TOPCon Güneş Hücrelerine Giriş

TOPCon (Tünel Oksit Pasifleştirici Kontak), ilk olarak 2013 yılında ortaya çıkan bir N-tipi gofret hücre teknolojisidir. Bir TOPCon güneş hücresi, N-tipi bir alt tabaka üzerine inşa edilmiş tünel oksit pasifleştirilmiş kontak güneş hücresidir.

PERC hücrelerle karşılaştırıldığında, TOPCon hücreler, hücrenin arka tarafında yük taşıma katmanı olarak mükemmel yük taşıma özelliklerine sahip bir tünel oksit katmanı kullanır. Bunun üzerine, arka tarafta pasifleştirilmiş bir kontak yapısı oluşturmak için yaklaşık 20nm kalınlığında katkılı bir polisilikon film biriktirilir. Bu, yüzey rekombinasyonunu ve metal kontak rekombinasyonunu etkili bir şekilde azaltır, açık devre voltajını yükseltir ve enerji dönüşüm verimliliğini artırır.

TOPCon, seçici taşıyıcılar prensibine dayanan, üstün bir pasifleştirme etkisi elde eden bir tünel oksit pasifleştirilmiş kontak güneş hücresi teknolojisidir.

TOPCon hücresi bir N-tipi alt tabaka kullanır. Hücrenin arka tarafında ince bir oksit katmanı hazırlanır, ardından katkılı bir ince film gelir. Bunlar birlikte, yüzey rekombinasyonunu ve metal kontak rekombinasyonunu etkili bir şekilde azaltan, N-PERT hücrelerinin dönüşüm verimliliğini daha da artırmak için daha fazla alan sağlayan pasifleştirilmiş bir kontak yapısı oluşturur.

TOPCon teknolojisi, mevcut geleneksel P-tipi hücre ekipmanlarını ve süreçlerini büyük ölçüde korur ve yeniden kullanır. Yalnızca bor difüzyonu ve ince film biriktirme ekipmanının eklenmesini gerektirir, arka taraf açma veya hizalama gerektirmez. Bu, hücre üretim sürecini büyük ölçüde basitleştirir ve seri üretim zorluğunu düşük tutar. Proses hattı yüksek uyumluluk sunar ve PERC ve N-PERT çift yüzlü hücreler için kullanılan yüksek sıcaklık üretim hatlarıyla birlikte çalışabilir.

TOPCon hücreleri şu avantajları sunar: düşük bozulma, yüksek çift yüzlülük ve düşük sıcaklık katsayısı, terminal santral seviyesinde net enerji üretim kazançları sağlar.

TOPCon Hücrelerinin Gelişim Aşamaları

TOPCon hücrelerinin gelişim tarihi dört aşamaya ayrılabilir: teknoloji prototip dönemi, ürün yerleşim dönemi, ticari tanıtım dönemi ve patlayıcı büyüme dönemi.

TOPCon Hücrelerinin Avantajları

Performans Avantajları

• Yüksek dönüşüm verimliliği. TOPCon hücrelerinin benzersiz pasifleştirilmiş kontak tasarımı sayesinde teorik verimlilik sınırı %28,7'ye kadar ulaşır. Önde gelen TOPCon üreticileri halihazırda %25,5'in üzerinde seri üretim verimlilikleri elde etmiştir; bu, ana akım PERC hücrelerine (mevcut seri üretim dönüşüm verimliliği yaklaşık %23,5, teorik sınır %24,5) göre önemli bir iyileştirmedir.

• Yüksek çift yüzlülük. TOPCon çift yüzlü hücreler, çift yüzlü PERC hücrelerine göre watt başına yaklaşık %3 daha fazla enerji üretir. Aynı zemine monteli santral senaryosunda, bu daha yüksek enerji üretim kazançları sağlar.

• Düşük sıcaklık katsayısı. N-tipi TOPCon modüllerinin sıcaklık katsayısı -0,30%/°C kadar düşüktür; bu, P-tipi modüllerin -0,35%/°C değerinden daha iyidir ve yüksek sıcaklık ortamlarında mükemmel kararlılık gösterir.

• Düşük bozulma. Fosfor katkılı N-tipi kristal silikon son derece düşük bor içeriğine sahiptir, bu nedenle temelde bor-oksijen rekombinasyonu yoktur ve bozulma oranında avantaj sağlar. Bazı TOPCon modülleri ilk yıl %1 bozulma ve doğrusal yıllık %0,4 bozulma gösterirken, PERC modüllerinde ilk yıl %2 ve doğrusal %0,45'tir; bu, modülün ömrü boyunca watt başına enerji üretim kazancı sağlar.

• Güçlü düşük ışık performansı. TOPCon hücreleri hem kısa hem de uzun dalga boylarına iyi yanıt verir; sabah erken, akşam ve bulutlu hava gibi düşük ışık koşullarında mükemmel güç üretim kapasitesini korur.

