เซลล์แสงอาทิตย์ TOPCon: ชื่อเต็ม โครงสร้าง และหลักการทำงาน
สารบัญ
คำตอบสั้น: TOPCon ย่อมาจาก Tunnel Oxide Passivated Contact เป็นเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนชนิด N ที่วางชั้นทันเนลออกไซด์บางพิเศษ ประมาณ 1 ถึง 2 นาโนเมตร ไว้ใต้ชั้นพอลิซิลิคอนที่เจือสารบนพื้นผิวด้านหลัง โครงสร้างนี้ทำสองสิ่ง: ทำให้พื้นผิวด้านหลังเป็นพาสซีฟเพื่อให้ตัวพาประจุรวมตัวกลับน้อยลง และปล่อยให้ตัวพาประจุส่วนใหญ่ทะลุผ่านได้พร้อมกับกั้นขั้วตรงข้าม ผลลัพธ์คือแรงดันวงจรเปิดที่สูงกว่า PERC จึงมีประสิทธิภาพสูงกว่า — นี่คือเหตุผลที่ TOPCon แทนที่ PERC ในฐานะเทคโนโลยีเซลล์อุตสาหกรรมหลัก สิ่งสำคัญสำหรับผู้ผลิตคือ TOPCon เข้ากันได้กับอุปกรณ์ PERC ที่มีอยู่เป็นส่วนใหญ่ โดยหลักต้องเพิ่มขั้นตอนการแพร่โบรอน การสะสมทันเนลออกไซด์ และพอลิซิลิคอนเท่านั้น นอกจากนี้ยังเป็นรากฐานของตระกูลเซลล์แบบหน้าสัมผัสด้านหลัง: เซลล์ IBC, TBC, HBC และ HIBC ล้วนสร้างบนหน้าสัมผัสพาสซีเวชันแบบ TOPCon
การผลิตโมดูล PV · โดย Jerry, Ooitech
แนะนำเซลล์แสงอาทิตย์ TOPCon
TOPCon เป็นขั้นตอนแรกในลำดับ back-contact ที่ยาวขึ้น วิธีการที่ IBC, TBC, HBC และ HIBC ต่อยอดจากสิ่งนี้ได้ระบุไว้ใน แผนงานเทคโนโลยีเซลล์ BC: จากโครงสร้างสู่กระบวนการ.
TOPCon (Tunnel Oxide Passivating Contact) เป็นเทคโนโลยีเซลล์เวเฟอร์ชนิด N ที่เกิดขึ้นครั้งแรกในปี 2013 เซลล์แสงอาทิตย์ TOPCon คือเซลล์แสงอาทิตย์แบบ Tunnel Oxide Passivated Contact ที่สร้างบนซับสเตรตชนิด N
เมื่อเทียบกับเซลล์ PERC เซลล์ TOPCon ใช้ ชั้นออกไซด์อุโมงค์ที่มีคุณสมบัติการขนส่งประจุที่ดีเยี่ยม เป็นชั้นขนส่งประจุที่ด้านหลังของเซลล์ บนชั้นนี้จะมีการสะสมฟิล์มโพลีซิลิคอนเจือปนหนาประมาณ 20nm เพื่อสร้างโครงสร้าง Passivated Contact ที่ด้านหลัง ซึ่งช่วยลดการรวมตัวกันที่พื้นผิวและการรวมตัวกันที่จุดสัมผัสโลหะได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพิ่มแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด และปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน
TOPCon เป็นเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์แบบ Tunnel Oxide Passivated Contact ที่ใช้หลักการคัดเลือกพาหะ (Selective Carriers) เพื่อให้ได้ผลการพาสซิเวชันที่เหนือกว่า
เซลล์ TOPCon ใช้ซับสเตรตชนิด N ชั้นออกไซด์บาง ๆ ถูกเตรียมที่ด้านหลังของเซลล์ ตามด้วยฟิล์มบางเจือปน ทั้งสองชั้นนี้รวมกันเป็นโครงสร้าง Passivated Contact ที่ช่วยลดการรวมตัวกันที่พื้นผิวและการรวมตัวกันที่จุดสัมผัสโลหะได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้มีพื้นที่มากขึ้นในการปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลงของเซลล์ N-PERT
เทคโนโลยี TOPCon ช่วยรักษาและนำอุปกรณ์และกระบวนการผลิตเซลล์ P-type แบบดั้งเดิมที่มีอยู่มาใช้ใหม่ให้มากที่สุด โดยต้องเพิ่มเฉพาะอุปกรณ์การแพร่โบรอนและการสะสมฟิล์มบางเท่านั้น ไม่จำเป็นต้องเปิดด้านหลังหรือจัดตำแหน่ง ซึ่งช่วยลดความซับซ้อนของกระบวนการผลิตเซลล์และรักษาระดับความยากในการผลิตจำนวนมากให้ต่ำ สายการผลิตมีความเข้ากันได้สูงและสามารถทำงานร่วมกับสายการผลิตที่อุณหภูมิสูงที่ใช้สำหรับเซลล์ PERC และ N-PERT แบบสองหน้าได้
เซลล์ TOPCon มีข้อดีคือ การเสื่อมสภาพต่ำ ความเป็นสองหน้าสูง และค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิต่ำซึ่งให้ผลผลิตพลังงานที่ชัดเจนในระดับสถานีไฟฟ้าปลายทาง
ขั้นตอนการพัฒนาเซลล์ TOPCon
ประวัติการพัฒนาเซลล์ TOPCon แบ่งออกเป็นสี่ขั้นตอน: ช่วงต้นแบบเทคโนโลยี ช่วงวางแผนผลิตภัณฑ์ ช่วงส่งเสริมเชิงพาณิชย์ และช่วงเติบโตแบบก้าวกระโดด.
