Pin mặt trời TOPCon: Tên đầy đủ, cấu trúc và cách hoạt động
Mục lục
Câu trả lời nhanh: TOPCon là viết tắt của Tunnel Oxide Passivated Contact (Tiếp xúc thụ động oxit đường hầm). Đây là công nghệ pin mặt trời silicon loại N, trong đó có một lớp oxit đường hầm siêu mỏng, khoảng 1 đến 2 nanomet, nằm bên dưới một lớp polysilicon pha tạp ở mặt sau. Cấu trúc chồng lớp này làm hai việc: nó thụ động hóa bề mặt sau để ít hạt tải điện tái hợp tại đó hơn, và cho phép các hạt tải đa số xuyên hầm qua trong khi chặn cực tính đối diện. Kết quả là điện áp mạch hở cao hơn so với PERC, và do đó hiệu suất cao hơn — lý do TOPCon thay thế PERC trở thành công nghệ pin công nghiệp chiếm ưu thế. Điều đặc biệt quan trọng đối với các nhà sản xuất là TOPCon phần lớn tương thích với thiết bị PERC hiện có, chủ yếu chỉ cần thêm các bước khuếch tán boron, lắng đọng oxit đường hầm và polysilicon. Nó cũng là nền tảng của họ pin tiếp xúc mặt sau: các pin IBC, TBC, HBC và HIBC đều được xây dựng dựa trên tiếp xúc thụ động của TOPCon.
Sản xuất mô-đun PV · bởi Jerry, Ooitech
Giới thiệu về pin mặt trời TOPCon
TOPCon là bước đầu tiên trong một chuỗi tiếp xúc mặt sau dài hơn. Cách IBC, TBC, HBC và HIBC xây dựng dựa trên nó được trình bày trong Lộ trình công nghệ pin BC: từ cấu trúc đến quy trình.
TOPCon (Tunnel Oxide Passivating Contact) là công nghệ pin wafer loại N ra đời lần đầu vào năm 2013. Pin mặt trời TOPCon là pin mặt trời tiếp xúc thụ động oxit đường hầm được xây dựng trên nền tảng loại N.
So với pin PERC, pin TOPCon sử dụng một lớp oxit đường hầm với đặc tính vận chuyển điện tích tuyệt vời làm lớp vận chuyển điện tích ở mặt sau của pin. Trên lớp này, một màng polysilicon pha tạp dày khoảng 20nm được lắng đọng để tạo thành cấu trúc tiếp xúc thụ động ở mặt sau. Điều này giúp giảm hiệu quả tái hợp bề mặt và tái hợp tiếp xúc kim loại, nâng cao điện áp mạch hở và cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng.
TOPCon là công nghệ pin mặt trời tiếp xúc thụ động oxit đường hầm dựa trên nguyên lý hạt tải chọn lọc, đạt được hiệu quả thụ động hóa vượt trội.
Pin TOPCon sử dụng nền tảng loại N. Một lớp oxit mỏng được chuẩn bị ở mặt sau của pin, tiếp theo là một màng mỏng pha tạp. Cả hai cùng nhau 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 nhiều dư địa hơn để cải thiện hơn nữa hiệu suất chuyển đổi của pin N-PERT.
Công nghệ TOPCon bảo tồn và tái sử dụng thiết bị và quy trình sản xuất pin loại P thông thường hiện có ở mức tối đa. Nó chỉ yêu cầu bổ sung 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 pin và giữ độ khó sản xuất hàng loạt ở mức thấp. Dây chuyền sản xuất có tính tương thích cao và có thể vận hành song song với các dây chuyền sản xuất nhiệt độ cao dùng cho pin hai mặt PERC và N-PERT.
Pin TOPCon mang lại các ưu điểm như suy giảm thấp, tính hai mặt cao và hệ số nhiệt độ thấp, mang lại lợi ích phát điện rõ rệt ở cấp nhà máy điện đầu cuối.
Các giai đoạn phát triển của pin TOPCon
Lịch sử phát triển của pin TOPCon có thể chia thành bốn giai đoạn: giai đoạn nguyên mẫu công nghệ, giai đoạn bố trí sản phẩm, giai đoạn thương mại hóa và giai đoạn tăng trưởng bùng nổ.
Ưu điểm của pin TOPCon
Ưu điểm về hiệu suất
Hiệu suất chuyển đổi cao. Nhờ thiết kế tiếp xúc thụ động độc đáo của pin 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%, một sự cải thiện đáng kể so với pin PERC chủ đạo (hiệu suất chuyển đổi sản xuất hàng loạt hiện tại khoảng 23,5%, giới hạn lý thuyết 24,5%).
