ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับเซลล์แสงอาทิตย์ TOPCon

TOPCon (Tunnel Oxide Passivating Contact) เป็นเทคโนโลยีเซลล์เวเฟอร์ชนิด N ที่เกิดขึ้นครั้งแรกในปี 2013 เซลล์แสงอาทิตย์ TOPCon คือเซลล์แสงอาทิตย์แบบสัมผัสพาสซีฟด้วยออกไซด์อุโมงค์ที่สร้างบนซับสเตรตชนิด N

เมื่อเปรียบเทียบกับเซลล์ PERC เซลล์ TOPCon ใช้ ชั้นออกไซด์อุโมงค์ที่มีคุณสมบัติการขนส่งประจุที่ดีเยี่ยม เป็นชั้นขนส่งประจุที่ด้านหลังของเซลล์ บนชั้นนี้จะมีการสะสมฟิล์มโพลีซิลิคอนเจือปนหนาประมาณ 20nm เพื่อสร้างโครงสร้างสัมผัสพาสซีฟที่ด้านหลัง ซึ่งช่วยลดการรวมตัวกันที่พื้นผิวและการรวมตัวกันที่จุดสัมผัสโลหะได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพิ่มแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด และปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน

TOPCon เป็นเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์แบบสัมผัสพาสซีฟด้วยออกไซด์อุโมงค์ที่ใช้หลักการของตัวพาแบบเลือกสรร ทำให้ได้ผลการพาสซีฟที่เหนือกว่า

เซลล์ TOPCon ใช้ซับสเตรตชนิด N ชั้นออกไซด์บาง ๆ ถูกเตรียมที่ด้านหลังของเซลล์ ตามด้วยฟิล์มบางเจือปน ทั้งสองอย่างนี้รวมกันเป็นโครงสร้างสัมผัสพาสซีฟที่ช่วยลดการรวมตัวกันที่พื้นผิวและการรวมตัวกันที่จุดสัมผัสโลหะได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้มีพื้นที่มากขึ้นในการปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลงของเซลล์ N-PERT

เทคโนโลยี TOPCon ช่วยรักษาและนำกลับมาใช้อุปกรณ์และกระบวนการผลิตเซลล์ P-type แบบเดิมที่มีอยู่ให้มากที่สุด โดยต้องเพิ่มเฉพาะอุปกรณ์การแพร่โบรอนและการสะสมฟิล์มบางเท่านั้น ไม่จำเป็นต้องเปิดด้านหลังหรือจัดตำแหน่ง ซึ่งช่วยลดความซับซ้อนของกระบวนการผลิตเซลล์และรักษาระดับความยากในการผลิตจำนวนมากให้ต่ำ สายการผลิตมีความเข้ากันได้สูงและสามารถทำงานร่วมกับสายการผลิตที่ใช้อุณหภูมิสูงสำหรับเซลล์ 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 ขีดจำกัดประสิทธิภาพทางทฤษฎีสูงถึง 28.7% ผู้ผลิต TOPCon ชั้นนำสามารถบรรลุประสิทธิภาพการผลิตจำนวนมากกว่า 25.5% ซึ่งเป็นการปรับปรุงที่สำคัญเมื่อเทียบกับเซลล์ PERC กระแสหลัก (ปัจจุบันประสิทธิภาพการแปลงในการผลิตจำนวนมากประมาณ 23.5% ขีดจำกัดทางทฤษฎี 24.5%)

• ความเป็นสองหน้าสูง เซลล์สองหน้า TOPCon ผลิตพลังงานต่อวัตต์มากกว่าเซลล์สองหน้า PERC ประมาณ 3% ในสถานการณ์โรงไฟฟ้าพื้นดินเดียวกัน ให้ผลผลิตพลังงานที่สูงกว่า

• ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิต่ำ ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของโมดูล N-type TOPCon ต่ำถึง -0.30%/℃ ดีกว่า -0.35%/℃ ของโมดูล P-type แสดงความเสถียรที่ดีเยี่ยมในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง

• การเสื่อมสภาพต่ำ ซิลิคอนผลึก N-type ที่เจือฟอสฟอรัสมีปริมาณโบรอนต่ำมาก ดังนั้นจึงแทบไม่มีการรวมตัวของโบรอน-ออกซิเจน ทำให้มีข้อได้เปรียบในอัตราการเสื่อมสภาพ โมดูล TOPCon บางรุ่นมีการเสื่อมสภาพปีแรก 1% และการเสื่อมสภาพเชิงเส้นปีละ 0.4% เทียบกับโมดูล PERC ที่ 2% ในปีแรกและ 0.45% เชิงเส้น ทำให้ได้ผลผลิตพลังงานต่อวัตต์ที่สูงกว่าตลอดอายุการใช้งานของโมดูล

• ประสิทธิภาพที่แข็งแกร่งในสภาพแสงน้อย เซลล์ TOPCon ตอบสนองได้ดีทั้งต่อความยาวคลื่นสั้นและยาว รักษาความสามารถในการผลิตไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยมภายใต้สภาพแสงน้อย เช่น ช่วงเช้าตรู่ ช่วงเย็น และสภาพอากาศที่มีเมฆมาก

ข้อได้เปรียบทางเศรษฐกิจ

• ความเข้ากันได้สูงกับการผลิต PERC ลดความยากในการอัปเกรดเทคโนโลยี TOPCon สามารถต่อยอดจากเทคโนโลยีกระบวนการ PERC โดยเพิ่มเพียง 4 ขั้นตอน: การเตรียมอิมิตเตอร์โบรอน การสร้างชั้นออกไซด์อุโมงค์ การสะสมและโด๊ปโพลีซิลิคอน และการทำความสะอาดหลังการแพร่ ซึ่งช่วยลดความยากในการอัปเกรดและเร่งการนำเทคโนโลยี TOPCon มาใช้

• การเปลี่ยนสายการผลิตที่ราบรื่นด้วยต้นทุนการลงทุนอุปกรณ์ต่ำ การสร้างสายการผลิต TOPCon ใหม่ต้องใช้เงินลงทุนอุปกรณ์ประมาณ 200-250 ล้าน ในขณะที่สายการผลิต HJT ใหม่ต้องใช้ 350-400 ล้าน เนื่องจาก TOPCon มีความเข้ากันได้ดีกับอุปกรณ์ของสายการผลิต PERC ที่มีอยู่ จึงจำเป็นต้องเพิ่มเฉพาะอุปกรณ์การแพร่โบรอนและการสะสมโพลีซิลิคอน/ซิลิคอนอสัณฐาน (LPCVD / PECVD / PVD) โดยมีเงินลงทุนอุปกรณ์ประมาณ 50-70 ล้าน ซึ่งหลีกเลี่ยงการลงทุนขนาดใหญ่ในอุปกรณ์ใหม่และการปรับปรุงสายการผลิตครั้งใหญ่ ทำให้มีความคุ้มค่าสูง

• ศักยภาพส่วนเพิ่มราคาที่สำคัญ เมื่อเทียบกับโมดูล PERC โมดูล TOPCon ให้กำลังการผลิตต่อวัตต์ที่สูงกว่า ผลตอบแทนการผลิตที่สูงกว่า และต้นทุนระบบที่ต่ำกว่า ทำให้มีช่องว่างสำหรับส่วนเพิ่มราคาอย่างมาก

กระบวนการผลิตเซลล์ TOPCon

เมื่อเทียบกับกระบวนการ PERC แบบโมโนคริสตัลไลน์ กระบวนการผลิตเซลล์ TOPCon เพิ่มขั้นตอนพิเศษ 2 ถึง 3 ขั้นตอน: การสะสมชั้นออกไซด์อุโมงค์ (SiO2 บางพิเศษ 1-2nm), การสะสมชั้นพาสซิเวชันโพลีซิลิคอนบริสุทธิ์ (60-100nm), และการฝังฟอสฟอรัส.

