Celda solar TOPCon: nombre completo, estructura y cómo funciona

Respuesta rápida: TOPCon significa Contacto Pasivado de Óxido de Túnel. Es una tecnología de célula solar de silicio tipo N que coloca una capa de óxido de túnel ultrafina, de alrededor de 1 a 2 nanómetros, debajo de una capa de polisilicio dopado en la superficie posterior. Esa pila hace dos cosas: pasiva la superficie posterior para que menos portadores de carga se recombinen allí, y permite que los portadores mayoritarios atraviesen por efecto túnel mientras bloquea la polaridad opuesta. El resultado es una mayor tensión de circuito abierto que PERC, y por lo tanto mayor eficiencia — la razón por la que TOPCon desplazó a PERC como la tecnología de célula industrial dominante. De forma crítica para los fabricantes, TOPCon es en gran medida compatible con la línea de equipos PERC existentes, necesitando principalmente pasos añadidos de difusión de boro, óxido de túnel y deposición de polisilicio. También es la base de la familia de contacto posterior: las células IBC, TBC, HBC y HIBC se construyen todas sobre el contacto pasivante TOPCon.

Fabricación de módulos fotovoltaicos · por Jerry, Ooitech

Introducción a las células solares TOPCon

TOPCon es el primer paso en una secuencia más larga de contacto posterior. Cómo se construyen sobre él IBC, TBC, HBC y HIBC se expone en el Hoja de ruta de la tecnología de células BC: de la estructura al proceso.

TOPCon (Contacto Pasivado de Óxido de Túnel) es una tecnología de célula de oblea tipo N que surgió por primera vez en 2013. Una célula solar TOPCon es una célula solar de contacto pasivado de óxido de túnel construida sobre un sustrato tipo N.

En comparación con las células PERC, las células TOPCon utilizan una capa de óxido de túnel con excelentes propiedades de transporte de carga como capa de transporte de carga en la parte posterior de la célula. Sobre esta, se deposita una película de polisilicio dopado de aproximadamente 20nm para formar una estructura de contacto pasivada en la cara posterior. Esto reduce eficazmente la recombinación superficial y la recombinación en el contacto metálico, eleva la tensión de circuito abierto y mejora la eficiencia de conversión de energía.

TOPCon es una tecnología de célula solar de contacto pasivado de óxido de túnel basada en el principio de portadores selectivos, que logra un efecto de pasivación superior.

La célula TOPCon utiliza un sustrato tipo N. Se prepara una capa fina de óxido en la parte posterior de la célula, seguida de una película fina dopada. Juntas, estas dos forman una estructura de contacto pasivada que reduce eficazmente la recombinación superficial y la recombinación en el contacto metálico, ofreciendo un mayor margen para mejorar aún más la eficiencia de conversión de las células N-PERT.

La tecnología TOPCon preserva y reutiliza al máximo los equipos y procesos convencionales existentes de células tipo P. Solo requiere la adición de equipos de difusión de boro y deposición de película fina, sin necesidad de apertura ni alineación en la cara posterior. Esto simplifica enormemente el proceso de producción de células y mantiene baja la dificultad de producción en masa. La línea de proceso ofrece alta compatibilidad y puede funcionar junto a las líneas de fabricación de alta temperatura utilizadas para células bifaciales PERC y N-PERT.

Las células TOPCon ofrecen las ventajas de baja degradación, alta bifacialidad y un bajo coeficiente de temperatura, entregando claras ganancias de generación de energía a nivel de la central eléctrica terminal.

Etapas de desarrollo de las células TOPCon

La historia de desarrollo de las células TOPCon se puede dividir en cuatro etapas: el período de prototipo tecnológico, período de diseño de producto, período de promoción comercial y período de crecimiento explosivo.

Ventajas de las células TOPCon

Ventajas de rendimiento

• Alta eficiencia de conversión. Gracias al diseño único de contacto pasivado de las células TOPCon, el límite teórico de eficiencia alcanza hasta el 28,7%. Los principales fabricantes de TOPCon ya han logrado eficiencias de producción en masa superiores al 25,5%, una mejora significativa sobre las células PERC convencionales (eficiencia de conversión actual en producción en masa alrededor del 23,5%, límite teórico 24,5%).

• Alta bifacialidad. Las células bifaciales TOPCon producen alrededor de un 3% más de potencia por vatio que las células bifaciales PERC. En el mismo escenario de central eléctrica montada en suelo, esto entrega mayores ganancias de generación de energía.

• Bajo coeficiente de temperatura. El coeficiente de temperatura de los módulos TOPCon tipo N es tan bajo como -0,30%/℃, mejor que el -0,35%/℃ de los módulos tipo P, mostrando una excelente estabilidad en entornos de alta temperatura.

• Baja degradación. El silicio cristalino tipo N dopado con fósforo contiene un contenido de boro extremadamente bajo, por lo que esencialmente no hay recombinación boro-oxígeno, lo que le da una ventaja en la tasa de degradación. Algunos módulos TOPCon muestran una degradación del primer año del 1% y una degradación anual lineal del 0,4%, en comparación con el 2% del primer año y el 0,45% lineal de los módulos PERC, aportando una ganancia de generación de energía por vatio a lo largo del ciclo de vida del módulo.

• Fuerte rendimiento con poca luz. Las células TOPCon responden bien tanto a longitudes de onda cortas como largas, manteniendo una excelente capacidad de generación de energía en condiciones de poca luz, como temprano en la mañana, al atardecer y con clima nublado.

Ventajas económicas

• Alta compatibilidad con la fabricación PERC, lo que reduce la dificultad de las actualizaciones tecnológicas. TOPCon puede extenderse a partir de la tecnología de proceso PERC, requiriendo solo cuatro pasos adicionales: preparar el emisor de boro, hacer crecer la capa de óxido de túnel, depositar y dopar el polisilicio, y limpieza posterior a la difusión. Esto reduce la dificultad de la actualización y acelera la adopción de la tecnología TOPCon.