Tính hai mặt cao. Pin hai mặt TOPCon sản xuất nhiều hơn khoảng 3% điện năng trên mỗi watt so với pin hai mặt PERC. Trong cùng kịch bản nhà máy điện lắp đặt trên 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%/℃, tốt hơn mức -0,35%/℃ của mô-đun loại P, cho thấy độ ổn định tuyệt vời trong môi trường nhiệt độ cao.
Suy giảm thấp. Silicon tinh thể loại N pha tạp phốt pho có hàm lượng boron cực thấp, do đó hầu như không có tái hợp boron-oxy, mang lại lợi thế về tốc độ suy giảm. Một số mô-đun TOPCon cho thấy suy giảm năm đầu là 1% và suy giảm tuyến tính hàng năm là 0,4%, so với 2% năm đầu và 0,45% tuyến tính đối với mô-đun PERC, mang lại lợi ích phát điện trên mỗi watt trong suốt vòng đời của mô-đun.
Hiệu suất ánh sáng yếu mạnh. Pin TOPCon phản hồi 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 u ám.
Ưu điểm kinh tế
Tương thích cao với sản xuất PERC, giảm độ khó 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 giảm độ khó nâng cấp và tăng tốc việc áp dụng công nghệ TOPCon.
Chuyển đổi dây chuyền suôn sẻ với chi phí đầu tư thiết bị thấp. Xây dựng một dây chuyền TOPCon mới cần đầu tư thiết bị khoảng 200-250 triệu, trong khi một dây chuyền HJT mới cần 350-400 triệu. Vì TOPCon có tính tương thích thiết bị tốt với các dây chuyền PERC hiện có, chỉ cần bổ sung thiết bị khuếch tán boron và lắng đọng polysilicon/amorphous silicon (LPCVD / PECVD / PVD), với chi phí đầu tư thiết bị khoảng 50-70 triệu. Điều này tránh đầu tư quy mô lớn vào thiết bị mới và cải tạo dây chuyền lớn, mang lại tính kinh tế cao.
Tiềm năng giá cao cấp đáng kể. So với mô-đun PERC, mô-đun TOPCon mang lại sản lượng phát điện trên mỗi watt cao hơn, lợi ích phát điện cao hơn và chi phí hệ thống thấp hơn, tạo ra dư địa đáng kể cho giá cao cấp.
Quy trình sản xuất pin TOPCon
So với quy trình PERC đơn tinh thể, quy trình sản xuất pin 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 nhám
Mục đích: Sau khi cắt wafer, các cạnh bị hư hại, cấu trúc mạng tinh thể bị phá vỡ và tái tổ hợp bề mặt diễn ra nghiêm trọng. Việc làm sạch và tạo vân chủ yếu nhằm loại bỏ hư hại bề mặt và tạo cấu trúc bẫy sáng hình kim tự tháp trên bề mặt. Ánh sáng phản xạ nhiều lần trên bề mặt wafer, làm giảm độ phản xạ.
2. Khuếch tán Bo
Mục đích: Chức năng chính là tạo thành tiếp giáp PN. Vì bo 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, khiến việc làm sạch trở nên cồng kềnh và làm tăng chi phí bảo trì.
Khuếch tán bo thường được hoàn thành ở nhiệt độ cao hơn—trên 1000℃—và so với chu kỳ 102 phút cần cho khuếch tán phốt pho, chu kỳ khuếch tán bo mất 150 phút.
Nguyên lý:
Khí HCl và H2O sinh ra từ các phản ứng bên trong ống lò được N2 mang theo và phân bố đều khắp ống. H2O cũng phản ứng với BBr3 và O2 để tạo thành B2O3, chất này tiếp tục phản ứng để tạo thành HBO2 dạng khí; ở nhiệt độ cao HBO2 phân hủy trở lại thành B2O3, cho phép B2O3 phân bố đều khắp bề mặt pin mặt trời. Ngoài ra, H2O phản ứng với B2O3 lắng đọng bên trong ống lò, ngăn chặn sự tích tụ B2O3 trên thành ống khuếch tán, kéo dài tuổi thọ của các linh kiện thạch anh và tăng nguồn bo hiệu dụng. HCl cũng có thể phản ứng với các tạp chất kim loại trên bề mặt pin và bên trong ống để tạo thành các clorua kim loại dạng khí thoát ra cùng khí thải, ngăn không cho tạp chất kim loại khuếch tán vào pin mặt trời trong quá trình nhiệt độ cao.
