Qu'est-ce qu'une cellule TOPCon ? Cet article vous permettra de le comprendre en détail !
Qu'est-ce qu'une cellule TOPCon ?
TOPCON (Tunnel Oxide Passivating Contact) est une technologie de cellules solaires à contact passivant à oxyde tunnel (Tunnel Oxide Passivating Contact) développée en 2013. Les cellules TOPCON utilisent un substrat en silicium de type N.
Comparées aux cellules PERC, les cellules TOPCon utilisent un oxyde tunnel (oxyde tunnel) aux excellentes caractéristiques de transfert de charge comme couche de transfert de charge à l'arrière de la cellule, puis déposent une couche mince de silicium polycristallin dopé d'environ 20 nm pour former une structure de contact de passivation arrière, ce qui permet de réduire efficacement la recombinaison de surface et la recombinaison de contact métallique, d'augmenter la tension d'ouverture et d'améliorer l'efficacité de conversion d'énergie.
TOPCon est une Technologie des cellules solaires avec un contact de passivation par oxyde tunnel basé sur le principe des porteurs sélectifs, ce qui permet d'obtenir un meilleur effet de passivation.
La structure cellulaire TOPCon est une Type NCellule à substrat de silicium. Une couche ultra-mince d'oxyde de silicium est préparée sur la face arrière de la cellule, puis une fine couche de silicium dopé est déposée. L'ensemble forme une structure de contact passivant, réduisant efficacement la recombinaison de surface et la recombinaison au niveau des contacts métalliques, et offrant ainsi une plus grande marge d'amélioration pour le rendement de conversion des cellules N-PERT.
Les cellules TOPCon conservent et exploitent au maximum le procédé de fabrication traditionnel des cellules de type P. Seuls les équipements d'expansion du bore et de dépôt de couches minces sont nécessaires, sans ouverture ni alignement de l'arrière, ce qui simplifie considérablement le processus de production et facilite la production en série. La ligne de production est hautement compatible avec les lignes de production à haute température des cellules bifaciales PERC et N-PERT. Les cellules TOPCon présentent une faible atténuation, une bifacialité élevée et un faible coefficient de température, et offrent des gains de production d'énergie significatifs dans les centrales électriques terminales.
Étapes de développement de Cellules TOPCon
L'histoire du développement des cellules TOPCon peut être divisée en quatre étapes : l'étape du prototype technologique, l'étape de la conception du produit, l'étape de la promotion commerciale et l'étape de l'épidémie.
Avantages des cellules TOPCon
Du point de vue des performances, TOPCon présente les avantages suivants :
1. Rendement de conversion élevé. Grâce à la conception unique des contacts de passivation des cellules TOPCon, leur limite d'efficacité de conversion atteint 28,7 %, et l'efficacité de production en série actuelle des cellules des principales sociétés TOPCon a atteint plus de 25,5 %, ce qui est nettement supérieur à celle des cellules PERC classiques (l'efficacité de conversion actuelle en production en série est de 23,5 %, la limite théorique étant de 24,5 %).
2. Forte bifacialité. La production d'énergie par watt des cellules bifaciales TOPCon est environ 3 % supérieure à celle des cellules bifaciales PERC. Dans une même centrale électrique au sol, le gain de production d'énergie sera donc plus important.
3. Faible coefficient de température. Le coefficient de température du type N Module Topcons est aussi faible que -0,30 %/℃, ce qui est mieux que -0,35 %/℃ des modules de type P, et les performances de génération d'énergie montrent une excellente stabilité dans les environnements à haute température.
4. Faible atténuation. La teneur en bore du silicium cristallin de type N dopé au phosphore est extrêmement faible, et il ne contient pratiquement pas de composé bore-oxygène, ce qui présente un taux d'atténuation avantageux. L'atténuation la première année du module TOPCon d'Aikang est de 1 %, et l'atténuation annuelle linéaire est de 0,4 %, ce qui représente une amélioration significative par rapport aux 2 % la première année et aux 0,45 % d'atténuation linéaire du module PERC. Ceci permet d'accroître la production d'énergie d'un module d'un watt tout au long de son cycle de vie.
5. Avantages en matière de performances en faible luminosité.La cellule TOPCon tient compte de sa réactivité aux ondes courtes et à la longueur d'onde, et ses performances de production d'énergie restent excellentes même en faible luminosité, comme le matin, le soir et par temps nuageux.
D'un point de vue économique, TOPCon présente les caractéristiques suivantes : avantages :
1. La technologie TOPCon est hautement compatible avec le procédé de fabrication des cellules PERC, ce qui réduit la complexité de sa mise à niveau. Elle peut être étendue à partir du procédé PERC et ne nécessite que quatre étapes : la préparation de l’émetteur de bore, la croissance de la couche d’oxyde tunnel, le dépôt de polysilicium et le dopage, ainsi que le nettoyage après diffusion. Ceci simplifie la mise à niveau et accélère le développement de la technologie TOPCon.
