ماژول‌های TOPCon تخریب سال اول 1٪ و تخریب خطی سالانه 0.4٪ را نشان می‌دهند، در مقایسه با 2٪ برای سال اول و 0.45٪ خطی برای ماژول‌های PERC، که در طول چرخه عمر ماژول، افزایش تولید برق به ازای هر وات را به همراه دارد.

• عملکرد قوی در نور کم. سلول‌های TOPCon به طول‌موج‌های کوتاه و بلند به خوبی پاسخ می‌دهند و توانایی تولید برق عالی را در شرایط نور کم مانند صبح زود، عصر و هوای ابری حفظ می‌کنند.

مزایای اقتصادی

• سازگاری بالا با تولید PERC، کاهش دشواری ارتقاء فناوری. TOPCon می‌تواند از فناوری فرآیند PERC گسترش یابد و تنها به چهار مرحله اضافی نیاز دارد: آماده‌سازی امیتر بور، رشد لایه اکسید تونل، رسوب‌دهی و دوپینگ پلی‌سیلیکون، و تمیزکاری پس از انتشار. این کار دشواری ارتقاء را کاهش می‌دهد و پذیرش فناوری TOPCon را تسریع می‌کند.

• تبدیل خط صاف با هزینه سرمایه‌گذاری تجهیزات کم. ساخت یک خط جدید TOPCon نیاز به سرمایه‌گذاری تجهیزات حدود 200-250 میلیون دارد، در حالی که یک خط جدید HJT به 350-400 میلیون نیاز دارد. از آنجایی که TOPCon سازگاری تجهیزات خوبی با خطوط PERC موجود دارد، تنها نیاز به افزودن تجهیزات انتشار بور و رسوب‌دهی پلی‌سیلیکون/سیلیکون آمورف (LPCVD / PECVD / PVD) با سرمایه‌گذاری تجهیزات حدود 50-70 میلیون دارد. این کار از سرمایه‌گذاری گسترده در تجهیزات جدید و بازسازی عمده خط جلوگیری می‌کند و آن را بسیار اقتصادی می‌سازد.

• پتانسیل حق بیمه قیمت قابل توجه. در مقایسه با ماژول‌های PERC، ماژول‌های TOPCon تولید برق بیشتر به ازای هر وات، بازده تولید بالاتر و هزینه‌های سیستم کمتر را ارائه می‌دهند و فضای قابل توجهی برای حق بیمه قیمت ایجاد می‌کنند.

فرآیند تولید سلول TOPCon

در مقایسه با فرآیندهای PERC مونوکریستالین، فرآیند تولید سلول TOPCon 2 تا 3 مرحله اضافی دارد: رسوب‌دهی لایه اکسید تونل (SiO2 فوق‌نازک، 1-2nm)، رسوب‌دهی لایه غیرفعال‌سازی پلی‌سیلیکون ذاتی (60-100nm)، و کاشت فسفر.

مراحل اصلی فرآیند و وظایف آنها

1. تمیزکاری و بافت‌دهی

هدف: پس از برش ویفر، لبه‌ها آسیب دیده، ساختار شبکه کریستالی شکسته و بازترکیب سطحی شدید است. تمیزکاری و بافت‌دهی عمدتاً با هدف حذف آسیب سطحی و تشکیل ساختار هرمی برای به دام انداختن نور بر روی سطح انجام می‌شود. نور چندین بار در سطح ویفر منعکس می‌شود و بازتاب را کاهش می‌دهد.

2. انتشار بور

هدف: عملکرد اصلی تشکیل اتصال PN است. از آنجایی که بور حلالیت جامد کمی در سیلیکون دارد، برای انتشار به دماهای بالا و زمان‌های طولانی‌تری نیاز است. انتخاب منبع انتشار نیز بر تولید تأثیر می‌گذارد: کلریدها خورنده هستند، در حالی که برمیدها چسبناک هستند و تمیز کردن را دشوار کرده و هزینه‌های نگهداری را افزایش می‌دهند.

انتشار بور معمولاً در دماهای بالاتر - بالای ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد - انجام می‌شود و در مقایسه با چرخه ۱۰۲ دقیقه‌ای مورد نیاز برای انتشار فسفر، چرخه انتشار بور ۱۵۰ دقیقه طول می‌کشد.

