Was ist eine TOPCon-Zelle? Dieser Artikel wird Ihnen ein umfassendes Verständnis vermitteln!
Was ist eine TOPCon-Zelle?
TOPCON (Tunnel Oxide Passivating Contact) ist die chinesische Bezeichnung für Tunneloxid-Passivierungskontakte. Es handelt sich um eine fortschrittliche Technologie für N-Typ-Siliziumwaferzellen, die 2013 entwickelt wurde. TOPCon-Zellen sind Solarzellen mit Tunneloxid-Passivierungskontakten und N-Typ-Silizium als Substrat.
Im Vergleich zu PERC-Zellen verwenden TOPCon-Zellen Tunneloxid (Tunneloxid) mit hervorragenden Ladungstransfereigenschaften als Ladungstransferschicht auf der Rückseite der Zelle und anschließend eine etwa 20 nm dünne Schicht aus dotiertem polykristallinem Silizium, um eine Rückseitenpassivierungskontaktstruktur zu bilden. Dadurch können Oberflächenrekombination und Metallkontaktrekombination effektiv reduziert, die Öffnungsspannung erhöht und der Energieumwandlungswirkungsgrad verbessert werden.
TOPCon ist ein Solarzellentechnologie mit Tunneloxid-Passivierungskontakt basierend auf dem Prinzip der selektiven Ladungsträger, wodurch ein besserer Passivierungseffekt erzielt wird.
Die TOPCon-Zellstruktur ist eine N-TypSiliziumsubstratzelle. Auf der Rückseite der Zelle wird eine ultradünne Siliziumoxidschicht aufgebracht, anschließend wird eine dünne Schicht dotierten Siliziums abgeschieden. Zusammen bilden beide Schichten eine Passivierungskontaktstruktur, die die Oberflächen- und Metallkontaktrekombination effektiv reduziert und mehr Spielraum für die weitere Verbesserung des Wirkungsgrades von N-PERT-Zellen bietet.
TOPCon-Zellen nutzen den bestehenden, traditionellen Produktionsprozess von P-Typ-Zellen weitestgehend. Lediglich Anlagen zur Bor-Expansion und Dünnschichtabscheidung sind erforderlich; das Öffnen und Ausrichten der Rückseite entfällt. Dies vereinfacht die Zellproduktion erheblich und ermöglicht eine problemlose Massenproduktion. Die Produktionslinie ist hochgradig kompatibel und kann mit der Hochtemperatur-Produktionslinie für bifaziale PERC- und N-PERT-Zellen kombiniert werden. TOPCon-Zellen zeichnen sich durch geringe Dämpfung, hohe Bifazialität und einen niedrigen Temperaturkoeffizienten aus und erzielen in Kraftwerken deutliche Leistungssteigerungen.
Entwicklungsstadien von TOPCon-Zellen
Die Entwicklungsgeschichte der TOPCon-Zellen lässt sich in vier Phasen unterteilen: Technologie-Prototypenphase, Produktentwicklungsphase, Vermarktungsphase und Ausbruchsphase.
Vorteile von TOPCon-Zellen
Hinsichtlich der Leistungsfähigkeit bietet TOPCon folgende Vorteile:
1. Hohe Umwandlungseffizienz. Dank der einzigartigen Passivierungskontaktkonstruktion der TOPCon-Zellen liegt die Umwandlungseffizienzgrenze bei bis zu 28,7 %. Die aktuelle Massenproduktionseffizienz der Zellen führender TOPCon-Unternehmen hat bereits mehr als 25,5 % erreicht, was deutlich höher ist als bei den gängigen PERC-Zellen (aktuelle Massenproduktionseffizienz: 23,5 %, theoretische Grenze: 24,5 %).
2. Hohe Bifazialität. Die Ein-Watt-Leistung von TOPCon-Bifazialzellen ist etwa 3 % höher als die von bifazialen PERC-Zellen. Im gleichen Anwendungsszenario eines Freiluftkraftwerks ergibt sich dadurch ein höherer Leistungszuwachs.
3. Niedriger Temperaturkoeffizient. Der Temperaturkoeffizient von N-Typ Topcon-ModulDer Wert für s liegt bei nur -0,30%/℃, was besser ist als der Wert von -0,35%/℃ bei P-Typ-Modulen, und die Stromerzeugungsleistung zeigt eine ausgezeichnete Stabilität in Umgebungen mit hohen Temperaturen.