2. Conversion simplifiée des lignes de production et faibles coûts d'investissement en équipements. L'investissement en équipements pour une nouvelle ligne TOPCon s'élève à 200-250 millions de yuans, et celui pour une nouvelle ligne HJT à 350-400 millions de yuans. TOPCon est compatible avec les lignes de production PERC existantes. Seuls des équipements LPCVD/PECVD/PVD supplémentaires sont nécessaires pour la diffusion du bore et le dépôt de polysilicium/silicium amorphe. Cet investissement, de 50 à 70 millions de yuans, évite des investissements massifs dans de nouveaux équipements et une transformation à grande échelle des lignes de production, ce qui le rend plus économique.
3. Les produits TOPCon bénéficient d'un positionnement haut de gamme important. Comparés aux composants PERC, les modules TOPCon offrent une puissance de génération par watt supérieure, un gain de génération de puissance plus élevé et un coût système inférieur, ce qui leur confère un positionnement haut de gamme significatif.
Procédé cellulaire TOPCon
Comparé au procédé PERC monocristallin, le procédé de production TOPConcell comporte 2 à 3 étapes supplémentaires, à savoir le dépôt d'une couche d'oxyde tunnel (SiO2 ultra-mince, 1 à 2 nm), le dépôt d'une couche de passivation en polysilicium intrinsèque (60 à 100 nm) et l'injection de phosphore.
Principaux processus et fonctions de TOPCon
1. Nettoyage et texturage
Objectif : Après la découpe d’une plaquette de silicium, ses bords sont endommagés, sa structure cristalline est altérée et sa surface présente de fortes irrégularités. Le nettoyage et la texturation visent principalement à éliminer ces dommages et à créer une structure pyramidale de surface piégeant la lumière. La lumière incidente sur la surface de la plaquette subit de multiples réfractions afin de réduire sa réflectivité.
2. Processus de diffusion du bore
① Objectif : La fonction principale est la préparation de jonctions PN. La faible solubilité du bore dans le silicium exige une température élevée et une durée de diffusion prolongée. Le choix de la source de diffusion influe également sur le procédé de fabrication. Les chlorures sont très corrosifs, les bromures très visqueux et leur nettoyage complexe, ce qui augmente les coûts d’exploitation et de maintenance.
La diffusion du bore s'effectue généralement à une température plus élevée - supérieure à 1000 °C - et le temps de cycle de la diffusion du bore est de 150 min, contre 102 min pour le cycle requis pour la diffusion du phosphore.
②Principe
Le HCl et le H₂O gazeux générés par la réaction dans le tube du four se répartissent uniformément dans ce dernier sous l'effet du N₂. Le H₂O réagit également avec le BBr₃ et l'O₂ pour former du B₂O₃, lequel réagit ensuite pour générer du HBO₂ gazeux. Le HBO₂ se décompose à haute température pour former du B₂O₃, permettant ainsi une répartition uniforme de ce dernier à la surface des cellules solaires. Par ailleurs, le H₂O réagit également avec le B₂O₃ déposé dans le tube du four, évitant ainsi son dépôt sur les parois du tube de diffusion, prolongeant la durée de vie des dispositifs à quartz et augmentant la source de bore effective. Le HCl peut également réagir avec les impuretés métalliques présentes à la surface des cellules solaires et dans le tube du four pour générer des chlorures métalliques gazeux, qui sont évacués avec les gaz résiduaires, empêchant ainsi la diffusion des impuretés métalliques à l'intérieur des cellules solaires lors du traitement à haute température.
3. Procédé de dopage laser SE
① Objectif : Pour former un émetteur sélectif, un dopage à forte concentration est principalement réalisé au point de contact entre la grille métallique et la plaquette de silicium, ainsi qu’à proximité, afin de réduire la résistance de contact entre l’électrode métallique avant et la plaquette de silicium ; un dopage à faible concentration est réalisé dans la zone extérieure à l’électrode afin de réduire la recombinaison de la couche de diffusion. En optimisant l’émetteur, le courant et la tension de sortie de La cellule solaire sont augmentées, ce qui accroît l'efficacité de la conversion photoélectrique.
② Le processus dans lequel le laser est situé dans le processus TOPCon
La cellule PERC SE est dopée au phosphore, tandis que la cellule TOPCon SE est dopée au bore. En raison des coefficients de séparation différents du bore et du phosphore, le phosphore diffuse plus facilement du dioxyde de silicium vers le silicium, tandis que le bore diffuse plus facilement du silicium vers le dioxyde de silicium. Le dopage requiert davantage d'énergie, et une énergie laser excessive risque d'endommager la plaquette de silicium ; il est donc plus difficile d'incorporer du bore dans le silicium. Comparée à la diffusion de bore traditionnelle, la technologie d'électroluminescence superposée TOPCon permet théoriquement d'améliorer le rendement de 0,5 %, et en pratique, de l'ordre de 0,2 à 0,4 %.