Ekonomik Avantajlar

• PERC üretimiyle yüksek uyumluluk, teknoloji yükseltme zorluğunu azaltır. TOPCon, PERC proses teknolojisinden genişletilebilir; yalnızca dört ek adım gerektirir: bor emitörünün hazırlanması, tünel oksit katmanının büyütülmesi, polisilikonun biriktirilmesi ve katkılanması ve difüzyon sonrası temizlik. Bu, yükseltme zorluğunu azaltır ve TOPCon teknolojisinin benimsenmesini hızlandırır.

• Düşük ekipman yatırım maliyetiyle sorunsuz hat dönüşümü. Yeni bir TOPCon hattı kurmak yaklaşık 200-250 milyon ekipman yatırımı gerektirirken, yeni bir HJT hattı 350-400 milyon gerektirir. TOPCon, mevcut PERC hatlarıyla iyi ekipman uyumluluğu sunduğundan, yalnızca bor difüzyonu ve polisilikon/amorf silikon biriktirme ekipmanı (LPCVD / PECVD / PVD) eklenmesi gerekir; ekipman yatırımı yaklaşık 50-70 milyondur. Bu, yeni ekipmanlara büyük ölçekli yatırım ve büyük hat yenilemelerini önleyerek oldukça ekonomiktir.

• Önemli fiyat primi potansiyeli. PERC modülleriyle karşılaştırıldığında, TOPCon modülleri watt başına daha yüksek güç üretimi, daha yüksek üretim kazançları ve daha düşük sistem maliyetleri sunarak fiyat primi için önemli bir alan yaratır.

TOPCon Hücre Üretim Süreci

Monokristal PERC prosesleriyle karşılaştırıldığında, TOPCon hücre üretim süreci 2 ila 3 ek adım ekler: tünel oksit katmanının (ultra ince SiO2, 1-2nm) biriktirilmesi, intrinsik polisilikon pasivasyon katmanının (60-100nm) biriktirilmesi ve fosfor implantasyonu.

Ana Proses Adımları ve İşlevleri

1. Temizleme ve Dokulandırma

Amaç: Wafer kesiminden sonra kenarlar hasarlıdır, kristal kafes yapısı bozulur ve yüzey rekombinasyonu şiddetlidir. Temizleme ve dokulandırma esas olarak yüzey hasarını gidermeyi ve yüzeyde piramit ışık hapsi yapısı oluşturmayı amaçlar. Işık, wafer yüzeyinde birden çok kez yansır ve yansıtıcılığı azaltır.

2. Bor Difüzyonu

Amaç: Ana işlev PN bağlantısını oluşturmaktır. Borun silikondaki katı çözünürlüğü düşük olduğundan, difüzyon için yüksek sıcaklıklar ve daha uzun süreler gerekir. Difüzyon kaynağı seçimi de üretimi etkiler: klorürler aşındırıcıdır, bromürler ise viskozdur, temizliği zahmetli hale getirir ve bakım maliyetlerini artırır.

Bor difüzyonu genellikle 1000°C'nin üzerindeki yüksek sıcaklıklarda tamamlanır ve fosfor difüzyonu için gereken 102 dakikalık döngüye kıyasla bor difüzyon döngüsü 150 dakika sürer.

Prensip:

Fırın tüpü içindeki reaksiyonlarla oluşan gaz halindeki HCl ve H2O, N2 tarafından taşınır ve tüp boyunca eşit şekilde dağıtılır. H2O ayrıca BBr3 ve O2 ile reaksiyona girerek B2O3 oluşturur ve bu da daha sonra gaz halinde HBO2 oluşturmak üzere reaksiyona girer; yüksek sıcaklıkta HBO2 tekrar B2O3'e ayrışır ve B2O3'ün güneş hücresi yüzeyine eşit şekilde dağılmasını sağlar. Ayrıca H2O, fırın tüpü içinde biriken B2O3 ile reaksiyona girerek difüzyon tüp duvarlarında B2O3 birikmesini önler, kuvars bileşenlerinin ömrünü uzatır ve etkin bor kaynağını artırır. HCl ayrıca hücre yüzeyindeki ve tüp içindeki metal safsızlıklarla reaksiyona girerek egzoz gazıyla çıkan gaz halinde metal klorürler oluşturur ve yüksek sıcaklık işlemi sırasında metal safsızlıklarının güneş hücresine difüzyonunu önler.

3. SE Lazer Katkılama

Amaç: Seçici bir emitör oluşturmak. Metal ızgara hatları ile gofret arasındaki temas alanlarında ve yakınında yüksek konsantrasyonlu katkılama uygulanarak ön metal elektrot ile gofret arasındaki temas direnci azaltılırken, elektrot alanları dışındaki düşük konsantrasyonlu katkılama difüzyon tabakasındaki rekombinasyonu azaltır. Emitörün optimize edilmesi, güneş hücresinin çıkış akımını ve voltajını artırarak fotoelektrik dönüşüm verimliliğini yükseltir.

Lazerin TOPCon akışındaki yeri: PERC SE fosfor katkılama kullanırken, TOPCon SE bor katkılama kullanır. Bor ve fosforun farklı segregasyon katsayıları olduğundan, fosfor silisyum dioksitten silisyuma daha kolay yayılırken, borun içeri itilmesi daha zordur ve daha fazla enerji gerektirir. Ancak aşırı lazer enerjisi gofraya kolayca zarar verir ve bor katkılamayı daha zorlu hale getirir. Geleneksel bor difüzyonu ile karşılaştırıldığında, TOPCon hücrelerine SE teknolojisi eklemek teorik olarak verimliliği %0,5 artırabilir ve gerçek seri üretimde %0,2-0,4 verim artışı sağlayabilir.