ขั้นตอนหลักของกระบวนการและหน้าที่

1. การทำความสะอาดและการสร้างพื้นผิวเท็กซ์เจอร์

วัตถุประสงค์: หลังจากตัดเวเฟอร์ ขอบจะเสียหาย โครงสร้างผลึกแตก และการรวมตัวที่พื้นผิวรุนแรง การทำความสะอาดและการสร้างพื้นผิวเท็กซ์เจอร์มีวัตถุประสงค์หลักเพื่อกำจัดความเสียหายที่พื้นผิวและสร้างโครงสร้างดักแสงแบบพีระมิดบนพื้นผิว แสงจะสะท้อนหลายครั้งบนพื้นผิวเวเฟอร์ ลดการสะท้อนแสง

2. การแพร่โบรอน

วัตถุประสงค์: หน้าที่หลักคือการสร้างรอยต่อ PN เนื่องจากโบรอนมีความสามารถในการละลายในซิลิคอนต่ำ จึงต้องใช้อุณหภูมิสูงและเวลาในการแพร่นานขึ้น การเลือกแหล่งแพร่ยังส่งผลต่อการผลิต: คลอไรด์มีฤทธิ์กัดกร่อน ในขณะที่โบรไมด์มีความหนืด ทำให้การทำความสะอาดยุ่งยากและเพิ่มค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษา

การแพร่โบรอนมักจะเสร็จสมบูรณ์ที่อุณหภูมิสูงกว่า 1000°C และเมื่อเทียบกับรอบเวลาที่ต้องใช้ 102 นาทีสำหรับการแพร่ฟอสฟอรัส 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 ป้องกันไม่ให้สิ่งเจือปนโลหะแพร่เข้าไปในเซลล์แสงอาทิตย์ในระหว่างกระบวนการที่อุณหภูมิสูง

3. การโด๊ปด้วยเลเซอร์ SE

วัตถุประสงค์: เพื่อสร้างตัวปล่อยแบบเลือกสรร (selective emitter) การโด๊ปความเข้มข้นสูงจะถูกใช้ที่และใกล้กับพื้นที่สัมผัสระหว่างเส้นกริดโลหะและเวเฟอร์เพื่อลดความต้านทานสัมผัสระหว่างอิเล็กโทรดโลหะด้านหน้าและเวเฟอร์ ในขณะที่การโด๊ปความเข้มข้นต่ำภายนอกพื้นที่อิเล็กโทรดจะลดการรวมตัวกันใหม่ในชั้นแพร่ การปรับปรุงตัวปล่อยให้เหมาะสมจะเพิ่มกระแสเอาต์พุตและแรงดันไฟฟ้าของเซลล์แสงอาทิตย์ ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริก

ตำแหน่งของเลเซอร์ในกระบวนการ TOPCon: PERC SE ใช้การโด๊ปฟอสฟอรัส ในขณะที่ TOPCon SE ใช้การโด๊ปโบรอน เนื่องจากโบรอนและฟอสฟอรัสมีค่าสัมประสิทธิ์การแยกตัวที่แตกต่างกัน ฟอสฟอรัสจึงแพร่จากซิลิคอนไดออกไซด์เข้าสู่ซิลิคอนได้ง่ายกว่า ในขณะที่โบรอนยากต่อการผลักเข้าไปและต้องการพลังงานมากกว่า อย่างไรก็ตาม พลังงานเลเซอร์ที่มากเกินไปอาจทำให้เวเฟอร์เสียหายได้ ทำให้การโด๊ปโบรอนมีความท้าทายมากขึ้น เมื่อเทียบกับการแพร่โบรอนแบบดั้งเดิม การเพิ่มเทคโนโลยี SE ในเซลล์ TOPCon สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพได้ตามทฤษฎี 0.5% และในการผลิตจำนวนมากจริงสามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้ 0.2-0.4%

