Topcon是“隧道氧化物鈍化接觸”的縮寫，是一種更先進(jìn)的N型硅電池技術(shù)。這個(gè)概念最早是由德國(guó)太陽能研究機(jī)構(gòu)Fraunhofer ISE于2014年提出的。直到 2019 年，該技術(shù)才得以擴(kuò)展。截至2022年1月，全球最大的太陽能電池板制造商尚德、天合光能、晶澳太陽能和隆基太陽能現(xiàn)已使用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)效率超過22%的太陽能電池板。

PERC電池技術(shù)

在PERC（鈍化發(fā)射極和后電池或鈍化發(fā)射極和后接觸）soalr電池中，在電池后部添加了介電鈍化層，以捕獲更多的陽光并將其轉(zhuǎn)化為電能，目的是提高效率。

PERC技術(shù)有兩種不同的類型，n型和p型PERC電池。p型和n型太陽能電池之間的主要區(qū)別在于電子數(shù)。在p型電池中，硅晶片摻雜了硼，硼是一種比硅少一個(gè)電子的元素。這使得電池帶正電。在n型中，電池?fù)诫s有磷，磷比硅多一個(gè)電子，使電池帶負(fù)電。

N型電池返回的效率值高于p型電池。它們也不像它們的p型細(xì)胞那樣受到光誘導(dǎo)降解的影響。

Topcon：超越PERC電池技術(shù)

到2019年，在太陽能行業(yè)廣泛采用三年后，在澳大利亞科學(xué)家馬丁格林于1983年發(fā)明三十多年后，PERC太陽能電池技術(shù)已成為主導(dǎo)的太陽能電池技術(shù)。2019年，PERC太陽能電池占據(jù)了65%的市場(chǎng)份額。在短短一年內(nèi)，它已將更傳統(tǒng)的背表面場(chǎng)（BSF）太陽能電池技術(shù)在全球的份額從2017年的83%削減至略低于32%。

經(jīng)過多年不斷研發(fā)優(yōu)化技術(shù)的努力，PERC的效率提升潛力現(xiàn)在似乎已經(jīng)耗盡。制造商的理論上限為24.5%，達(dá)到科學(xué)研究對(duì)PERC電池效率的理論上限，為23%。該技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)在似乎難以捉摸，自 2021 年以來，制造商一直在尋求超越它：

n-PERT （鈍化發(fā)射器后部完全擴(kuò)散）；異質(zhì)結(jié) （HJT）；指指背觸點(diǎn) （IBC）；n-Topcon 等等

在Topcon電池中，在背面添加了隧道氧化層和固有多晶硅層。正面由鈍化和減反射層的介電堆棧鈍化。目前，主流工藝通過熱氧化生長(zhǎng)1.5-2cm的隧道氧化層，而通過稱為LPCVD的化學(xué)沉積工藝添加150-200nm的固有多晶硅層沉積物，然后通過磷擴(kuò)散摻雜電池。

Topcon電池的優(yōu)勢(shì)

更高的效率上限：

在PERC電池之外，除了TOPCon和異質(zhì)結(jié)、n-PERT和IBC之外的其他選擇，由于其制造成本高、程序復(fù)雜且效率潛力有限，因此沒有那么有吸引力。

TOPCon太陽能電池的理論效率上限由該領(lǐng)域的科學(xué)研究設(shè)定為28.2%-28.7%。這超過了異質(zhì)結(jié)的27.5%，遠(yuǎn)高于PERC電池的24.5%。它接近所有晶體硅基太陽能電池的理論極限，為29.43%。

適應(yīng)性強(qiáng)的制造工藝：

TOPCon只是在已經(jīng)存在且成熟的PERC制造工藝和生產(chǎn)線上增加了一層額外的工藝。這種兼容性意味著TOPCon太陽能電池可以從現(xiàn)有的PERC / PERT生產(chǎn)線輕松升級(jí)，而成本略有增加。雖然它與與現(xiàn)有的PERC制造工藝完全不兼容并且需要一條全新的生產(chǎn)線的簡(jiǎn)單異質(zhì)結(jié)制造工藝相比不是很好，但它確實(shí)與更復(fù)雜的IBC電池技術(shù)相比更好。

