Cellule solaire TOPCon : forme complète, structure et fonctionnement

Réponse rapide : TOPCon signifie Tunnel Oxide Passivated Contact. Il s'agit d'une technologie de cellule solaire en silicium de type N qui place une couche d'oxyde tunnel ultra-fine, d'environ 1 à 2 nanomètres, sous une couche de polysilicium dopé sur la face arrière. Cet empilement fait deux choses : il passive la face arrière afin que moins de porteurs de charge s'y recombinent, et il laisse les porteurs majoritaires traverser par effet tunnel tout en bloquant la polarité opposée. Le résultat est une tension en circuit ouvert plus élevée que celle du PERC, et donc un meilleur rendement — la raison pour laquelle le TOPCon a détrôné le PERC comme technologie de cellule industrielle dominante. Point crucial pour les fabricants, le TOPCon est largement compatible avec les équipements PERC existants, nécessitant principalement l'ajout d'étapes de diffusion du bore, de dépôt d'oxyde tunnel et de polysilicium. Il constitue également la base de la famille des cellules à contacts arrière : les cellules IBC, TBC, HBC et HIBC reposent toutes sur le contact passivant TOPCon.

Fabrication de modules PV · par Jerry, Ooitech

Introduction aux cellules solaires TOPCon

TOPCon est la première étape d'une séquence plus longue de contacts arrière. La manière dont IBC, TBC, HBC et HIBC s'appuient sur celle-ci est exposée dans le Feuille de route technologique des cellules BC : de la structure au procédé.

TOPCon (contact passivé par oxyde tunnel) est une technologie de cellule sur plaquette de type N apparue pour la première fois en 2013. Une cellule solaire TOPCon est une cellule solaire à contact passivé par oxyde tunnel construite sur un substrat de type N.

Par rapport aux cellules PERC, les cellules TOPCon utilisent une couche d'oxyde tunnel avec d'excellentes propriétés de transport de charge comme couche de transport de charge à l'arrière de la cellule. Par-dessus, un film de polysilicium dopé d'environ 20 nm est déposé pour former une structure de contact passivé sur la face arrière. Cela réduit efficacement la recombinaison en surface et la recombinaison au contact métallique, augmente la tension en circuit ouvert et améliore l'efficacité de conversion d'énergie.

TOPCon est une technologie de cellule solaire à contact passivé par oxyde tunnel basée sur le principe des porteurs sélectifs, obtenant un effet de passivation supérieur.

La cellule TOPCon utilise un substrat de type N. Une fine couche d'oxyde est préparée à l'arrière de la cellule, suivie d'un film mince dopé. Ensemble, ils forment une structure de contact passivé qui réduit efficacement la recombinaison en surface et la recombinaison au contact métallique, offrant une plus grande marge pour améliorer encore l'efficacité de conversion des cellules N-PERT.

La technologie TOPCon préserve et réutilise dans une large mesure les équipements et procédés conventionnels de cellules de type P existants. Elle nécessite uniquement l'ajout d'équipements de diffusion de bore et de dépôt de couches minces, sans avoir besoin d'ouverture ou d'alignement sur la face arrière. Cela simplifie considérablement le processus de production des cellules et maintient la difficulté de production en masse à un niveau faible. La ligne de procédé offre une grande compatibilité et peut fonctionner en parallèle avec les lignes de fabrication à haute température utilisées pour les cellules bifaciales PERC et N-PERT.

Les cellules TOPCon offrent les avantages de faible dégradation, haute bifacialité et faible coefficient de température, offrant des gains de production d'énergie clairs au niveau de la centrale électrique terminale.

Étapes de développement des cellules TOPCon

L'histoire du développement des cellules TOPCon peut être divisée en quatre étapes : la période de prototype technologique, période de positionnement produit, période de promotion commerciale et période de croissance explosive.

Avantages des cellules TOPCon

Avantages de performance

• Haute efficacité de conversion. Grâce à la conception unique de contact passivé des cellules TOPCon, la limite d'efficacité théorique atteint jusqu'à 28,7 %. Les principaux fabricants de TOPCon ont déjà atteint des efficacités de production en masse supérieures à 25,5 %, une amélioration significative par rapport aux cellules PERC dominantes (efficacité de conversion en production en masse actuelle d'environ 23,5 %, limite théorique de 24,5 %).

• Haute bifacialité. Les cellules bifaciales TOPCon produisent environ 3 % de puissance en plus par watt que les cellules PERC bifaciales. Dans le même scénario de centrale au sol, cela offre des gains de production d'énergie plus élevés.

• Faible coefficient de température. Le coefficient de température des modules TOPCon de type N est aussi bas que -0,30 %/℃, meilleur que le -0,35 %/℃ des modules de type P, montrant une excellente stabilité dans les environnements à haute température.