4. การกัดกรด

วัตถุประสงค์: หน้าที่หลักของการกัดกรดคือการกำจัด BSG และรอยต่อด้านหลัง กระบวนการแพร่จะสร้างชั้นแพร่ทั้งบนพื้นผิวเวเฟอร์และขอบของมัน ชั้นแพร่ที่ขอบทำให้เกิดการลัดวงจรได้ง่าย และชั้นแพร่ที่พื้นผิวส่งผลต่อการพาสซิเวชันในภายหลัง 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 แต่มีการฝากแบบห่อหุ้มมาก ในขณะที่ PECVD มีศักยภาพสูงในประสิทธิภาพโดยรวม

6. การเตรียมฟิล์มกันแสงสะท้อนด้านหลัง

วัตถุประสงค์: เตรียมฟิล์มพาสซิเวชันกันแสงสะท้อนที่ด้านหลังของเซลล์เพื่อเพิ่มการดูดซับแสง ในขณะเดียวกัน อะตอมไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นระหว่างการสร้างฟิล์ม SiNx จะทำการพาสซิเวชันเวเฟอร์

7. การฝากอะลูมิเนียมออกไซด์ด้านหน้า

วัตถุประสงค์: ฝากฟิล์มอะลูมิเนียมออกไซด์ที่ด้านหน้าของเวเฟอร์ ซึ่งร่วมกับฟิล์มอื่นๆ จะสร้างผลพาสซิเวชันด้านหน้า

8. การเตรียมฟิล์มกันแสงสะท้อนด้านหน้า

วัตถุประสงค์: ฟิล์มกันแสงสะท้อนด้านหน้าทำงานโดยพื้นฐานเหมือนกับด้านหลัง นอกจากนี้ ฟิล์มอะลูมิเนียมออกไซด์ที่ฝากด้านหน้านั้นบางมากและเสียหายได้ง่ายในระหว่างการผลิตเซลล์และโมดูลในภายหลัง ดังนั้น SiNx ด้านหน้ายังช่วยปกป้องอะลูมิเนียมออกไซด์ด้วย

9. การพิมพ์สกรีน - การถ่ายโอนรูปแบบเลเซอร์

ปัจจุบัน การพิมพ์เซลล์ส่วนใหญ่ยังคงใช้การพิมพ์สกรีน ในอนาคต ในแง่ของการลดการใช้ซิลเวอร์เพสต์สำหรับเซลล์ชนิด N การพิมพ์ถ่ายโอนลายอาจมีข้อได้เปรียบ การถ่ายโอนด้วยเลเซอร์เป็นเทคโนโลยีการพิมพ์แบบไม่สัมผัสชนิดใหม่: เพสต์ที่ต้องการจะถูกเคลือบลงบนวัสดุโปร่งใสยืดหยุ่นเฉพาะ จากนั้นลำแสงเลเซอร์กำลังสูงจะสแกนลายด้วยความเร็วสูงเพื่อถ่ายโอนเพสต์จากวัสดุโปร่งใสยืดหยุ่นไปยังพื้นผิวเซลล์ เกิดเป็นเส้นกริดและเตรียมอิเล็กโทรดด้านหน้าและด้านหลัง

10. การเผาผนึก

การสัมผัสโอห์มมิกที่ดีเกิดขึ้นผ่านการเผาผนึกที่อุณหภูมิสูง

11. การคัดแยกอัตโนมัติ

เซลล์จะถูกคัดแยกใส่ถังตามประสิทธิภาพการแปลงที่แตกต่างกัน

แนวโน้มการพัฒนาในอนาคตของเซลล์ TOPCon

ในปี 2023 ประสิทธิภาพการแปลงเฉลี่ยของเซลล์ TOPCon ชนิด N สูงถึง 25.0% และประสิทธิภาพการแปลงเฉลี่ยของเซลล์เฮเทอโรจังก์ชันสูงถึง 25.2% ซึ่งทั้งสองเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับปี 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 ที่ต่อยอดจากสาย PERC ที่มีอยู่ ให้ประสิทธิภาพที่สูงกว่า การเสื่อมสภาพที่ต่ำกว่า และการเพิ่มกำลังผลิตที่แข็งแกร่งกว่า และกำลังกลายเป็นกระแสหลักของอุตสาหกรรมพลังงานแสงอาทิตย์