4. Procédé de gravure
Objectif : La gravure a pour fonction principale d’éliminer la couche de diffusion arrière (BSG) et la jonction arrière. Le processus de diffusion forme une couche de diffusion à la surface et en périphérie de la plaquette de silicium. La couche de diffusion périphérique est sujette aux courts-circuits, et la couche de diffusion de surface affecte la passivation ultérieure ; il est donc nécessaire de l’éliminer. Actuellement, la gravure est principalement réalisée par voie humide : les couches de diffusion arrière et périphérique sont d’abord éliminées dans une chaîne de production, puis la face avant est traitée.
5. Préparation de la couche d'oxyde tunnel et de la couche de polysilicium
Objectif : Déposer une couche d’oxyde tunnel de 1 à 2 nm sur la face arrière, puis une couche de polysilicium de 60 à 100 nm pour former une structure de passivation. Il existe plusieurs méthodes de préparation de la couche de passivation TOPCon, principalement les procédés LPCVD, PECVD et PVD. Le procédé LPCVD est actuellement le plus répandu, mais présente des inconvénients majeurs en termes de dépôt. Le procédé PECVD offre quant à lui un fort potentiel en termes de performances globales.
6. Préparation du film antireflet arrière
Objectif : Préparer un film de passivation antireflet sur la face arrière de la cellule afin d’accroître l’absorption de la lumière. Parallèlement, les atomes d’hydrogène générés lors de la formation du film de SiNx exercent un effet passivant sur la plaquette de silicium.
7. Placage d'oxyde d'aluminium avant
Objectif : Déposer une couche de film d'oxyde d'aluminium sur la face avant de la plaquette de silicium et former un effet de passivation frontale avec d'autres couches de film.
8. Préparation du film antireflet frontal
Objectif : Le film antireflet frontal a sensiblement le même effet que le film dorsal. De plus, le film d’oxyde d’aluminium déposé sur la face avant est très fin et s’endommage facilement lors de la production ultérieure des composants cellulaires. Le SiNx frontal offre également une protection à l’oxyde d’aluminium.
9. Sérigraphie - Transfert laser
Actuellement, la sérigraphie reste la technique d'impression la plus utilisée pour la fabrication des cellules. À l'avenir, la technologie d'impression par transfert laser pourrait présenter des avantages en termes de consommation de pâte d'argent pour les batteries de type N. L'impression par transfert laser est une nouvelle technologie d'impression sans contact. Elle consiste à déposer la pâte requise sur un matériau flexible et transparent, puis à utiliser un faisceau laser de haute puissance pour balayer la pâte à grande vitesse et la transférer du matériau flexible à la surface de la cellule afin de former une grille et de préparer les électrodes avant et arrière.
10. Frittage
Un bon contact ohmique est obtenu par frittage à haute température.
11. Tri automatique
Cellules de grade avec des rendements de conversion différents.
D'après les statistiques, parmi les projets de cellules photovoltaïques ayant fait l'objet d'investissements et d'expansions en 2023, on compte 80 projets TOPConcell d'une capacité totale de 787,2 GW (41 %), 51 projets HJTcell d'une capacité de 302,2 GW (16 %), 6 projets BCcell, menés par Longi Green Energy et Aixu, d'une capacité totale de 139,5 GW (7 %) et 13 projets de cellules à pérovskite d'une capacité de 30,31 GW (1 %). Bien que la technologie utilisée pour les autres projets n'ait pas encore été précisée, la plupart d'entre eux reposent sur la technologie de type N.
Parmi les projets techniques signés en 2023, on compte 38 projets TOPConcell d'une capacité totale de 431 GW (33 %), 27 projets HJTcell d'une capacité totale de 179,2 GW (14 %), des projets utilisant la technologie BC d'une capacité de 110,5 GW (9 %), et des projets utilisant la technologie pérovskitecell d'une capacité de 21,31 GW (2 %). La voie technique des projets restants n'a pas encore été précisée.
En 2023, l'efficacité de conversion moyenne des cellules TOPCon de type n a atteint 25,0 %, et l'efficacité de conversion moyenne des cellules à hétérojonction a atteint 25,2 %, soit une amélioration significative par rapport à 2022.
En 2023, les nouvelles lignes de production de masse mises en service concernent principalement les cellules de type n. Avec la montée en puissance progressive de ces cellules, la part de marché des cellules PERC a diminué pour atteindre 73 %. La part totale des cellules de type n s'élève ainsi à environ 26,5 %, dont environ 23 % pour les cellules TOPCon de type n, 2,6 % pour les cellules à hétérojonction et 0,9 % pour les cellules XBC. Ces chiffres représentent une nette amélioration par rapport à 2022.
Selon les données publiées par InfoLink Consulting en août, les livraisons totales des cinq principaux fournisseurs de cellules photovoltaïques, Zhongrun Solar, Jietai Technology, Tongwei Co., Ltd., Aixu Co., Ltd. et Yingfa Ruineng, ont atteint 77,96 GW au premier semestre 2024, dont environ 37,3 GW de cellules PERCcell ; les cellules TOPConcell ont accéléré leur progression, avec des livraisons cumulées d'environ 40,6 GW, représentant près de 52 % des livraisons totales.
Évolution des parts de marché des différentes technologies cellulaires de 2023 à 2030.