• Faible dégradation. Le silicium cristallin de type N dopé au phosphore contient une teneur en bore extrêmement faible, donc il n'y a essentiellement pas de recombinaison bore-oxygène, ce qui lui donne un avantage en termes de taux de dégradation. Certains modules TOPCon montrent une dégradation de première année de 1 % et une dégradation linéaire annuelle de 0,4 %, par rapport à 2 % la première année et 0,45 % linéaire pour les modules PERC, apportant un gain de production d'énergie par watt sur le cycle de vie du module.

• Performances solides en conditions de faible luminosité. Les cellules TOPCon répondent bien aux longueurs d'onde courtes et longues, conservant une excellente capacité de production d'énergie dans des conditions de faible luminosité telles que tôt le matin, en soirée et par temps couvert.

Avantages économiques

• Haute compatibilité avec la fabrication PERC, réduisant la difficulté des mises à niveau technologiques. TOPCon peut être étendu à partir de la technologie de processus PERC, nécessitant seulement quatre étapes supplémentaires : préparation de l'émetteur de bore, croissance de la couche d'oxyde tunnel, dépôt et dopage du polysilicium, et nettoyage post-diffusion. Cela réduit la difficulté de mise à niveau et accélère l'adoption de la technologie TOPCon.

• Conversion de ligne fluide avec un faible coût d'investissement en équipement. La construction d'une nouvelle ligne TOPCon nécessite un investissement en équipement d'environ 200 à 250 millions, tandis qu'une nouvelle ligne HJT nécessite 350 à 400 millions. Parce que TOPCon offre une bonne compatibilité d'équipement avec les lignes PERC existantes, seuls les équipements de diffusion de bore et de dépôt de polysilicium/silicium amorphe (LPCVD / PECVD / PVD) doivent être ajoutés, avec un investissement en équipement d'environ 50 à 70 millions. Cela évite un investissement à grande échelle dans de nouveaux équipements et des rénovations majeures de lignes, ce qui le rend très économique.

• Potentiel de prime de prix significatif. Par rapport aux modules PERC, les modules TOPCon offrent une production d'énergie plus élevée par watt, des gains de production plus élevés et des coûts système plus faibles, créant une marge substantielle pour une prime de prix.

Processus de fabrication des cellules TOPCon

Par rapport aux processus PERC monocristallins, le processus de production de cellules TOPCon ajoute 2 à 3 étapes supplémentaires : dépôt de la couche d'oxyde tunnel (SiO2 ultra-mince, 1-2nm), dépôt de la couche de passivation en polysilicium intrinsèque (60-100nm), et implantation de phosphore.

Principales étapes du processus et leurs fonctions

1. Nettoyage et texturation

Objectif : Après la découpe de la plaquette, les bords sont endommagés, la structure du réseau cristallin est brisée et la recombinaison de surface est sévère. Le nettoyage et la texturation visent principalement à éliminer les dommages de surface et à former une structure de piégeage de lumière pyramidale à la surface. La lumière se réfléchit plusieurs fois sur la surface de la plaquette, réduisant la réflectance.

2. Diffusion de bore

Objectif : La fonction principale est de former la jonction PN. Étant donné que le bore a une faible solubilité solide dans le silicium, des températures élevées et des durées plus longues sont nécessaires pour la diffusion. Le choix de la source de diffusion affecte également la production : les chlorures sont corrosifs, tandis que les bromures sont visqueux, ce qui rend le nettoyage fastidieux et augmente les coûts de maintenance.

La diffusion du bore est généralement effectuée à des températures élevées—au-dessus de 1000℃—et par rapport au cycle de 102 minutes requis pour la diffusion du phosphore, le cycle de diffusion du bore prend 150 minutes.

Principe :

Le HCl gazeux et le H2O générés par les réactions à l'intérieur du tube de four sont transportés par N2 et répartis uniformément dans tout le tube. H2O réagit également avec BBr3 et O2 pour former B2O3, qui réagit ensuite pour former du HBO2 gazeux ; à haute température, HBO2 se décompose en B2O3, permettant à B2O3 de se répartir uniformément sur la surface de la cellule solaire. De plus, H2O réagit avec B2O3 déposé à l'intérieur du tube de four, empêchant l'accumulation de B2O3 sur les parois du tube de diffusion, prolongeant la durée de vie des composants en quartz et augmentant la source de bore efficace. HCl peut également réagir avec les impuretés métalliques sur la surface de la cellule et à l'intérieur du tube pour former des chlorures métalliques gazeux qui sortent avec les gaz d'échappement, empêchant les impuretés métalliques de diffuser dans la cellule solaire pendant le processus à haute température.

3. Dopage laser SE

Objectif : Former un émetteur sélectif. Un dopage à haute concentration est appliqué au niveau et à proximité des zones de contact entre les grilles métalliques et la plaquette pour réduire la résistance de contact entre l'électrode métallique avant et la plaquette, tandis qu'un dopage à faible concentration en dehors des zones d'électrode réduit la recombinaison dans la couche de diffusion. L'optimisation de l'émetteur augmente le courant de sortie et la tension de la cellule solaire, améliorant ainsi l'efficacité de conversion photovoltaïque.

