Célula solar TOPCon: forma completa, estrutura e como funciona

Resposta rápida: TOPCon significa Contato Passivado por Óxido de Túnel. É uma tecnologia de célula solar de silício tipo N que coloca uma camada ultrafina de óxido de túnel, com cerca de 1 a 2 nanómetros, sob uma camada de polissilício dopado na superfície traseira. Essa pilha faz duas coisas: passiva a superfície traseira para que menos portadores de carga se recombinem ali, e permite que os portadores majoritários atravessem por efeito túnel enquanto bloqueia a polaridade oposta. O resultado é uma tensão de circuito aberto mais alta do que o PERC e, portanto, maior eficiência — a razão pela qual o TOPCon substituiu o PERC como a tecnologia de célula industrial dominante. Crucialmente para os fabricantes, o TOPCon é amplamente compatível com os equipamentos PERC existentes, necessitando principalmente de etapas adicionais de difusão de boro, óxido de túnel e deposição de polissilício. É também a base da família de contato traseiro: as células IBC, TBC, HBC e HIBC baseiam-se todas no contato passivante TOPCon.

Fabricação de Módulos Fotovoltaicos · por Jerry, Ooitech

Introdução às células solares TOPCon

TOPCon é o primeiro passo numa sequência mais longa de contacto posterior. Como o IBC, TBC, HBC e HIBC se baseiam nele é apresentado no Roteiro tecnológico das células BC: da estrutura ao processo.

TOPCon (Tunnel Oxide Passivating Contact) 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.

Em comparação com as 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, é depositado um filme de polissilício dopado de cerca de 20nm para formar uma estrutura de contato passivado no lado traseiro. Isso reduz efetivamente a recombinação de superfície 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, esses dois formam uma estrutura de contato passivado que reduz efetivamente a recombinação de superfície 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 convencionais existentes de células tipo P. Requer apenas a adição de equipamentos de difusão de boro e deposição de filmes finos, sem necessidade de abertura ou alinhamento no lado traseiro. Isso simplifica muito o processo de produção da célula 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 elétrica terminal.

Estágios de desenvolvimento das células TOPCon

A história de desenvolvimento das células TOPCon pode ser dividida em quatro estágios: o período de protótipo tecnológico, período de layout de 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 mainstream (eficiência de conversão atual de 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 elétrica montada no solo, isso proporciona ganhos maiores de geração de energia.

• Baixo coeficiente de temperatura. O coeficiente de temperatura dos módulos TOPCon tipo N é tão baixo quanto -0,30%/℃, melhor do que o -0,35%/℃ 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 praticamente não há recombinação boro-oxigênio, conferindo-lhe vantagem na taxa de degradação. Alguns módulos TOPCon apresentam degradação de 1% no primeiro ano e degradação anual linear 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.

• Forte desempenho em baixa luminosidade. As células TOPCon respondem bem tanto a comprimentos de onda curtos quanto longos, mantendo excelente capacidade de geração de energia sob 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. O TOPCon pode ser estendido a partir da tecnologia de processo PERC, exigindo apenas quatro etapas adicionais: preparar o emissor de boro, crescer a camada de óxido de túnel, depositar e dopar polissilício e limpeza pós-difusão. Isso reduz a dificuldade de atualização e acelera a adoção da tecnologia TOPCon.

• Conversão suave de linha 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 o TOPCon oferece boa compatibilidade de equipamentos com as 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 grandes investimentos em novos equipamentos e grandes reformas de linha, tornando-o altamente econômico.

• Potencial significativo de prêmio de preço. Em comparação com os 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 da célula TOPCon

Em comparação com os processos PERC monocristalinos, o processo de produção da célula TOPCon adiciona 2 a 3 etapas extras: depositar a camada de óxido de túnel (SiO2 ultrafino, 1-2nm), depositar a 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 da wafer, as bordas ficam danificadas, a estrutura da rede cristalina é rompida e a recombinação superficial é severa. A limpeza e a texturização visam principalmente remover o dano superficial e formar uma estrutura de aprisionamento de luz em pirâmide na superfície. A luz reflete múltiplas vezes pela superfície da 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 temperaturas elevadas e tempos mais longos para a difusão. A escolha da fonte de difusão também afeta a produção: os cloretos são corrosivos, enquanto os 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, em comparação com o ciclo de 102 minutos necessário para a difusão de fósforo, o ciclo de difusão de boro leva 150 minutos.