與PERC / PERT太陽能電池相比，TopCon太陽能電池代表了一種升級(jí)且更高效的技術(shù)，具有高度相似的結(jié)構(gòu)。

背景介紹

眾所周知,硅基光伏電池的種類分為以P型硅為襯底材料以及以N型硅為襯底材料兩種,其中,P型電池制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低。它又分BSF電池和PERC電池,PERC電池采用了鈍化膜來鈍化背面，取代了傳統(tǒng)的全鋁背場(chǎng)，增強(qiáng)光線在硅基的內(nèi)背反射，降低了背面的復(fù)合速率，從而使電池的效率提升0.5%-1%。目前P型單晶硅PERC電池理論轉(zhuǎn)換效率極限為24.5%。

另一種N型電池轉(zhuǎn)換效率高、雙面率高、溫度系數(shù)低、無光衰、弱光效應(yīng)好、載流子壽命長(zhǎng)；它的代表性電池有TOPCon電池、HJT電池、IBC電池；TOPCon電池核心技術(shù)是背面鈍化接觸，能量極限轉(zhuǎn)換效率大概在28.7%左右；HJT電池目前量產(chǎn)效率普遍已在24%以上，HJT未來疊加IBC和鈣鈦礦轉(zhuǎn)換效率或可提升至30%以上。

IBC電池采用交叉指式背接觸電池技術(shù)，但I(xiàn)BC電池制程工藝復(fù)雜、成本較高，目前尚未產(chǎn)業(yè)化。

TopCon電池結(jié)構(gòu)

TopCon太陽能電池技術(shù)具有與PERC太陽能電池相似的結(jié)構(gòu)和制造工藝，只需幾個(gè)額外的步驟。

TopCon太陽能電池可以制造為n型或p型太陽能電池，但n型變化已被證明更有效且耐雜質(zhì)。由于TopCon太陽能電池是PERC / PERT太陽能電池的升級(jí)版，因此了解這項(xiàng)新技術(shù)的結(jié)構(gòu)非常重要。

PERT太陽能電池采用n型晶體硅（c-Si）塊狀層制造，因?yàn)樗哂懈叩谋砻尜|(zhì)量，并且與p發(fā)射極層耦合以產(chǎn)生p-n結(jié)。發(fā)射極層覆蓋有氧化鋁（Al+2O3）鈍化層，頂部涂有氮化硅（SiNx）涂層，以增強(qiáng)其抗反射性能。PERC太陽能電池用p型體層和用于p-n結(jié)的n發(fā)射器取代吸收層。區(qū)域的下部摻雜磷以產(chǎn)生后表面場(chǎng)，然后涂覆類似于電池頂部的SiNx。太陽能電池的頂部和底部都裝有銀（Ag）或鋁（Al）觸點(diǎn)，以便在制造PERC / PERT太陽能電池板時(shí)將電池連接到負(fù)載或其他電池時(shí)閉合電路。

跟現(xiàn)有PERC相比，TopCon的核心結(jié)構(gòu)是超薄的二氧化硅層，利用量子隧穿效應(yīng)，既能讓電子順利通過，又可以阻止空穴的復(fù)合。

TopCon的核心技術(shù)隧穿鈍化的作用:

（1） 全面積鈍化表面使得無硅/金屬接觸界面，有利于提升開路電壓Voc，而全面積地收集載流子，降低壽命敏感度，有利于提升填充因子FF;

（2）阻擋少子通過同時(shí)使多子無障礙的輕松通過，因此可以減少復(fù)合;