ข้อดีของเซลล์ TOPCon
ข้อดีด้านประสิทธิภาพ
ประสิทธิภาพการแปลงสูง เนื่องจากการออกแบบหน้าสัมผัสแบบพาสซีฟที่เป็นเอกลักษณ์ของเซลล์ TOPCon ทำให้ขีดจำกัดประสิทธิภาพทางทฤษฎีสูงถึง 28.7% ผู้ผลิต TOPCon ชั้นนำสามารถบรรลุประสิทธิภาพการผลิตจำนวนมากกว่า 25.5% ซึ่งเป็นการปรับปรุงที่สำคัญเมื่อเทียบกับเซลล์ PERC กระแสหลัก (ปัจจุบันประสิทธิภาพการแปลงในการผลิตจำนวนมากประมาณ 23.5% ขีดจำกัดทางทฤษฎี 24.5%)
ความเป็นสองหน้าสูง เซลล์สองหน้า TOPCon ให้กำลังไฟฟ้าต่อวัตต์มากกว่าเซลล์ PERC สองหน้าประมาณ 3% ในสถานการณ์โรงไฟฟ้าพื้นดินเดียวกัน ให้ผลผลิตพลังงานที่สูงกว่า
ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิต่ำ ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของโมดูล N-type TOPCon ต่ำถึง -0.30%/℃ ดีกว่า -0.35%/℃ ของโมดูล P-type แสดงความเสถียรที่ดีเยี่ยมในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง
การเสื่อมสภาพต่ำ ซิลิคอนผลึกเดี่ยว N-type ที่เจือฟอสฟอรัสมีปริมาณโบรอนต่ำมาก ดังนั้นจึงแทบไม่มีการรวมตัวของโบรอน-ออกซิเจน ทำให้ได้เปรียบในอัตราการเสื่อมสภาพ โมดูล TOPCon บางรุ่นมีการเสื่อมสภาพปีแรก 1% และการเสื่อมสภาพเชิงเส้นปีละ 0.4% เทียบกับโมดูล PERC ที่ 2% ในปีแรกและ 0.45% เชิงเส้น ทำให้ได้ผลผลิตพลังงานต่อวัตต์ตลอดอายุการใช้งานของโมดูล
ประสิทธิภาพที่แข็งแกร่งในสภาพแสงน้อย เซลล์ TOPCon ตอบสนองได้ดีทั้งต่อความยาวคลื่นสั้นและยาว รักษาความสามารถในการผลิตไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยมภายใต้สภาพแสงน้อย เช่น ช่วงเช้าตรู่ เย็น และสภาพอากาศที่มีเมฆมาก
ข้อได้เปรียบทางเศรษฐกิจ
ความเข้ากันได้สูงกับการผลิต PERC ลดความยากในการอัปเกรดเทคโนโลยี TOPCon สามารถต่อยอดจากเทคโนโลยีกระบวนการ PERC โดยต้องเพิ่มเพียงสี่ขั้นตอน: การเตรียมอิมิตเตอร์โบรอน การสร้างชั้นออกไซด์อุโมงค์ การสะสมและโดปิงโพลีซิลิคอน และการทำความสะอาดหลังการแพร่ ซึ่งช่วยลดความยากในการอัปเกรดและเร่งการนำเทคโนโลยี TOPCon มาใช้
การเปลี่ยนสายการผลิตที่ราบรื่นด้วยต้นทุนการลงทุนอุปกรณ์ต่ำ การสร้างสายการผลิต TOPCon ใหม่ต้องใช้เงินลงทุนอุปกรณ์ประมาณ 200-250 ล้าน ในขณะที่สายการผลิต HJT ใหม่ต้องใช้ 350-400 ล้าน เนื่องจาก TOPCon มีความเข้ากันได้ดีกับอุปกรณ์ของสาย PERC ที่มีอยู่ จึงต้องเพิ่มเฉพาะอุปกรณ์การแพร่โบรอนและการสะสมโพลีซิลิคอน/อะมอร์ฟัสซิลิคอน (LPCVD / PECVD / PVD) โดยมีเงินลงทุนอุปกรณ์ประมาณ 50-70 ล้าน ซึ่งหลีกเลี่ยงการลงทุนขนาดใหญ่ในอุปกรณ์ใหม่และการปรับปรุงสายการผลิตครั้งใหญ่ ทำให้มีความคุ้มค่าสูง
