Introdução às Células Solares TOPCon

TOPCon (Contato Passivado por Óxido de Túnel) é uma tecnologia de célula de wafer tipo N que surgiu pela primeira vez em 2013. Uma célula solar TOPCon é uma célula solar de contato passivado por óxido de túnel construída sobre um substrato tipo N.

Comparado com células PERC, as células TOPCon usam uma camada de óxido de túnel com excelentes propriedades de transporte de carga como camada de transporte de carga na parte traseira da célula. Sobre esta, um filme de polissilício dopado com cerca de 20nm é depositado para formar uma estrutura de contato passivado no lado traseiro. Isso reduz efetivamente a recombinação superficial e a recombinação de contato metálico, eleva a tensão de circuito aberto e melhora a eficiência de conversão de energia.

TOPCon é uma tecnologia de célula solar de contato passivado por óxido de túnel baseada no princípio de portadores seletivos, alcançando um efeito de passivação superior.

A célula TOPCon usa um substrato tipo N. Uma fina camada de óxido é preparada na parte traseira da célula, seguida por um filme fino dopado. Juntos, eles formam uma estrutura de contato passivado que reduz efetivamente a recombinação superficial e a recombinação de contato metálico, proporcionando maior espaço para melhorar ainda mais a eficiência de conversão das células N-PERT.

A tecnologia TOPCon preserva e reutiliza ao máximo os equipamentos e processos existentes de células P-type convencionais. Ela requer apenas a adição de equipamentos de difusão de boro e deposição de filmes finos, sem necessidade de abertura ou alinhamento na parte traseira. Isso simplifica bastante o processo de produção das células e mantém baixa a dificuldade de produção em massa. A linha de processo oferece alta compatibilidade e pode operar junto com as linhas de fabricação de alta temperatura usadas para células bifaciais PERC e N-PERT.

As células TOPCon oferecem as vantagens de baixa degradação, alta bifacialidade e baixo coeficiente de temperatura, proporcionando ganhos claros de geração de energia no nível da usina terminal.

Estágios de Desenvolvimento das Células TOPCon

A história do desenvolvimento das células TOPCon pode ser dividida em quatro estágios: o período de protótipo tecnológico, período de layout do produto, período de promoção comercial e período de crescimento explosivo.

Vantagens das Células TOPCon

Vantagens de Desempenho

• Alta eficiência de conversão. Graças ao design exclusivo de contato passivado das células TOPCon, o limite teórico de eficiência chega a 28,7%. Os principais fabricantes de TOPCon já alcançaram eficiências de produção em massa acima de 25,5%, uma melhoria significativa em relação às células PERC convencionais (eficiência de conversão atual em produção em massa em torno de 23,5%, limite teórico de 24,5%).

• Alta bifacialidade. As células bifaciais TOPCon produzem cerca de 3% mais energia por watt do que as células bifaciais PERC. No mesmo cenário de usina de solo, isso proporciona maiores ganhos de geração de energia.

• Baixo coeficiente de temperatura. O coeficiente de temperatura dos módulos TOPCon tipo N é tão baixo quanto -0,30%/°C, melhor que os -0,35%/°C dos módulos tipo P, mostrando excelente estabilidade em ambientes de alta temperatura.

• Baixa degradação. O silício cristalino tipo N dopado com fósforo contém teor de boro extremamente baixo, portanto, essencialmente não há recombinação boro-oxigênio, dando-lhe vantagem na taxa de degradação. Alguns módulos TOPCon apresentam degradação de 1% no primeiro ano e degradação linear anual de 0,4%, em comparação com 2% no primeiro ano e 0,45% linear para módulos PERC, trazendo um ganho de geração de energia por watt ao longo do ciclo de vida do módulo.

• Desempenho forte em baixa luminosidade. As células TOPCon respondem bem tanto a comprimentos de onda curtos quanto longos, mantendo excelente capacidade de geração de energia em condições de baixa luminosidade, como início da manhã, fim da tarde e tempo nublado.

Vantagens Econômicas

• Alta compatibilidade com a fabricação PERC, reduzindo a dificuldade de atualizações tecnológicas. TOPCon pode ser estendido a partir da tecnologia de processo PERC, exigindo apenas quatro etapas adicionais: preparação do emissor de boro, crescimento da camada de óxido túnel, deposição e dopagem de polissilício, e limpeza pós-difusão. Isso reduz a dificuldade de atualização e acelera a adoção da tecnologia TOPCon.