（3）結(jié)構(gòu)中的鈍化層可以抑制硅片表面的載流子復(fù)合，提高硅片的少子壽命和電池的開路電壓，載流子選擇收集鈍化接觸結(jié)構(gòu)可以被應(yīng)用到電池的全表面，而無需開孔形成局部鈍化接觸，這不僅簡(jiǎn)化了制造工藝同時(shí)載流子只需進(jìn)行一維方向的輸運(yùn)而無需另外的橫向傳輸，因而可以獲得更高的填充因子。

制造工藝

TOPCon太陽能電池技術(shù)最好的一點(diǎn)是，制造工藝與PERT太陽能電池非常相似，制造商只需進(jìn)行少量投資即可升級(jí)其現(xiàn)有生產(chǎn)線。大多數(shù)制造設(shè)備可以保持不變。這使得TOPCon太陽能電池成為市場(chǎng)上已有的PERC / PERT光伏組件制造商的絕佳投資。

1、制造TOPCon太陽能電池的第一步是通過使用氫氧化鉀（KOH）去除c-Si晶片切割過程中的鋸損傷來化學(xué)紋理化晶圓表面。

2、清潔晶圓后，使用擴(kuò)散法通過施加三溴化硼（BBr）在電池正面形成，但隨后通過施加硝酸和氫氟酸（HF/HNO）去除背面，并通過濕化學(xué)浸漬產(chǎn)生超薄氧化層。

3、為了生長(zhǎng)nPoly-Si層，通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）工藝生長(zhǎng)磷摻雜的非晶硅（n-a-Si：H）層。然后在900oC退火后將其轉(zhuǎn)化為nPoly-Si層。+ +

4、進(jìn)一步清潔太陽能電池，并通過PECVD施加鈍化和涂層。

5、最后，通過絲網(wǎng)印刷將銀/鋁觸點(diǎn)涂覆為金屬化，使用最高溫度為760oC的快速燒制方法進(jìn)行金屬化。

制造TOPCon太陽能電池后，進(jìn)行I-V太陽能電池曲線表征以評(píng)估其性能。

工藝流程圖

TopCon太陽能電池技術(shù)具有與PERC太陽能電池相似的結(jié)構(gòu)和制造工藝，只需幾個(gè)額外的步驟，我們可以了解他的一個(gè)工藝流程。

清洗制絨

清洗目的：

1、去除硅片表面的有機(jī)物臟污及金屬雜質(zhì)；

2、去除硅片線切割過程產(chǎn)生的機(jī)械損傷層，減少復(fù)合中心；

3、形成起伏不平的絨面，其作用為：a.利用陷光效應(yīng)，增加硅片對(duì)太陽光的吸收；4、降低反射率；同時(shí)增加硅片表面積，進(jìn)而P-N結(jié)面積也同樣增加。

硼擴(kuò)散工序

目的:制備PN 結(jié)

在N型硅片（摻磷）上擴(kuò)散P型元素（硼）形成P-N結(jié)（即空間電荷區(qū)） ，在正面形成P+層，背面形成N+層。

原理:

在一定的濃度、溫度、壓力及時(shí)間下，硼源（BBr3或BCl3）在管式爐中汽化后，經(jīng)過一系列化學(xué)反應(yīng)在硅片表面進(jìn)行沉積，獲得合適的摻雜濃度、結(jié)深及方阻；

總反應(yīng)：

堿拋光

目的：去除硅片邊緣的PN結(jié)和去除PSG

硅片在擴(kuò)散過程中，硅片邊緣擴(kuò)散上了磷，邊緣形成PN結(jié)，載流子會(huì)通過邊緣造成電池片短路，并且在擴(kuò)散過程中，會(huì)形成一層含磷的玻璃體，俗稱PSG，對(duì)載流子俘獲能力極強(qiáng)，需要被去除。

LPCVD（低壓化學(xué)氣相沉積）

目的：

在硅片背面沉積一層超薄氧化層提供良好的界面鈍化，同時(shí)提供不同載流子隧穿勢(shì)壘;