ศักยภาพส่วนต่างราคาที่สำคัญ เมื่อเปรียบเทียบกับโมดูล PERC โมดูล TOPCon ให้กำลังการผลิตต่อวัตต์ที่สูงกว่า ผลตอบแทนการผลิตที่สูงกว่า และต้นทุนระบบที่ต่ำกว่า ทำให้มีช่องว่างสำหรับส่วนต่างราคาที่มาก
กระบวนการผลิตเซลล์ TOPCon
เมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการ PERC โมโนคริสตัลไลน์ กระบวนการผลิตเซลล์ TOPCon เพิ่มขั้นตอนพิเศษ 2 ถึง 3 ขั้นตอน: การสะสมชั้นออกไซด์อุโมงค์ (SiO2 บางพิเศษ 1-2nm) การสะสมชั้นพาสซิเวชันโพลีซิลิคอนบริสุทธิ์ (60-100nm) และการปลูกฝังฟอสฟอรัส.
ขั้นตอนหลักและหน้าที่
1. การทำความสะอาดและการสร้างพื้นผิว
วัตถุประสงค์: หลังจากตัดเวเฟอร์ ขอบจะเสียหาย โครงสร้างผลึกแตก และการรวมตัวที่พื้นผิวรุนแรง การทำความสะอาดและการสร้างพื้นผิวมีจุดประสงค์หลักเพื่อกำจัดความเสียหายที่พื้นผิวและสร้างโครงสร้างดักแสงแบบพีระมิดบนพื้นผิว แสงจะสะท้อนหลายครั้งบนพื้นผิวเวเฟอร์ ลดการสะท้อนแสง
2. การแพร่โบรอน
วัตถุประสงค์: หน้าที่หลักคือการสร้างรอยต่อ PN เนื่องจากโบรอนมีความสามารถในการละลายในซิลิคอนต่ำ จึงต้องใช้อุณหภูมิสูงและเวลานานขึ้นในการแพร่ การเลือกแหล่งแพร่ยังส่งผลต่อการผลิต: คลอไรด์มีฤทธิ์กัดกร่อน ในขณะที่โบรไมด์มีความหนืด ทำให้การทำความสะอาดยุ่งยากและเพิ่มค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษา
การแพร่โบรอนมักจะเสร็จสมบูรณ์ที่อุณหภูมิสูงกว่า—สูงกว่า 1000℃—และเมื่อเทียบกับรอบเวลา 102 นาทีที่จำเป็นสำหรับการแพร่ฟอสฟอรัส รอบการแพร่โบรอนใช้เวลา 150 นาที
หลักการ:
HCl และ H2O ที่เป็นก๊าซซึ่งเกิดจากปฏิกิริยาภายในท่อเตาจะถูกพาโดย N2 และกระจายอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งท่อ H2O ยังทำปฏิกิริยากับ BBr3 และ O2 เพื่อสร้าง B2O3 ซึ่งทำปฏิกิริยาต่อไปเพื่อสร้าง HBO2 ที่เป็นก๊าซ; ที่อุณหภูมิสูง HBO2 จะสลายตัวกลับเป็น B2O3 ทำให้ B2O3 กระจายอย่างสม่ำเสมอบนพื้นผิวเซลล์แสงอาทิตย์ นอกจากนี้ H2O ยังทำปฏิกิริยากับ B2O3 ที่สะสมอยู่ภายในท่อเตา ป้องกันการสะสมของ B2O3 บนผนังท่อแพร่ ยืดอายุการใช้งานของส่วนประกอบควอตซ์ และเพิ่มแหล่งโบรอนที่มีประสิทธิภาพ HCl ยังสามารถทำปฏิกิริยากับสิ่งเจือปนโลหะบนพื้นผิวเซลล์และภายในท่อเพื่อสร้างคลอไรด์โลหะที่เป็นก๊าซซึ่งออกไปพร้อมกับก๊าซไอเสีย ป้องกันไม่ให้สิ่งเจือปนโลหะแพร่เข้าสู่เซลล์แสงอาทิตย์ในระหว่างกระบวนการที่อุณหภูมิสูง