4. Geringe Dämpfung. Der Boranteil in phosphor-dotiertem, kristallinem Silizium vom N-Typ ist extrem niedrig, und es sind praktisch keine Bor-Sauerstoff-Verbindungen vorhanden, was zu einer geringeren Dämpfung führt. Die Dämpfung des TOPCon-Moduls von Aikang im ersten Jahr beträgt 1 %, die lineare jährliche Dämpfung 0,4 %. Dies stellt eine deutliche Verbesserung gegenüber den 2 % im ersten Jahr und den linearen 0,45 % des PERC-Moduls dar und ermöglicht eine höhere Stromerzeugung pro Watt über den gesamten Lebenszyklus.
5. Vorteile bei schwachem Licht.Die TOPCon-Zelle berücksichtigt die Empfindlichkeit gegenüber kurzen Wellenlängen und Wellenlängen, und ihre Stromerzeugungsleistung ist auch bei schwachem Licht wie morgens und abends sowie an bewölkten Tagen hervorragend.
Aus wirtschaftlicher Sicht weist TOPCon Folgendes auf: Vorteile:
1. Es ist hochgradig kompatibel mit dem PERC-Zellenherstellungsprozess und vereinfacht Technologie-Upgrades. TOPCon lässt sich auf die PERC-Prozesstechnologie erweitern und erfordert lediglich vier Prozessschritte: die Herstellung des Bor-Emitters, das Wachstum der Tunneloxidschicht, die Abscheidung von Polysilizium und Dotierung sowie die Reinigung nach der Diffusion. Dies reduziert den Aufwand für Technologie-Upgrades und beschleunigt die Verbreitung der TOPCon-Technologie.
2. Reibungslose Umstellung der Produktionslinien und geringe Investitionskosten für Anlagen. Die Investitionskosten für eine neue TOPCon-Linie belaufen sich auf 200–250 Millionen Yuan, für eine neue HJT-Linie auf 350–400 Millionen Yuan. TOPCon ist gut mit bestehenden PERC-Produktionslinien kompatibel. Es muss lediglich eine LPCVD/PECVD/PVD-Anlage für die Bordiffusion und die Abscheidung von Polysilizium/amorphem Silizium hinzugefügt werden. Die Investitionskosten hierfür betragen 50–70 Millionen Yuan. Dadurch werden umfangreiche Investitionen in neue Anlagen und die Umstellung bestehender Produktionslinien vermieden, was die Lösung wirtschaftlicher macht.
3. TOPCon-Produkte bieten ein hohes Marktpotenzial. Im Vergleich zu PERC-Komponenten weisen TOPCon-Module eine höhere Leistung pro Watt, einen höheren Leistungszuwachs und geringere Systemkosten auf, was ihnen ein hohes Marktpotenzial eröffnet.
TOPCon-Zellprozess
Im Vergleich zum Einkristall-PERC-Verfahren umfasst der TOPConcell-Herstellungsprozess 2 bis 3 zusätzliche Schritte, nämlich die Abscheidung einer Tunneloxidschicht (ultradünnes SiO2, 1 bis 2 nm), die Abscheidung einer intrinsischen Polysilizium-Passivierungsschicht (60 bis 100 nm) und die Phosphoreinspritzung.
TOPCon Hauptprozesse und Funktionen
1. Reinigung und Texturierung
Zweck: Nach dem Schneiden des Siliziumwafers sind die Kanten beschädigt, die Gitterstruktur des Siliziums zerstört und die Oberfläche stark rau. Hauptzweck der Reinigung und Texturierung ist die Beseitigung dieser Oberflächenschäden und die Bildung einer pyramidenförmigen Lichtfangstruktur. Durch Mehrfachbrechungen wird das Licht auf die Oberfläche des Siliziumwafers gebündelt, wodurch die Reflexion reduziert wird.
2. Bor-Diffusionsprozess
① Zweck: Die Hauptfunktion besteht in der Herstellung von PN-Übergängen. Da Bor in Silizium nur schwer löslich ist, sind für die Diffusion hohe Temperaturen und längere Diffusionszeiten erforderlich. Gleichzeitig beeinflusst die Wahl der Diffusionsquelle den Produktionsprozess. Chloride sind stark korrosiv, Bromide hochviskos, und die Reinigung ist aufwendig, was die Betriebs- und Wartungskosten erhöht.
Die Bordiffusion wird üblicherweise bei einer höheren Temperatur – über 1000℃ – abgeschlossen, und die Zykluszeit der Bordiffusion beträgt 150 min im Vergleich zu den 102 min, die für die Phosphordiffusion benötigt werden.
