Giới Thiệu Về Tế Bào Năng Lượng Mặt Trời TOPCon

TOPCon (Tiếp xúc thụ động oxit đường hầm) là công nghệ tế bào wafer loại N lần đầu tiên xuất hiện vào năm 2013. Tế bào năng lượng mặt trời TOPCon là tế bào năng lượng mặt trời tiếp xúc thụ động oxit đường hầm được xây dựng trên đế loại N.

So với tế bào PERC, tế bào TOPCon sử dụng một lớp oxit đường hầm có đặc tính vận chuyển điện tích tuyệt vời làm lớp vận chuyển điện tích ở mặt sau của tế bào. Trên lớp này, một màng polysilicon pha tạp khoảng 20nm được lắng đọng để tạo thành cấu trúc tiếp xúc thụ động ở mặt sau. Điều này làm giảm hiệu quả tái hợp bề mặt và tái hợp tiếp xúc kim loại, tăng điện áp mạch hở và cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng.

TOPCon là công nghệ tế bào năng lượng mặt trời tiếp xúc thụ động oxit đường hầm dựa trên nguyên lý hạt tải chọn lọc, đạt được hiệu ứng thụ động vượt trội.

Tế bào TOPCon sử dụng đế loại N. Một lớp oxit mỏng được chuẩn bị ở mặt sau của tế bào, tiếp theo là một màng mỏng pha tạp. Cùng nhau, hai lớp này tạo thành cấu trúc tiếp xúc thụ động giúp giảm hiệu quả tái hợp bề mặt và tái hợp tiếp xúc kim loại, mang lại không gian lớn hơn để cải thiện hiệu suất chuyển đổi của tế bào N-PERT.

Công nghệ TOPCon bảo tồn và tái sử dụng tối đa các thiết bị và quy trình sản xuất tế bào P-type thông thường hiện có. Nó chỉ yêu cầu thêm thiết bị khuếch tán boron và lắng đọng màng mỏng, không cần mở mặt sau hoặc căn chỉnh. Điều này đơn giản hóa đáng kể quy trình sản xuất tế bào và giữ cho độ khó sản xuất hàng loạt ở mức thấp. Dây chuyền quy trình có tính tương thích cao và có thể chạy song song với các dây chuyền sản xuất nhiệt độ cao được sử dụng cho tế bào lưỡng diện PERC và N-PERT.

Tế bào TOPCon mang lại những ưu điểm như suy hao thấp, lưỡng diện cao và hệ số nhiệt độ thấp, mang lại lợi ích phát điện rõ ràng ở cấp độ nhà máy điện đầu cuối.

Các giai đoạn phát triển của tế bào TOPCon

Lịch sử phát triển của tế bào TOPCon có thể được chia thành bốn giai đoạn: thời kỳ nguyên mẫu công nghệ, thời kỳ bố trí sản phẩm, thời kỳ thương mại hóa và thời kỳ tăng trưởng bùng nổ.

Ưu điểm của tế bào TOPCon

Ưu điểm hiệu suất

• Hiệu suất chuyển đổi cao. Nhờ thiết kế tiếp xúc thụ động độc đáo của tế bào TOPCon, giới hạn hiệu suất lý thuyết đạt tới 28,7%. Các nhà sản xuất TOPCon hàng đầu đã đạt được hiệu suất sản xuất hàng loạt trên 25,5%, cải thiện đáng kể so với tế bào PERC chủ đạo (hiệu suất chuyển đổi sản xuất hàng loạt hiện tại khoảng 23,5%, giới hạn lý thuyết 24,5%).

• Lưỡng diện cao. Tế bào lưỡng diện TOPCon tạo ra nhiều hơn khoảng 3% điện năng trên mỗi watt so với tế bào lưỡng diện PERC. Trong cùng một kịch bản nhà máy điện mặt đất, điều này mang lại lợi ích phát điện cao hơn.