• Conversão de linha suave com baixo custo de investimento em equipamentos. Construir uma nova linha TOPCon requer investimento em equipamentos de cerca de 200-250 milhões, enquanto uma nova linha HJT requer 350-400 milhões. Como TOPCon oferece boa compatibilidade de equipamentos com linhas PERC existentes, apenas equipamentos de difusão de boro e deposição de polissilício/silício amorfo (LPCVD / PECVD / PVD) precisam ser adicionados, com investimento em equipamentos de cerca de 50-70 milhões. Isso evita investimentos em larga escala em novos equipamentos e grandes reformas de linha, tornando-se altamente econômico.

• Potencial significativo de prêmio de preço. Em comparação com módulos PERC, os módulos TOPCon oferecem maior geração de energia por watt, maiores ganhos de geração e menores custos de sistema, criando espaço substancial para um prêmio de preço.

Processo de Fabricação de Células TOPCon

Em comparação com processos de células PERC monocristalinas, o processo de produção de células TOPCon adiciona 2 a 3 etapas extras: deposição da camada de óxido túnel (SiO2 ultrafino, 1-2nm), deposição da camada de passivação de polissilício intrínseco (60-100nm) e implantação de fósforo.

Principais Etapas do Processo e Suas Funções

1. Limpeza e Texturização

Objetivo: Após o corte do wafer, as bordas são danificadas, a estrutura da rede cristalina é quebrada e a recombinação superficial é severa. A limpeza e texturização visam principalmente remover danos superficiais e formar uma estrutura de captura de luz piramidal na superfície. A luz reflete várias vezes na superfície do wafer, reduzindo a refletância.

2. Difusão de Boro

Objetivo: A função principal é formar a junção PN. Como o boro tem baixa solubilidade sólida no silício, são necessárias altas temperaturas e tempos mais longos para a difusão. A escolha da fonte de difusão também afeta a produção: cloretos são corrosivos, enquanto brometos são viscosos, tornando a limpeza complicada e aumentando os custos de manutenção.

A difusão de boro geralmente é concluída em temperaturas mais altas—acima de 1000℃—e, comparada ao ciclo de 102 minutos necessário para a difusão de fósforo, o ciclo de difusão de boro leva 150 minutos.

Princípio:

O HCl gasoso e H2O gerados por reações dentro do tubo do forno são transportados por N2 e distribuídos uniformemente por todo o tubo. H2O também reage com BBr3 e O2 para formar B2O3, que reage ainda mais para formar HBO2 gasoso; em altas temperaturas, HBO2 se decompõe novamente em B2O3, permitindo que B2O3 se distribua uniformemente pela superfície da célula solar. Além disso, H2O reage com B2O3 depositado dentro do tubo do forno, evitando o acúmulo de B2O3 nas paredes do tubo de difusão, prolongando a vida útil dos componentes de quartzo e aumentando a fonte efetiva de boro. HCl também pode reagir com impurezas metálicas na superfície da célula e dentro do tubo para formar cloretos metálicos gasosos que saem com o gás de exaustão, evitando que impurezas metálicas se difundam na célula solar durante o processo de alta temperatura.

3. Dopagem a Laser SE

Objetivo: Formar um emissor seletivo. A dopagem de alta concentração é aplicada nas áreas de contato e proximidades entre as linhas de grade metálicas e o wafer para reduzir a resistência de contato entre o eletrodo metálico frontal e o wafer, enquanto a dopagem de baixa concentração fora das áreas do eletrodo reduz a recombinação na camada de difusão. Otimizar o emissor aumenta a corrente de saída e a tensão da célula solar, melhorando assim a eficiência de conversão fotoelétrica.

Onde o laser se situa no fluxo TOPCon: PERC SE usa dopagem com fósforo, enquanto TOPCon SE usa dopagem com boro. Como o boro e o fósforo têm diferentes coeficientes de segregação, o fósforo difunde mais facilmente do dióxido de silício para o silício, enquanto o boro é mais difícil de inserir e requer mais energia. No entanto, a energia excessiva do laser danifica facilmente a pastilha, tornando a dopagem com boro mais desafiadora. Comparada com a difusão tradicional de boro, a adição da tecnologia SE às células TOPCon pode teoricamente melhorar a eficiência em 0,5%, e na produção real em massa pode alcançar um ganho de eficiência de 0,2-0,4%.