اصل:

HCl و H2O گازی که توسط واکنش‌های داخل لوله کوره تولید می‌شوند توسط N2 حمل شده و به طور یکنواخت در سراسر لوله توزیع می‌شوند. H2O همچنین با BBr3 و O2 واکنش داده و B2O3 را تشکیل می‌دهد که بیشتر واکنش داده و HBO2 گازی تولید می‌کند؛ در دمای بالا، HBO2 دوباره به B2O3 تجزیه می‌شود و اجازه می‌دهد B2O3 به طور یکنواخت روی سطح سلول خورشیدی توزیع شود. علاوه بر این، H2O با B2O3 رسوب‌کرده در داخل لوله کوره واکنش می‌دهد و از تجمع B2O3 روی دیواره‌های لوله انتشار جلوگیری می‌کند، عمر قطعات کوارتز را افزایش می‌دهد و منبع مؤثر بور را افزایش می‌دهد. HCl همچنین می‌تواند با ناخالصی‌های فلزی روی سطح سلول و داخل لوله واکنش داده و کلریدهای فلزی گازی تشکیل دهد که با گاز خروجی خارج می‌شوند و از نفوذ ناخالصی‌های فلزی به سلول خورشیدی در طول فرآیند دمای بالا جلوگیری می‌کند.

۳. دوپینگ لیزری SE

هدف: تشکیل یک امیتر انتخابی. دوپینگ با غلظت بالا در نواحی تماس بین خطوط شبکه فلزی و ویفر و نزدیک آن اعمال می‌شود تا مقاومت تماس بین الکترود فلزی جلو و ویفر کاهش یابد، در حالی که دوپینگ با غلظت پایین در خارج از نواحی الکترود، بازترکیب در لایه انتشار را کاهش می‌دهد. بهینه‌سازی امیتر جریان خروجی و ولتاژ سلول خورشیدی را افزایش می‌دهد و در نتیجه بازده تبدیل فوتوالکتریک را بهبود می‌بخشد.

جایی که لیزر در فرآیند TOPCon قرار می‌گیرد: PERC SE از دوپینگ فسفر استفاده می‌کند، در حالی که TOPCon SE از دوپینگ بور استفاده می‌کند. از آنجایی که بور و فسفر ضرایب تفکیک متفاوتی دارند، فسفر راحت‌تر از دی‌اکسید سیلیکون به سیلیکون نفوذ می‌کند، در حالی که بور به سختی وارد می‌شود و به انرژی بیشتری نیاز دارد. با این حال، انرژی بیش از حد لیزر به راحتی به ویفر آسیب می‌زند و دوپینگ بور را چالش‌برانگیزتر می‌کند. در مقایسه با انتشار سنتی بور، افزودن فناوری SE به سلول‌های TOPCon از نظر تئوری می‌تواند بازده را 0.5% بهبود بخشد و در تولید انبوه واقعی می‌تواند افزایش بازده 0.2-0.4% را به دست آورد.

4. اچینگ

هدف: وظیفه اصلی اچینگ حذف BSG و اتصال پشتی است. فرآیند انتشار لایه‌های انتشار را هم روی سطح ویفر و هم روی لبه‌های آن تشکیل می‌دهد؛ لایه انتشار لبه به راحتی باعث اتصال کوتاه می‌شود و لایه انتشار سطح بر غیرفعال‌سازی بعدی تأثیر می‌گذارد، بنابراین هر دو باید حذف شوند. اچینگ در حال حاضر عمدتاً با روش‌های تر انجام می‌شود و لایه‌های پشتی و لبه را در تجهیزات زنجیره‌ای قبل از پردازش سمت جلو حذف می‌کند.

5. آماده‌سازی لایه اکسید تونل و لایه پلی‌سیلیکون

هدف: رسوب یک لایه اکسید تونل 1-2 نانومتری در پشت، سپس رسوب یک لایه پلی‌سیلیکون 60-100 نانومتری برای تشکیل ساختار غیرفعال‌سازی. روش‌های مختلفی برای آماده‌سازی لایه غیرفعال‌سازی TOPCon وجود دارد که عمدتاً مسیرهای LPCVD، PECVD و PVD هستند. LPCVD در حال حاضر主流 است، اما رسوب دورتادور شدید است، در حالی که PECVD پتانسیل قوی در عملکرد کلی دارد.