• Hệ số nhiệt độ thấp. Hệ số nhiệt độ của mô-đun TOPCon loại N thấp tới -0,30%/°C, tốt hơn so với -0,35%/°C của mô-đun loại P, thể hiện độ ổn định tuyệt vời trong môi trường nhiệt độ cao.

• Suy hao thấp. Silicon tinh thể loại N pha tạp phốt pho chứa hàm lượng boron cực thấp, do đó về cơ bản không có tái hợp boron-oxy, mang lại lợi thế về tốc độ suy hao. Một số mô-đun TOPCon cho thấy suy hao năm đầu là 1% và suy hao tuyến tính hàng năm là 0,4%, so với mô-đun PERC là 2% năm đầu và 0,45% tuyến tính, mang lại lợi ích phát điện trên mỗi watt trong suốt vòng đời của mô-đun.

• Hiệu suất mạnh mẽ trong điều kiện ánh sáng yếu. Tế bào TOPCon phản ứng tốt với cả bước sóng ngắn và dài, duy trì khả năng phát điện tuyệt vời trong điều kiện ánh sáng yếu như sáng sớm, chiều tối và thời tiết nhiều mây.

Lợi thế kinh tế

• Tương thích cao với sản xuất PERC, giảm độ khó của việc nâng cấp công nghệ. TOPCon có thể được mở rộng từ công nghệ quy trình PERC, chỉ cần thêm bốn bước: chuẩn bị bộ phát boron, phát triển lớp oxit đường hầm, lắng đọng và pha tạp polysilicon, và làm sạch sau khuếch tán. Điều này làm giảm độ khó của việc nâng cấp và đẩy nhanh việc áp dụng công nghệ TOPCon.

• Chuyển đổi dây chuyền mượt mà với chi phí đầu tư thiết bị thấp. Xây dựng dây chuyền TOPCon mới cần đầu tư thiết bị khoảng 200-250 triệu, trong khi dây chuyền HJT mới cần 350-400 triệu. Vì TOPCon có khả năng tương thích thiết bị tốt với các dây chuyền PERC hiện có, chỉ cần thêm thiết bị khuếch tán boron và lắng đọng polysilicon/silicon vô định hình (LPCVD / PECVD / PVD), với đầu tư thiết bị khoảng 50-70 triệu. Điều này tránh được đầu tư quy mô lớn vào thiết bị mới và cải tạo dây chuyền lớn, mang tính kinh tế cao.

• Tiềm năng chênh lệch giá đáng kể. So với mô-đun PERC, mô-đun TOPCon cung cấp sản lượng điện trên mỗi watt cao hơn, lợi nhuận phát điện cao hơn và chi phí hệ thống thấp hơn, tạo ra dư địa lớn cho chênh lệch giá.

Quy trình sản xuất tế bào TOPCon

So với quy trình PERC đơn tinh thể, quy trình sản xuất tế bào TOPCon thêm 2 đến 3 bước: lắng đọng lớp oxit đường hầm (SiO2 siêu mỏng, 1-2nm), lắng đọng lớp thụ động polysilicon nội tại (60-100nm), và cấy phốt pho.

Các bước quy trình chính và chức năng của chúng

1. Làm sạch và tạo kết cấu

Mục đích: Sau khi cắt wafer, các cạnh bị hư hỏng, cấu trúc mạng tinh thể bị phá vỡ và tái hợp bề mặt nghiêm trọng. Làm sạch và tạo kết cấu chủ yếu nhằm loại bỏ các hư hỏng bề mặt và hình thành cấu trúc bẫy ánh sáng hình kim tự tháp trên bề mặt. Ánh sáng phản xạ nhiều lần trên bề mặt wafer, giảm độ phản xạ.

