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中年|N型高效电池技术路线之TOPCon


相对P型晶硅电池 ， N型晶硅电池的少子寿命高 ， 无光致衰减 ， 弱光效应好 ， 温度系数小 ， 是晶硅太阳能电池迈向理论最高效率的希望 。
TOPCon是一种基于选择性载流子原理的隧穿氧化层钝化接触(Tunnel Oxide Passivated Contact)太阳能电池技术 ， 其电池结构为N型硅衬底电池 ， 在电池背面制备一层超薄氧化硅 ， 然后再沉积一层掺杂硅薄层 ， 二者共同形成了钝化接触结构 ， 有效降低表面复合和金属接触复合 ， 为N-PERT电池转换效率进一步提升提供了更大的空间 。
TOPCon电池概念
TOPCon电池的概念由德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所(Fraunhofer-ISE)于2013年提出 ， 下图为该N型钝化接触太阳能电池的结构示意图 。
中年|N型高效电池技术路线之TOPCon
本文插图

图1. 钝化接触太阳能电池结构示意图

TOPCon正面与常规N型太阳能电池或N-PERT太阳能电池没有本质区别 ， 电池核心技术是背面钝化接触 ， 硅片背面由一层超薄氧化硅(1~2nm)与一层磷掺杂的微晶非晶混合Si薄膜组成 。 钝化性能通过退火过程进行激活 ， Si薄膜在该退火过程中结晶性发生变化 ， 由微晶非晶混合相转变为多晶 。 在850°C的退火温度下退火 ， iVoc &gt 710 mV, J0在9-13 fA/cm2 ， 显示了钝化接触结构优异的钝化性能 ， 所制备的电池效率超过23% 。 目前N型前结钝化接触太阳能电池世界纪录(25.8%)由Fraunhofer-ISE研究所保持 。
TOPCon工艺流程
TOPCon电池最大程度保留和利用现有传统P型电池设备制程 ， 只需增加硼扩和薄膜沉积设备 ， 无须背面开孔和对准 ， 极大的简化了电池生产工艺 ， 量产化困难度低 。
中年|N型高效电池技术路线之TOPCon
本文插图

图2. TOPCon 工艺流程图
目前用于生长高质量重掺杂多晶硅层的方法有LPCVD(低压化学气相沉积)和PECVD两种 。 一种是用LPCVD原位(或离位)掺杂形成多晶硅 ， 由于LPCVD沉积过程会带来绕镀问题 ， 使电池性能退化 ， 因此可选择离位掺杂 ， 即LPCVD形成本征多晶后再进行扩散或离子注入掺杂 ， 形成重掺杂的多晶硅另一种是使用PECVD沉积掺杂非晶硅或微晶硅层 ， 再经过退火得到掺杂的多晶硅 。

工业上常用的多晶硅层厚度约为160-200nm ， 为了节省成本和提高性能 ， 电池制造商希望将多晶硅层厚度降低到100nm ， 甚至50nm 。
TOPCon电池的优点与缺点
TOPCon电池的优点
(1) 电池转换效率高 ， 具有优越的界面钝化和载流子输运能力 ， 较高的Uoc和FF
中年|N型高效电池技术路线之TOPCon
本文插图

数据来源：CPIA, 2020.4
表1 TOPCon电池转换效率记录情况
(1) 光致衰减低 ， 掺磷的N型晶体硅中硼含量极低 ， 削弱了硼氧对的影响
(2) 工艺设备产线兼容性高 ， 可与PERC、N-PERT双面电池的高温制备工艺产线相兼容
(3) N型TOPCon电池可与SE、IBC、多主栅、半片、叠片技术相结合 ， 显著提高电池效率及组件功率
TOPCon电池的缺点
(1) 成本较高 ， 相比较于标准PERC工艺 ， TOPCon技术资本支出(CAPEX)偏高约10% ， 运营成本(OPEX)偏高约25%
【中年|N型高效电池技术路线之TOPCon】(2) 效率提升潜力有限
TOPCon的降本之路
相比较于标准PERC工艺 ， TOPCon的成本相对较高 ， 如果与PERC竞争性价比 ， 则TOPCon效率至少要达到24.5%以上 。
TOPCon后续优化降本方向：
(1) 降低n-poly层厚度 ， 降低成本 ， 减少自由载流子吸收
(2) 避免边缘绕镀 ， 提升电池性能
(3) 设备成熟度及成本的降低


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