6. آماده‌سازی فیلم ضدبازتاب پشتی

هدف: آماده‌سازی یک فیلم غیرفعال‌ساز ضدبازتاب در پشت سلول برای افزایش جذب نور. در عین حال، اتم‌های هیدروژن تولید شده در طول فرآیند تشکیل فیلم SiNx ویفر را غیرفعال می‌کنند.

7. رسوب اکسید آلومینیوم سمت جلو

هدف: رسوب یک لایه فیلم اکسید آلومینیوم روی سطح جلوی ویفر که همراه با سایر فیلم‌ها اثر غیرفعال‌سازی جلو را تشکیل می‌دهد.

8. آماده‌سازی فیلم ضدبازتاب جلو

هدف: فیلم ضدبازتاب جلو اساساً به همان روش پشتی کار می‌کند. علاوه بر این، فیلم اکسید آلومینیوم رسوب‌شده در جلو بسیار نازک است و به راحتی در طول ساخت سلول و ماژول بعدی آسیب می‌بیند، بنابراین SiNx جلو همچنین از اکسید آلومینیوم محافظت می‌کند.

9. چاپ صفحه - انتقال الگوی لیزر

در حال حاضر، بیشتر چاپ سلول‌ها هنوز با استفاده از چاپ صفحه انجام می‌شود. در آینده، از نظر کاهش مصرف خمیر نقره برای سلول‌های نوع N، چاپ انتقال الگو ممکن است مزیت داشته باشد. انتقال لیزری یک فناوری چاپ غیرتماسی جدید است: خمیر مورد نیاز روی یک ماده شفاف انعطاف‌پذیر خاص پوشش داده می‌شود و یک پرتو لیزر پرقدرت اسکن الگویی با سرعت بالا انجام می‌دهد تا خمیر را از ماده شفاف انعطاف‌پذیر به سطح سلول منتقل کند و خطوط شبکه را تشکیل داده و الکترودهای جلو و عقب را آماده کند.

10. تف جوشی

تماس اهمی خوب از طریق تف جوشی در دمای بالا تشکیل می‌شود.

11. دسته‌بندی خودکار

سلول‌ها بر اساس راندمان تبدیل متفاوتشان در سطل‌ها دسته‌بندی می‌شوند.

روندهای توسعه آینده سلول‌های TOPCon

در سال 2023، میانگین راندمان تبدیل سلول‌های TOPCon نوع N به 25.0٪ و میانگین راندمان تبدیل سلول‌های هتروجانکشن به 25.2٪ رسید که هر دو نسبت به سال 2022 بهبود قابل توجهی داشتند.

در سال 2023، خطوط تولید انبوه جدید عمدتاً خطوط سلول نوع N بودند. با آزادسازی تدریجی ظرفیت سلول نوع N، سهم بازار سلول PERC به 73.0٪ کاهش یافت. سلول‌های نوع N در مجموع حدود 26.5٪ را تشکیل می‌دادند که سلول‌های TOPCon نوع N حدود 23.0٪، سلول‌های هتروجانکشن حدود 2.6٪ و سلول‌های XBC حدود 0.9٪ بودند - همه نسبت به سال 2022 افزایش قابل توجهی داشتند.

از سال 2024 به بعد، سهم سلول‌های نوع N که توسط TOPCon نمایندگی می‌شوند، به طور جامع از PERC نوع P پیشی خواهد گرفت و صنعت انتظار دارد که سهم به 70٪ برسد و از آن فراتر رود.

دیدگاه Ooitech

Ooitech معتقد است: TOPCon، یک فناوری سلول تماس غیرفعال اکسید تونل نوع N که بر روی خطوط PERC موجود ساخته شده است، راندمان بالاتر، تخریب کمتر و افزایش تولید انرژی قوی‌تری را ارائه می‌دهد و اکنون به جریان اصلی صنعت خورشیدی تبدیل شده است.