②Prinzip
Das bei der Reaktion im Ofenrohr entstehende gasförmige HCl und H₂O verteilen sich unter dem Trägergas N₂ gleichmäßig im Ofenrohr. H₂O reagiert mit BBr₃ und O₂ zu B₂O₃ und bildet dabei gasförmiges HBO₂. HBO₂ zersetzt sich bei hohen Temperaturen zu B₂O₃, wodurch eine gleichmäßige Verteilung von B₂O₃ auf der Oberfläche der Solarzellen erreicht wird. Gleichzeitig reagiert H₂O mit dem im Ofenrohr abgelagerten B₂O₃. Dies verhindert die Ablagerung von B₂O₃ an der Wand des Diffusionsofenrohrs, verlängert die Lebensdauer der Quarzbauelemente und erhöht die effektive Borquelle. HCl reagiert außerdem mit Metallverunreinigungen auf der Oberfläche der Solarzellen und im Ofenrohr zu gasförmigen Metallchloriden, die mit dem Abgas abgeführt werden. Dadurch wird verhindert, dass Metallverunreinigungen bei hohen Temperaturen in das Innere der Solarzellen diffundieren.
3. SE-Laserdotierungsprozess
① Zweck: Zur Herstellung eines selektiven Emitters wird eine hochkonzentrierte Dotierung hauptsächlich am Kontaktpunkt zwischen der Metallgitterlinie und dem Siliziumwafer sowie in dessen Umgebung durchgeführt, um den Kontaktwiderstand zwischen der vorderen Metallelektrode und dem Siliziumwafer zu reduzieren. Außerhalb der Elektrode erfolgt eine niedrigkonzentrierte Dotierung, um die Rekombination in der Diffusionsschicht zu verringern. Durch Optimierung des Emitters werden Ausgangsstrom und -spannung erhöht. Die Solarzelle werden erhöht, wodurch die photoelektrische Umwandlungseffizienz gesteigert wird.
② Der Prozess, bei dem sich der Laser im TOPCon-Prozess befindet
PERC SE ist mit Phosphor dotiert, TOPCon SE hingegen mit Bor. Aufgrund der unterschiedlichen Diffusionskoeffizienten von Bor und Phosphor diffundiert Phosphor eher von Siliziumdioxid zu Silizium, Bor hingegen eher von Silizium zu Siliziumdioxid. Für die Dotierung ist mehr Energie erforderlich, und zu hohe Laserenergie kann die Siliziumscheibe beschädigen. Daher ist die Bor-Dotierung von Silizium schwieriger. Im Vergleich zur herkömmlichen Bor-Diffusion kann die TOPCon-Zellen-SE-Technologie theoretisch eine Effizienzsteigerung von 0,5 % erzielen, in der Serienproduktion liegt diese bei 0,2–0,4 %.
4. Ätzprozess
Zweck: Die Hauptfunktion des Ätzens besteht darin, die Rückseiten- und Rückseiten-Sperrschicht zu entfernen. Durch Diffusion bildet sich eine Diffusionsschicht auf der Oberfläche und am Rand des Siliziumwafers. Die Randdiffusionsschicht neigt zu Kurzschlüssen, und die Oberflächendiffusionsschicht beeinträchtigt die nachfolgende Passivierung, weshalb sie entfernt werden muss. Derzeit wird hauptsächlich das Nassätzverfahren angewendet, bei dem zunächst die Rückseiten- und Randdiffusionsschichten in einer Prozesskette entfernt und anschließend die Vorderseite bearbeitet wird.
5. Herstellung der Tunneloxidschicht und der Polysiliziumschicht
Ziel: Auf der Rückseite soll eine 1–2 nm dicke Tunneloxidschicht abgeschieden und anschließend eine 60–100 nm dicke Polysiliziumschicht zur Bildung einer Passivierungsstruktur aufgebracht werden. Es gibt verschiedene Verfahren zur Herstellung der TOPCon-Passivierungsschicht, die sich hauptsächlich in LPCVD-, PECVD- und PVD-Verfahren unterteilen lassen. LPCVD ist derzeit das gängigste Verfahren, jedoch ist die Beschichtung aufwändig, während PECVD aufgrund seiner umfassenden Leistungsfähigkeit großes Potenzial bietet.
6. Herstellung der rückseitigen Antireflexionsfolie
Ziel: Auf der Rückseite der Zelle soll eine Antireflexions-Passivierungsschicht aufgebracht werden, um die Lichtabsorption zu erhöhen. Gleichzeitig bewirken die bei der Bildung des SiNx-Films entstehenden Wasserstoffatome eine Passivierung des Siliziumwafers.