4. Corrosão

Objetivo: A principal função da corrosão é remover o BSG e a junção traseira. O processo de difusão forma camadas de difusão tanto na superfície da pastilha quanto em suas bordas; a camada de difusão nas bordas facilmente causa curto-circuitos, e a camada de difusão na superfície afeta a passivação subsequente, portanto ambas devem ser removidas. A corrosão atualmente é feita principalmente com métodos úmidos, removendo as camadas de difusão traseira e das bordas em equipamentos de cadeia antes de processar a parte frontal.

5. Preparação da Camada de Óxido de Túnel e da Camada de Polissilício

Objetivo: Depositar uma camada de óxido de túnel de 1-2nm na parte traseira, em seguida depositar uma camada de polissilício de 60-100nm para formar a estrutura de passivação. Existem vários métodos para preparar a camada de passivação TOPCon, principalmente as rotas LPCVD, PECVD e PVD. LPCVD é atualmente a principal, mas a deposição envolvente é severa, enquanto PECVD oferece forte potencial em desempenho geral.

6. Preparação do Filme Anti-Reflexo Traseiro

Objetivo: Preparar um filme de passivação anti-reflexo na parte traseira da célula para aumentar a absorção de luz. Ao mesmo tempo, os átomos de hidrogênio gerados durante o processo de formação do filme SiNx passivam a pastilha.

7. Deposição de Óxido de Alumínio na Parte Frontal

Objetivo: Depositar uma camada de filme de óxido de alumínio na parte frontal da pastilha, que junto com outros filmes forma o efeito de passivação frontal.

8. Preparação do Filme Anti-Reflexo Frontal

Objetivo: O filme anti-reflexo frontal funciona essencialmente da mesma forma que o traseiro. Além disso, o filme de óxido de alumínio depositado na parte frontal é muito fino e facilmente danificado durante a fabricação subsequente de células e módulos, então o SiNx frontal também protege o óxido de alumínio.

9. Serigrafia - Transferência de Padrão a Laser

Atualmente, a maioria das células ainda utiliza serigrafia. No futuro, em termos de redução do consumo de pasta de prata para células N-type, a Transferência de Padrão por Impressão pode ter vantagem. A transferência a laser é uma nova tecnologia de impressão sem contato: a pasta necessária é revestida em um material transparente flexível específico, e um feixe de laser de alta potência realiza varredura padronizada em alta velocidade para transferir a pasta do material transparente flexível para a superfície da célula, formando as linhas de grade e preparando os eletrodos frontal e traseiro.

10. Sinterização

Um bom contato ôhmico é formado através da sinterização em alta temperatura.

11. Classificação Automática

As células são classificadas em compartimentos de acordo com suas diferentes eficiências de conversão.

Tendências Futuras de Desenvolvimento das Células TOPCon

Em 2023, a eficiência média de conversão das células TOPCon tipo N atingiu 25,0%, e a eficiência média de conversão das células de heterojunção atingiu 25,2%, ambas com melhorias significativas em relação a 2022.

Em 2023, as novas linhas de produção em massa comissionadas foram principalmente linhas de células tipo N. Com a liberação gradual da capacidade de células tipo N, a participação de mercado das células PERC foi comprimida para 73,0%. As células tipo N representaram um total combinado de cerca de 26,5%, com células TOPCon tipo N em cerca de 23,0%, células de heterojunção em cerca de 2,6% e células XBC em cerca de 0,9% — todos aumentos substanciais em relação a 2022.

A partir de 2024, a participação das células tipo N representadas pela TOPCon superará completamente a PERC tipo P, com a indústria esperando que a participação atinja e ultrapasse 70%.

Perspectiva da Ooitech

A Ooitech acredita: TOPCon, uma tecnologia de célula de contato passivado por óxido túnel tipo N que se baseia nas linhas PERC existentes, oferece maior eficiência, menor degradação e ganhos de geração de energia mais fortes, e está se tornando a corrente principal da indústria solar.