氧化層上沉積一層非晶硅，增加電子的遷移速率同時(shí)抑制空穴的遷移速率；

非晶硅與金屬接觸，起到電子傳輸橋梁的作用。

原理：

用加熱的方式，在低壓條件下使SiH4在硅片表面反應(yīng)并沉積成固體薄膜。

氧化層沉積：高溫通氧氣，氧氣和硅反應(yīng)生產(chǎn)氧化硅；

反應(yīng)方程式 ：O2+Si→SiOx

非晶硅沉積：高溫通硅烷，硅烷熱分解成硅和氫氣；反應(yīng)方程式：SiH4（氣）=Si（固）+H2

磷擴(kuò)

目的：對(duì)poly層進(jìn)行磷摻雜

原理:

氧氣的存在下，POCl3在高溫下分解生成五氯化磷（PCl5）和五氧化二磷（P2O5）,反應(yīng)式：

生成的P2O5在擴(kuò)散溫度下與硅反應(yīng)，生成二氧化硅（SiO2）和磷原子,反應(yīng)式：

正面刻蝕

工藝流程：

正刻槽（加水膜）→水洗→堿洗→水洗→ 酸洗→水洗→烘干

正刻槽作用：

主要通過HF+HNO3的混合溶液，對(duì)硅片正面和邊緣進(jìn)行刻蝕，以達(dá)到去除正面及邊緣BSG的作用。

堿洗槽作用：

主要用來中和正刻槽殘留的酸液，并去除正刻槽反應(yīng)生成的多孔硅。

酸洗槽作用：

去除氧化層，使硅片表面疏水。

槽體及功能

ALD（原子層沉積技術(shù)）

通過時(shí)間或空間間隔，使襯底交替暴露于不同的反應(yīng)前驅(qū)體氛圍中，當(dāng)襯底處于前驅(qū)體A的氛圍中時(shí)，前驅(qū)體A通過化學(xué)吸附保持在襯底表面，前驅(qū)體A吸附飽和后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，不會(huì)再進(jìn)行進(jìn)一步化學(xué)吸附。當(dāng)基底暴露于前驅(qū)體B氛圍時(shí)，前驅(qū)體B就會(huì)與已吸附于基底表面的前驅(qū)體A發(fā)生反應(yīng)。兩個(gè)前驅(qū)體之間會(huì)發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生相應(yīng)的副產(chǎn)物，直到表面的第一前驅(qū)體完全消耗， 反應(yīng)會(huì)自動(dòng)停止并形成需要的原子層。

正背膜

硅片表面形成一層Si3N4薄膜，既可作為減反射膜，增加對(duì)光的吸收，同時(shí)，在 SiNx 薄膜形成過程中產(chǎn)生的氫原子對(duì)硅片具有鈍化作用;又因其結(jié)構(gòu)致密保證硅片不被氧化；

硅片置于陰極上，利用輝光放電使硅片升溫到預(yù)定的溫度，然后通入適量的SiH4和NH3氣體，經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng)和等離子體反應(yīng)，在樣品表面形成固態(tài)Si3N4薄膜；

金屬化

工藝流程

背面印主柵→烘箱→背面印副柵→烘箱→正面印主柵→烘箱→正面印副柵→燒結(jié)爐→高溫退火爐→測(cè)試；

其中正、背面印刷均采用分步印刷方式，印刷流程圖示如下：

燒結(jié)目的

干燥硅片上的漿料，燃盡漿料的有機(jī)組分，使?jié){料和硅片形成良好的歐姆接觸。

把電極燒結(jié)在PN結(jié)上,高溫?zé)Y(jié)可以使電極穿透氮化硅膜，形成合金。

正面主柵不燒穿氮化硅，減少金屬對(duì)氮化硅層破壞，提高開壓。

銀的熔點(diǎn)960.7℃，Ag-Si共熔點(diǎn)為 600~800℃

編輯：黃飛

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