7. Vordere Aluminiumoxid-Beschichtung
Zweck: Auf der Vorderseite des Siliziumwafers soll eine Aluminiumoxidschicht aufgebracht werden, um zusammen mit anderen Schichten eine Passivierungsschicht auf der Vorderseite zu erzeugen.
8. Herstellung der vorderen Antireflexionsfolie
Zweck: Die Antireflexionsschicht auf der Vorderseite hat im Wesentlichen dieselbe Wirkung wie die auf der Rückseite. Darüber hinaus ist die auf der Vorderseite abgeschiedene Aluminiumoxidschicht sehr dünn und kann bei der nachfolgenden Herstellung von Zellkomponenten leicht beschädigt werden. Das SiNx auf der Vorderseite schützt das Aluminiumoxid zusätzlich.
9. Siebdruck-Lasertransfer
Aktuell wird im Zelldruckverfahren noch hauptsächlich Siebdruck eingesetzt. Zukünftig könnte die Lasertransferdrucktechnologie hinsichtlich des Silberpastenverbrauchs bei N-Typ-Batterien Vorteile bieten. Der Lasertransferdruck ist eine neue, berührungslose Drucktechnologie. Dabei wird die benötigte Paste auf ein flexibles, lichtdurchlässiges Material aufgetragen und anschließend mit einem Hochleistungslaserstrahl schnell abgetastet, um die Paste vom Material auf die Zelloberfläche zu übertragen. So entstehen Gitterlinien und die Vorder- und Rückseitenelektroden werden vorbereitet.
10. Sintern
Durch Hochtemperatursintern wird ein guter ohmscher Kontakt hergestellt.
11. Automatische Sortierung
Zellen mit unterschiedlichen Umwandlungseffizienzen sortieren.
Laut Statistik wurden 2023 in Solarzellenprojekte investiert und diese erweitert. Davon entfallen 80 Projekte auf den TOPConcell-Typ mit einer Gesamtkapazität von 787,2 GW (41 %), 51 HJTcell-Projekte mit einer Kapazität von 302,2 GW (16 %), 6 BCcell-Projekte (vertreten durch Longi Green Energy und Aixu) mit einer Gesamtkapazität von 139,5 GW (7 %) und 13 Perowskit-Solarzellenprojekte mit einer Kapazität von 30,31 GW (1 %). Bei den übrigen Projekten ist der technische Ansatz noch nicht geklärt, die meisten basieren jedoch auf N-Typ-Technologie.
Aus der technischen Kategorie der unterzeichneten Projekte entfallen im Jahr 2023 38 TOPConcell-Projekte mit einer Gesamtleistung von 431 GW (33 %), 27 HJTcell-Projekte mit einer Gesamtleistung von 179,2 GW (14 %), Projekte mit BC-Technologie im Umfang von 110,5 GW (9 %) und Perowskit-Zellenprojekte im Umfang von 21,31 GW (2 %). Bei den übrigen Projekten ist der technische Ansatz noch nicht geklärt.
Im Jahr 2023 erreichte der durchschnittliche Wirkungsgrad der n-Typ-TOPCon-Zellen 25,0 % und der durchschnittliche Wirkungsgrad der Heterojunction-Zellen 25,2 %. Beide Werte stellten eine deutliche Verbesserung gegenüber 2022 dar.
Im Jahr 2023 wurden hauptsächlich Produktionslinien für n-Typ-Zellen in Betrieb genommen. Mit der schrittweisen Ausweitung der Produktionskapazitäten für n-Typ-Zellen sank der Marktanteil von PERC-Zellen auf 73,0 %. Der Gesamtanteil der n-Typ-Zellen erreichte rund 26,5 %, wobei n-Typ-TOPCon-Zellen etwa 23,0 %, Heterojunction-Zellen etwa 2,6 % und XBC-Zellen etwa 0,9 % ausmachten. Dies bedeutete eine deutliche Verbesserung gegenüber 2022.
Laut im August von InfoLink Consulting veröffentlichten Daten beliefen sich die Gesamtlieferungen der fünf größten Solarzellenhersteller Zhongrun Solar, Jietai Technology, Tongwei Co., Ltd., Aixu Co., Ltd. und Yingfa Ruineng im ersten Halbjahr 2024 auf 77,96 GW, wovon PERC-Zellen einen kumulierten Lieferanteil von rund 37,3 GW aufwiesen; TOPCon-Zellen beschleunigten ihren Aufholprozess mit einem kumulierten Lieferanteil von rund 40,6 GW, was fast 52 % der Gesamtlieferungen ausmachte.
Entwicklung der Marktanteile verschiedener Zelltechnologie-Ansätze von 2023 bis 2030.