Princípio:

O HCl gasoso e o H2O gerados pelas reações dentro do tubo do forno são transportados pelo N2 e distribuídos uniformemente por todo o tubo. O H2O também reage com BBr3 e O2 para formar B2O3, que reage ainda mais para formar HBO2 gasoso; em altas temperaturas, o HBO2 se decompõe novamente em B2O3, permitindo que o B2O3 se distribua uniformemente pela superfície da célula solar. Além disso, o H2O reage com o 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. O 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, impedindo que impurezas metálicas se difundam para dentro da célula solar durante o processo em alta temperatura.

3. Dopagem a Laser SE

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

Onde o laser se posiciona no fluxo TOPCon: o PERC SE usa dopagem de fósforo, enquanto o TOPCon SE usa dopagem de boro. Como o boro e o fósforo têm coeficientes de segregação diferentes, o fósforo se difunde mais facilmente do dióxido de silício para o silício, enquanto o boro é mais difícil de introduzir e requer mais energia. No entanto, a energia excessiva do laser danifica facilmente a wafer, tornando a dopagem de boro mais desafiadora. Em comparação com a difusão de boro tradicional, adicionar a tecnologia SE às células TOPCon pode, teoricamente, melhorar a eficiência em 0,5%, e na produção em massa real 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 wafer quanto em suas bordas; a camada de difusão da borda causa facilmente curtos-circuitos, e a camada de difusão da superfície afeta a passivação subsequente, portanto ambas devem ser removidas. A corrosão atualmente é feita principalmente por métodos úmidos, removendo as camadas de difusão traseira e de borda em equipamentos do tipo esteira antes de processar a face 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, depois 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. O LPCVD é atualmente o mainstream, mas a deposição envolvente é severa, enquanto o PECVD oferece forte potencial em desempenho geral.

6. Preparação do Filme Antirreflexo Traseiro

Objetivo: Preparar um filme de passivação antirreflexo 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 de SiNx passivam a wafer.

7. Deposição de Óxido de Alumínio na Face Frontal

Objetivo: Depositar uma camada de filme de óxido de alumínio na face frontal da wafer, que, juntamente com outros filmes, forma o efeito de passivação frontal.

8. Preparação do Filme Antirreflexo Frontal

Objetivo: O filme antirreflexo frontal funciona essencialmente da mesma forma que o traseiro. Além disso, o filme de óxido de alumínio depositado na face frontal é muito fino e facilmente danificado durante a fabricação subsequente da célula e do módulo, portanto o SiNx frontal também protege o óxido de alumínio.

9. Serigrafia - Transferência de Padrão a Laser

Atualmente, a maioria da impressão de células ainda usa serigrafia. No futuro, em termos de redução do consumo de pasta de prata para células do tipo N, a Impressão por Transferência de Padrão pode ter vantagem. A transferência a laser é um novo tipo de tecnologia de impressão sem contato: a pasta necessária é revestida sobre 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 do tipo N atingiu 25,0%, e a eficiência média de conversão das células de heterojunção atingiu 25,2%, ambas mostrando melhorias significativas em relação a 2022.

Em 2023, as linhas de produção em massa recém-comissionadas eram principalmente linhas de células do tipo N. À medida que a capacidade de células do tipo N foi gradualmente liberada, a participação de mercado das células PERC foi comprimida para 73,0%. As células do tipo N representaram um total combinado de cerca de 26,5%, com células TOPCon do 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 do tipo N representadas pelo TOPCon superará de forma abrangente o PERC do tipo P, com o setor esperando que a participação atinja e ultrapasse 70%.

A Perspectiva da Ooitech

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