3. การโด๊ปด้วยเลเซอร์ SE
วัตถุประสงค์: เพื่อสร้างตัวปล่อยแบบเลือกสรร การโด๊ปความเข้มข้นสูงถูกนำไปใช้ที่และใกล้กับพื้นที่สัมผัสระหว่างเส้นกริดโลหะและเวเฟอร์เพื่อลดความต้านทานการสัมผัสระหว่างอิเล็กโทรดโลหะด้านหน้าและเวเฟอร์ ในขณะที่การโด๊ปความเข้มข้นต่ำภายนอกพื้นที่อิเล็กโทรดช่วยลดการรวมตัวกันใหม่ในชั้นแพร่ การปรับปรุงตัวปล่อยให้เหมาะสมจะเพิ่มกระแสเอาต์พุตและแรงดันไฟฟ้าของเซลล์แสงอาทิตย์ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริก
ตำแหน่งของเลเซอร์ในกระบวนการ TOPCon: PERC SE ใช้การโด๊ปฟอสฟอรัส ในขณะที่ TOPCon SE ใช้การโด๊ปโบรอน เนื่องจากโบรอนและฟอสฟอรัสมีค่าสัมประสิทธิ์การแยกตัวต่างกัน ฟอสฟอรัสจะแพร่จากซิลิคอนไดออกไซด์เข้าสู่ซิลิคอนได้ง่ายกว่า ในขณะที่โบรอนยากต่อการผลักเข้าไปและต้องการพลังงานมากกว่า อย่างไรก็ตาม พลังงานเลเซอร์ที่มากเกินไปอาจทำให้เวเฟอร์เสียหายได้ ทำให้การโด๊ปโบรอนมีความท้าทายมากขึ้น เมื่อเทียบกับการแพร่โบรอนแบบดั้งเดิม การเพิ่มเทคโนโลยี SE ในเซลล์ TOPCon สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพได้ถึง 0.5% ตามทฤษฎี และในการผลิตจำนวนมากจริงสามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้ 0.2-0.4%
4. การกัดกรด
วัตถุประสงค์: หน้าที่หลักของการกัดกรดคือการกำจัด BSG และรอยต่อด้านหลัง กระบวนการแพร่จะสร้างชั้นแพร่ทั้งบนพื้นผิวเวเฟอร์และขอบของมัน ชั้นแพร่ที่ขอบทำให้เกิดการลัดวงจรได้ง่าย และชั้นแพร่บนพื้นผิวส่งผลต่อการพาสซิเวชันในภายหลัง ดังนั้นจึงต้องกำจัดทั้งสองอย่าง ปัจจุบันการกัดกรดส่วนใหญ่ใช้วิธีเปียก โดยกำจัดชั้นแพร่ด้านหลังและขอบในอุปกรณ์แบบโซ่ก่อนดำเนินการด้านหน้า
5. การเตรียมชั้นออกไซด์อุโมงค์และชั้นโพลีซิลิคอน
วัตถุประสงค์: ฝากชั้นออกไซด์อุโมงค์หนา 1-2 นาโนเมตรที่ด้านหลัง จากนั้นฝากชั้นโพลีซิลิคอนหนา 60-100 นาโนเมตรเพื่อสร้างโครงสร้างพาสซิเวชัน มีหลายวิธีในการเตรียมชั้นพาสซิเวชัน TOPCon โดยหลักๆ คือ LPCVD, PECVD และ PVD ปัจจุบัน LPCVD เป็นวิธีหลัก แต่มีการฝากแบบห่อหุ้มรุนแรง ในขณะที่ PECVD มีศักยภาพสูงในประสิทธิภาพโดยรวม
6. การเตรียมฟิล์มกันแสงสะท้อนด้านหลัง
วัตถุประสงค์: เตรียมฟิล์มพาสซิเวชันกันแสงสะท้อนที่ด้านหลังของเซลล์เพื่อเพิ่มการดูดซับแสง ในขณะเดียวกัน อะตอมไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการสร้างฟิล์ม SiNx จะพาสซิเวทเวเฟอร์
7. การฝากอะลูมิเนียมออกไซด์ด้านหน้า