3. Pha tạp bằng Laser SE
Mục đích: Tạo 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 wafer để giảm điện trở tiếp xúc giữa điện cực kim loại mặt trước và wafer, trong khi pha tạp nồng độ thấp bên ngoài các vùng điện cực làm giảm tái tổ hợp trong lớp khuếch tán. Tối ưu hóa bộ phát làm tăng dòng điện và điện áp đầu ra 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 ly 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 mức dễ làm hỏng wafer, khiến pha tạp bo trở nên khó khăn hơn. So với khuếch tán bo truyền thống, việc thêm công nghệ SE vào pin TOPCon về mặt lý thuyết có thể cải thiện hiệu suất thêm 0,5%, và trong sản xuất hàng loạt thực tế có thể đạt mức tăng hiệu suất 0,2-0,4%.
4. Khắc
Mục đích: Chức năng chính của khắc là loại bỏ BSG và tiếp giáp mặt sau. Quá trình khuếch tán tạo thành các lớp khuếch tán trên cả bề mặt wafer và các cạnh của nó; lớp khuếch tán ở cạnh dễ gây đoản mạch, và lớp khuếch tán bề mặt ảnh hưởng đến quá trình thụ động hóa tiếp theo, nên 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 mặt sau và cạnh trong thiết bị kiểu 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 1-2nm ở mặt sau, sau đó lắng đọng một lớp polysilicon 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 tuyến LPCVD, PECVD và PVD. LPCVD hiện là phương pháp chủ đạo, nhưng hiện tượng lắng đọng bao quanh nghiêm trọng, trong khi PECVD có tiềm năng mạnh về hiệu suất tổng thể.
6. Chuẩn bị màng chống phản xạ mặt sau
Mục đích: Chuẩn bị một màng thụ động hóa chống phản xạ ở mặt sau của pin để tăng khả năng hấp thụ ánh sáng. Đồng thời, các nguyên tử hydro sinh 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 mặt sau. Ngoài ra, màng nhôm oxit lắng đọng trên mặt trước rất mỏng và dễ bị hư hại trong quá trình sản xuất pin và module tiếp theo, nên SiNx mặt trước cũng bảo vệ lớp nhôm oxit.
9. In lụa - Chuyển mẫu bằng Laser
Hiện tại, hầu hết việc in pin vẫn sử dụng in lụa. Trong tương lai, về mặt giảm tiêu thụ bạc dán cho pin loại N, Pattern Transfer Printing có thể có lợi thế. Chuyển bằng laser là một loại công nghệ in không tiếp xúc mới: bạc dán cần thiết được phủ lên một vật liệu trong suốt dẻo cụ thể, và một chùm tia laser công suất cao thực hiện quét theo mẫu tốc độ cao để chuyển bạc dán từ vật liệu trong suốt dẻo lên bề mặt pin, tạo thành các đường lưới và chuẩn bị các điện cực mặt trước và mặt sau.
10. Thiêu kết
Tiếp xúc ohmic tốt được hình thành thông qua thiêu kết nhiệt độ cao.
11. Phân loại tự động
Các pin được phân loại vào các thùng theo hiệu suất chuyển đổi khác nhau của chúng.
Xu hướng phát triển tương lai của pin TOPCon
Năm 2023, hiệu suất chuyển đổi trung bình của pin TOPCon loại N đạt 25,0%, và hiệu suất chuyển đổi trung bình của pin dị tiếp giáp đạt 25,2%, cả hai đều cho thấy sự cải thiện đáng kể so với năm 2022.
Năm 2023, các dây chuyền sản xuất hàng loạt mới được đưa vào vận hành chủ yếu là các dây chuyền pin loại N. Khi công suất pin loại N dần được giải phóng, thị phần pin PERC bị thu hẹp xuống 73,0%. Pin loại N chiếm tổng cộng khoảng 26,5%, với pin TOPCon loại N khoảng 23,0%, pin dị tiếp giáp khoảng 2,6% và pin XBC khoảng 0,9%—tất cả đều tăng đáng kể so với năm 2022.
Từ năm 2024 trở đi, thị phần của pin loại N với đại diện là TOPCon sẽ vượt qua toàn diện P-type PERC, với ngành dự kiến thị phần sẽ đạt và vượt 70%.
Quan điểm của Ooitech
Ooitech tin rằng: TOPCon, một công nghệ pin tiếp xúc thụ động hóa 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 lợi ích phát điện mạnh hơn, và hiện đang trở thành xu hướng chủ đạo của ngành công nghiệp năng lượng mặt trời.