Où se situe le laser dans le flux TOPCon : le PERC SE utilise un dopage au phosphore, tandis que le TOPCon SE utilise un dopage au bore. Comme le bore et le phosphore ont des coefficients de ségrégation différents, le phosphore diffuse plus facilement du dioxyde de silicium vers le silicium, tandis que le bore est plus difficile à pousser et nécessite plus d'énergie. Cependant, une énergie laser excessive endommage facilement la plaquette, ce qui rend le dopage au bore plus difficile. Comparé à la diffusion traditionnelle au bore, l'ajout de la technologie SE aux cellules TOPCon peut théoriquement améliorer le rendement de 0,5 %, et en production de masse réelle, il peut atteindre un gain de rendement de 0,2 à 0,4 %.

4. Gravure

Objectif : La fonction principale de la gravure est d'éliminer le BSG et la jonction arrière. Le processus de diffusion forme des couches de diffusion sur la surface de la plaquette et sur ses bords ; la couche de diffusion sur les bords provoque facilement des courts-circuits, et la couche de diffusion en surface affecte la passivation ultérieure, donc les deux doivent être éliminées. La gravure est actuellement principalement réalisée par des méthodes humides, éliminant les couches de diffusion arrière et de bord dans un équipement en chaîne avant de traiter la face avant.

5. Préparation de la couche d'oxyde tunnel et de la couche de polysilicium

Objectif : Déposer une couche d'oxyde tunnel de 1 à 2 nm sur la face arrière, puis déposer une couche de polysilicium de 60 à 100 nm pour former la structure de passivation. Il existe plusieurs méthodes pour préparer la couche de passivation TOPCon, principalement les voies LPCVD, PECVD et PVD. Le LPCVD est actuellement le plus courant, mais le dépôt enveloppant est sévère, tandis que le PECVD offre un fort potentiel en termes de performance globale.

6. Préparation du film antireflet arrière

Objectif : Préparer un film de passivation antireflet sur la face arrière de la cellule pour augmenter l'absorption de la lumière. En même temps, les atomes d'hydrogène générés lors de la formation du film SiNx passivent la plaquette.

7. Dépôt d'oxyde d'aluminium sur la face avant

Objectif : Déposer une couche de film d'oxyde d'aluminium sur la face avant de la plaquette, qui, avec d'autres films, forme l'effet de passivation avant.

8. Préparation du film antireflet avant

Objectif : Le film antireflet avant fonctionne essentiellement de la même manière que celui de l'arrière. De plus, le film d'oxyde d'aluminium déposé sur la face avant est très mince et facilement endommagé lors de la fabrication ultérieure des cellules et des modules, donc le SiNx avant protège également l'oxyde d'aluminium.

9. Sérigraphie - Transfert de motif laser

Actuellement, la plupart des impressions de cellules utilisent encore la sérigraphie. À l'avenir, en ce qui concerne la réduction de la consommation de pâte d'argent pour les cellules de type N, l'impression par transfert de motif pourrait présenter un avantage. Le transfert laser est une nouvelle technologie d'impression sans contact : la pâte requise est appliquée sur un matériau transparent flexible spécifique, et un faisceau laser de haute puissance effectue un balayage à motifs à grande vitesse pour transférer la pâte du matériau transparent flexible à la surface de la cellule, formant ainsi les lignes de grille et préparant les électrodes avant et arrière.

10. Frittage

Un bon contact ohmique est formé par frittage à haute température.

11. Tri automatique

Les cellules sont triées dans des bacs en fonction de leurs différentes efficacités de conversion.

Tendances de développement futures des cellules TOPCon

En 2023, l'efficacité de conversion moyenne des cellules TOPCon de type N a atteint 25,0 %, et l'efficacité de conversion moyenne des cellules à hétérojonction a atteint 25,2 %, toutes deux montrant des améliorations significatives par rapport à 2022.

En 2023, les lignes de production de masse nouvellement mises en service étaient principalement des lignes de cellules de type N. Alors que la capacité des cellules de type N était progressivement libérée, la part de marché des cellules PERC a été comprimée à 73,0 %. Les cellules de type N représentaient au total environ 26,5 %, avec les cellules TOPCon de type N à environ 23,0 %, les cellules à hétérojonction à environ 2,6 % et les cellules XBC à environ 0,9 %—toutes en augmentation substantielle par rapport à 2022.

À partir de 2024, la part des cellules de type N représentées par TOPCon surpassera complètement le PERC de type P, l'industrie s'attendant à ce que la part atteigne et dépasse 70 %.

Perspective d'Ooitech

Ooitech estime : TOPCon, une technologie de cellules à contact passivé à oxyde tunnel de type N qui s'appuie sur les lignes PERC existantes, offre une efficacité plus élevée, une dégradation plus faible et des gains de production d'énergie plus forts, et devient désormais le courant dominant de l'industrie solaire.