4. Dağlama

Amaç: Dağlamanın temel işlevi BSG'yi ve arka bağlantıyı kaldırmaktır. Difüzyon işlemi, gofret yüzeyinde ve kenarlarında difüzyon katmanları oluşturur; kenar difüzyon katmanı kolayca kısa devrelere neden olur ve yüzey difüzyon katmanı sonraki pasivasyonu etkiler, bu nedenle her ikisi de kaldırılmalıdır. Dağlama şu anda esas olarak ıslak yöntemlerle yapılır, zincir tipi ekipmanlarda arka ve kenar difüzyon katmanları kaldırılır ve ardından ön yüz işlenir.

5. Tünel Oksit Katmanı ve Polisilikon Katmanının Hazırlanması

Amaç: Arka tarafa 1-2nm tünel oksit katmanı, ardından 60-100nm polisilikon katmanı biriktirerek pasivasyon yapısı oluşturmak. TOPCon pasivasyon katmanını hazırlamak için başlıca LPCVD, PECVD ve PVD yöntemleri olmak üzere çeşitli yöntemler vardır. LPCVD şu anda ana akımdır, ancak sarma birikimi ciddidir, PECVD ise genel performansta güçlü bir potansiyele sahiptir.

6. Arka Yansıma Önleyici Filmin Hazırlanması

Amaç: Hücrenin arka tarafında ışık emilimini artırmak için yansıma önleyici pasivasyon filmi hazırlamak. Aynı zamanda, SiNx film oluşumu sırasında üretilen hidrojen atomları gofreti pasive eder.

7. Ön Yüz Alüminyum Oksit Biriktirme

Amaç: Gofretin ön yüzüne bir alüminyum oksit filmi biriktirmek, bu film diğer filmlerle birlikte ön pasivasyon etkisini oluşturur.

8. Ön Yansıma Önleyici Filmin Hazırlanması

Amaç: Ön yansıma önleyici film temelde arka filmle aynı şekilde çalışır. Ayrıca, ön tarafa biriktirilen alüminyum oksit filmi çok incedir ve sonraki hücre ve modül üretimi sırasında kolayca hasar görebilir, bu nedenle ön SiNx ayrıca alüminyum oksidi korur.

9. Serigrafi Baskı - Lazer Desen Aktarımı

Şu anda çoğu hücre baskısı hala serigrafi kullanmaktadır. Gelecekte, N-tipi hücreler için gümüş macun tüketimini azaltma açısından Desen Transfer Baskısı avantajlı olabilir. Lazer transfer, yeni bir temassız baskı teknolojisidir: gerekli macun belirli bir esnek şeffaf malzeme üzerine kaplanır ve yüksek güçlü bir lazer ışını yüksek hızlı desenli tarama yaparak macunu esnek şeffaf malzemeden hücre yüzeyine aktarır, böylece ızgara hatları oluşturulur ve ön ve arka elektrotlar hazırlanır.

10. Sinterleme

Yüksek sıcaklıkta sinterleme ile iyi bir omik kontak oluşturulur.

11. Otomatik Sınıflandırma

Hücreler, dönüşüm verimliliklerine göre farklı kutulara ayrılır.

TOPCon Hücrelerinin Gelecekteki Gelişim Trendleri

2023 yılında N-tipi TOPCon hücrelerinin ortalama dönüşüm verimliliği %25,0'a, heteroeklem hücrelerinin ortalama dönüşüm verimliliği ise %25,2'ye ulaştı ve her ikisi de 2022'ye göre önemli iyileşmeler gösterdi.

2023 yılında yeni devreye alınan seri üretim hatları ağırlıklı olarak N-tipi hücre hatlarıydı. N-tipi hücre kapasitesi kademeli olarak serbest bırakıldıkça, PERC hücre pazar payı %73,0'a geriledi. N-tipi hücreler toplamda yaklaşık %26,5 paya sahip oldu; bunun yaklaşık %23,0'ı N-tipi TOPCon hücreleri, yaklaşık %2,6'sı heteroeklem hücreleri ve yaklaşık %0,9'u XBC hücreleriydi; tümü 2022'ye göre önemli artışlar gösterdi.

2024'ten itibaren, TOPCon ile temsil edilen N-tipi hücrelerin payı, P-tipi PERC'yi tamamen geride bırakacak ve sektör, payın %70'e ulaşmasını ve aşmasını bekliyor.

Ooitech'in Bakış Açısı

Ooitech şuna inanıyor: Mevcut PERC hatları üzerine inşa edilen N-tipi tünel oksit pasif kontak hücre teknolojisi olan TOPCon, daha yüksek verimlilik, daha düşük bozulma ve daha güçlü enerji üretim kazançları sağlıyor ve artık güneş enerjisi sektörünün ana akımı haline geliyor.