วัตถุประสงค์: ฝากชั้นฟิล์มอะลูมิเนียมออกไซด์ที่ด้านหน้าของเวเฟอร์ ซึ่งร่วมกับฟิล์มอื่นๆ ให้ผลพาสซิเวชันด้านหน้า
8. การเตรียมฟิล์มกันแสงสะท้อนด้านหน้า
วัตถุประสงค์: ฟิล์มกันแสงสะท้อนด้านหน้าทำงานโดยพื้นฐานเหมือนกับด้านหลัง นอกจากนี้ ฟิล์มอะลูมิเนียมออกไซด์ที่ฝากด้านหน้านั้นบางมากและเสียหายได้ง่ายในระหว่างการผลิตเซลล์และโมดูลในภายหลัง ดังนั้น SiNx ด้านหน้ายังช่วยปกป้องอะลูมิเนียมออกไซด์ด้วย
9. การพิมพ์สกรีน - การถ่ายโอนรูปแบบเลเซอร์
ปัจจุบัน การพิมพ์เซลล์ส่วนใหญ่ยังคงใช้การพิมพ์สกรีน ในอนาคต ในแง่ของการลดการใช้ซิลเวอร์เพสต์สำหรับเซลล์ชนิด N การพิมพ์ถ่ายโอนลวดลายอาจมีข้อได้เปรียบ การถ่ายโอนด้วยเลเซอร์เป็นเทคโนโลยีการพิมพ์แบบไม่สัมผัสชนิดใหม่: เพสต์ที่ต้องการจะถูกเคลือบลงบนวัสดุโปร่งใสยืดหยุ่นเฉพาะ จากนั้นลำแสงเลเซอร์กำลังสูงจะทำการสแกนลวดลายด้วยความเร็วสูงเพื่อถ่ายโอนเพสต์จากวัสดุโปร่งใสยืดหยุ่นไปยังพื้นผิวเซลล์ เกิดเป็นเส้นกริดและเตรียมอิเล็กโทรดด้านหน้าและด้านหลัง
10. การเผาผนึก
การสัมผัสโอห์มิกที่ดีเกิดขึ้นผ่านการเผาผนึกที่อุณหภูมิสูง
11. การคัดแยกอัตโนมัติ
เซลล์จะถูกคัดแยกใส่ถังตามประสิทธิภาพการแปลงที่แตกต่างกัน
แนวโน้มการพัฒนาในอนาคตของเซลล์ TOPCon
ในปี 2023 ประสิทธิภาพการแปลงเฉลี่ยของเซลล์ TOPCon ชนิด N สูงถึง 25.0% และประสิทธิภาพการแปลงเฉลี่ยของเซลล์เฮเทอโรจังก์ชันสูงถึง 25.2% ทั้งสองเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับปี 2022
ในปี 2023 สายการผลิตจำนวนมากที่เริ่มเดินเครื่องใหม่ส่วนใหญ่เป็นสายเซลล์ชนิด N เมื่อกำลังการผลิตเซลล์ชนิด N ถูกปล่อยออกมาทีละน้อย ส่วนแบ่งตลาดของเซลล์ PERC ถูกบีบอัดเหลือ 73.0% เซลล์ชนิด N คิดเป็นรวมประมาณ 26.5% โดยเซลล์ TOPCon ชนิด N ประมาณ 23.0% เซลล์เฮเทอโรจังก์ชันประมาณ 2.6% และเซลล์ XBC ประมาณ 0.9% ซึ่งทั้งหมดเพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่อเทียบกับปี 2022
ตั้งแต่ปี 2024 เป็นต้นไป ส่วนแบ่งของเซลล์ชนิด N ที่เป็นตัวแทนโดย TOPCon จะแซงหน้า P-type PERC อย่างครอบคลุม โดยอุตสาหกรรมคาดว่าส่วนแบ่งจะถึงและเกิน 70%
มุมมองของ Ooitech
Ooitech เชื่อว่า: TOPCon ซึ่งเป็นเทคโนโลยีเซลล์แบบพาสซีฟคอนแทคออกไซด์อุโมงค์ชนิด N ที่ต่อยอดจากสายการผลิต PERC ที่มีอยู่ ให้ประสิทธิภาพที่สูงกว่า การเสื่อมสภาพที่ต่ำกว่า และการเพิ่มกำลังผลิตที่แข็งแกร่งกว่า และกำลังกลายเป็นกระแสหลักของอุตสาหกรรมพลังงานแสงอาทิตย์