2. Khuếch tán Boron

Mục đích: Chức năng chính là hình thành tiếp giáp PN. Vì boron có độ hòa tan rắn thấp trong silicon, cần nhiệt độ cao và thời gian dài hơn để khuếch tán. Việc lựa chọn nguồn khuếch tán cũng ảnh hưởng đến sản xuất: clorua có tính ăn mòn, trong khi bromua có độ nhớt cao, gây khó khăn cho việc vệ sinh và tăng chi phí bảo trì.

Khuếch tán boron thường được hoàn thành ở nhiệt độ cao hơn—trên 1000°C—và so với chu kỳ 102 phút cần cho khuếch tán phospho, chu kỳ khuếch tán boron mất 150 phút.

Nguyên lý:

HCl và H2O dạng khí sinh ra từ các phản ứng bên trong ống lò được vận chuyển bởi N2 và phân bố đều khắp ống. H2O cũng phản ứng với BBr3 và O2 tạo thành B2O3, sau đó phản ứng tiếp tạo thành HBO2 dạng khí; ở nhiệt độ cao, HBO2 phân hủy trở lại thành B2O3, cho phép B2O3 phân bố đều trên bề mặt pin mặt trời. Ngoài ra, H2O phản ứng với B2O3 lắng đọng bên trong ống lò, ngăn ngừa sự tích tụ B2O3 trên thành ống khuếch tán, kéo dài tuổi thọ của các bộ phận thạch anh và tăng nguồn boron hiệu quả. HCl cũng có thể phản ứng với các tạp chất kim loại trên bề mặt pin và bên trong ống tạo thành các clorua kim loại dạng khí thoát ra cùng khí thải, ngăn ngừa tạp chất kim loại khuếch tán vào pin mặt trời trong quá trình nhiệt độ cao.

3. Pha tạp Laser SE

Mục đích: Hình thành bộ phát chọn lọc. Pha tạp nồng độ cao được áp dụng tại và gần các vùng tiếp xúc giữa các đường lưới kim loại và đế wafer để giảm điện trở tiếp xúc giữa điện cực kim loại phía trước và đế wafer, trong khi pha tạp nồng độ thấp bên ngoài các vùng điện cực giúp giảm tái hợp trong lớp khuếch tán. Tối ưu hóa bộ phát làm tăng dòng điện đầu ra và điện áp của pin mặt trời, từ đó cải thiện hiệu suất chuyển đổi quang điện.

Vị trí của laser trong quy trình TOPCon: PERC SE sử dụng pha tạp phốt pho, trong khi TOPCon SE sử dụng pha tạp bo. Vì bo và phốt pho có hệ số phân tách khác nhau, phốt pho khuếch tán từ silicon dioxide vào silicon dễ dàng hơn, trong khi bo khó đẩy vào hơn và cần nhiều năng lượng hơn. Tuy nhiên, năng lượng laser quá cao dễ làm hỏng wafer, khiến việc pha tạp bo trở nên khó khăn hơn. So với khuếch tán bo truyền thống, việc thêm công nghệ SE vào tế bào TOPCon về mặt lý thuyết có thể cải thiện hiệu suất 0,5% và trong sản xuất hàng loạt thực tế có thể đạt được mức tăng hiệu suất 0,2-0,4%.

4. Khắc

Mục đích: Chức năng chính của khắc là loại bỏ BSG và tiếp giáp phía sau. Quá trình khuếch tán tạo ra các lớp khuếch tán trên cả bề mặt wafer và các cạnh của nó; lớp khuếch tán ở cạnh dễ gây ngắn mạch, và lớp khuếch tán bề mặt ảnh hưởng đến quá trình thụ động hóa tiếp theo, vì vậy cả hai đều phải được loại bỏ. Khắc hiện nay chủ yếu được thực hiện bằng phương pháp ướt, loại bỏ các lớp khuếch tán phía sau và cạnh trong thiết bị dạng chuỗi trước khi xử lý mặt trước.

5. Chuẩn bị lớp oxit đường hầm và lớp polysilicon

Mục đích: Lắng đọng một lớp oxit đường hầm dày 1-2nm ở mặt sau, sau đó lắng đọng một lớp polysilicon dày 60-100nm để tạo thành cấu trúc thụ động hóa. Có một số phương pháp để chuẩn bị lớp thụ động hóa TOPCon, chủ yếu là các quy trình LPCVD, PECVD và PVD. LPCVD hiện là chủ đạo, nhưng sự lắng đọng bao quanh nghiêm trọng, trong khi PECVD có tiềm năng mạnh mẽ về hiệu suất tổng thể.

6. Chuẩn bị màng chống phản xạ phía sau

Mục đích: Chuẩn bị một màng thụ động hóa chống phản xạ ở mặt sau của tế bào để tăng khả năng hấp thụ ánh sáng. Đồng thời, các nguyên tử hydro được tạo ra trong quá trình hình thành màng SiNx thụ động hóa wafer.

7. Lắng đọng nhôm oxit mặt trước

Mục đích: Lắng đọng một lớp màng nhôm oxit trên mặt trước của wafer, cùng với các màng khác tạo thành hiệu ứng thụ động hóa mặt trước.

8. Chuẩn bị màng chống phản xạ mặt trước

Mục đích: Màng chống phản xạ mặt trước hoạt động về cơ bản giống như màng phía sau. Ngoài ra, màng nhôm oxit lắng đọng trên mặt trước rất mỏng và dễ bị hỏng trong quá trình sản xuất tế bào và mô-đun tiếp theo, vì vậy SiNx mặt trước cũng bảo vệ nhôm oxit.

9. In lưới - Chuyển mẫu laser

Hiện nay, hầu hết việc in cell vẫn sử dụng phương pháp in lưới. Trong tương lai, về mặt giảm tiêu thụ bạc cho cell loại N, In chuyển mẫu có thể có lợi thế. In laser là một công nghệ in không tiếp xúc mới: bột nhão cần thiết được phủ lên một vật liệu trong suốt dẻo cụ thể, và chùm tia laser công suất cao thực hiện quét mẫu tốc độ cao để chuyển bột nhão từ vật liệu trong suốt dẻo lên bề mặt cell, tạo thành các đường lưới và chuẩn bị các điện cực trước và sau.

10. Thiêu kết

Tiếp xúc ohmic tốt được hình thành thông qua thiêu kết nhiệt độ cao.

11. Phân loại tự động

Các cell được phân loại vào các thùng theo hiệu suất chuyển đổi khác nhau của chúng.

Xu hướng phát triển tương lai của cell TOPCon

Năm 2023, hiệu suất chuyển đổi trung bình của cell TOPCon loại N đạt 25,0% và hiệu suất chuyển đổi trung bình của cell dị tiếp xúc đạt 25,2%, cả hai đều cải thiện đáng kể so với năm 2022.

Năm 2023, các dây chuyền sản xuất hàng loạt mới đưa vào vận hành chủ yếu là dây chuyền cell loại N. Khi công suất cell loại N dần được giải phóng, thị phần cell PERC bị thu hẹp xuống còn 73,0%. Cell loại N chiếm tổng cộng khoảng 26,5%, với cell TOPCon loại N khoảng 23,0%, cell dị tiếp xúc khoảng 2,6% và cell XBC khoảng 0,9%—tất cả đều tăng đáng kể so với năm 2022.

Từ năm 2024 trở đi, thị phần của cell loại N đại diện bởi TOPCon sẽ vượt qua P-type PERC một cách toàn diện, với ngành công nghiệp kỳ vọng thị phần sẽ đạt và vượt 70%.

Quan điểm của Ooitech

Ooitech tin rằng: TOPCon, một công nghệ cell thụ động tiếp xúc oxit đường hầm loại N được xây dựng trên các dây chuyền PERC hiện có, mang lại hiệu suất cao hơn, suy giảm thấp hơn và tăng sản lượng điện mạnh hơn, và hiện đang trở thành xu hướng chủ đạo của ngành năng lượng mặt trời.