• Conversión de línea fluida con bajo costo de inversión en equipos. Construir una nueva línea TOPCon requiere una inversión en equipos de aproximadamente 200-250 millones, mientras que una nueva línea HJT requiere 350-400 millones. Debido a que TOPCon ofrece una buena compatibilidad de equipos con las líneas PERC existentes, solo se necesita añadir equipos de difusión de boro y deposición de polisilicio/silicio amorfo (LPCVD / PECVD / PVD), con una inversión en equipos de aproximadamente 50-70 millones. Esto evita una inversión a gran escala en nuevos equipos y grandes adaptaciones de línea, lo que lo hace altamente económico.

• Potencial significativo de prima de precio. Comparados con los módulos PERC, los módulos TOPCon ofrecen una mayor generación de energía por vatio, mayores ganancias de generación y menores costos del sistema, lo que crea un margen sustancial para una prima de precio.

Proceso de fabricación de células TOPCon

En comparación con los procesos de PERC monocristalino, el proceso de producción de células TOPCon añade de 2 a 3 pasos adicionales: deposición de la capa de óxido túnel (SiO2 ultrafino, 1-2nm), deposición de la capa de pasivación de polisilicio intrínseco (60-100nm) e implantación de fósforo.

Principales pasos del proceso y sus funciones

1. Limpieza y texturizado

Propósito: Después del corte de la oblea, los bordes están dañados, la estructura de la red cristalina está rota y la recombinación superficial es severa. La limpieza y el texturizado tienen como objetivo principal eliminar el daño superficial y formar una estructura piramidal de atrapamiento de luz en la superficie. La luz se refleja múltiples veces en la superficie de la oblea, reduciendo la reflectancia.

2. Difusión de boro

Propósito: La función principal es formar la unión PN. Debido a que el boro tiene una baja solubilidad sólida en el silicio, se requieren altas temperaturas y tiempos más prolongados para la difusión. La elección de la fuente de difusión también afecta la producción: los cloruros son corrosivos, mientras que los bromuros son viscosos, lo que dificulta la limpieza y aumenta los costos de mantenimiento.

La difusión de boro generalmente se completa a temperaturas más altas—por encima de 1000℃—y en comparación con el ciclo de 102 minutos requerido para la difusión de fósforo, el ciclo de difusión de boro toma 150 minutos.

Principio:

El HCl y H2O gaseosos generados por las reacciones dentro del tubo del horno son transportados por N2 y distribuidos uniformemente a lo largo del tubo. El H2O también reacciona con BBr3 y O2 para formar B2O3, que reacciona posteriormente para formar HBO2 gaseoso; a altas temperaturas, el HBO2 se descompone de nuevo en B2O3, lo que permite que el B2O3 se distribuya uniformemente sobre la superficie de la célula solar. Además, el H2O reacciona con el B2O3 depositado dentro del tubo del horno, evitando la acumulación de B2O3 en las paredes del tubo de difusión, prolongando la vida útil de los componentes de cuarzo y aumentando la fuente efectiva de boro. El HCl también puede reaccionar con impurezas metálicas en la superficie de la célula y dentro del tubo para formar cloruros metálicos gaseosos que salen con el gas de escape, evitando que las impurezas metálicas se difundan hacia la célula solar durante el proceso a alta temperatura.

3. Dopaje por láser SE

Propósito: Formar un emisor selectivo. Se aplica un dopaje de alta concentración en y cerca de las áreas de contacto entre las líneas de rejilla metálicas y la oblea para reducir la resistencia de contacto entre el electrodo metálico frontal y la oblea, mientras que el dopaje de baja concentración fuera de las áreas de los electrodos reduce la recombinación en la capa de difusión. La optimización del emisor aumenta la corriente y el voltaje de salida de la célula solar, mejorando así la eficiencia de conversión fotovoltaica.

Dónde se ubica el láser en el flujo de TOPCon: el SE de PERC utiliza dopaje con fósforo, mientras que el SE de TOPCon utiliza dopaje con boro. Debido a que el boro y el fósforo tienen diferentes coeficientes de segregación, el fósforo se difunde más fácilmente desde el dióxido de silicio hacia el silicio, mientras que el boro es más difícil de introducir y requiere más energía. Sin embargo, la energía láser excesiva daña fácilmente la oblea, lo que hace que el dopaje con boro sea más desafiante. En comparación con la difusión de boro tradicional, añadir la tecnología SE a las células TOPCon puede mejorar teóricamente la eficiencia en un 0.5%, y en la producción en masa real puede lograr una ganancia de eficiencia de 0.2-0.4%.

4. Grabado

Propósito: La función principal del grabado es eliminar el BSG y la unión trasera. El proceso de difusión forma capas de difusión tanto en la superficie de la oblea como en sus bordes; la capa de difusión del borde causa fácilmente cortocircuitos, y la capa de difusión superficial afecta la pasivación posterior, por lo que ambas deben eliminarse. Actualmente, el grabado se realiza principalmente con métodos húmedos, eliminando las capas de difusión trasera y de borde en equipos de tipo cadena antes de procesar el lado frontal.

5. Preparación de la capa de óxido túnel y la capa de polisilicio

Propósito: Depositar una capa de óxido túnel de 1-2nm en la parte posterior, luego depositar una capa de polisilicio de 60-100nm para formar la estructura de pasivación. Existen varios métodos para preparar la capa de pasivación de TOPCon, principalmente las rutas LPCVD, PECVD y PVD. LPCVD es actualmente el método predominante, pero la deposición envolvente es severa, mientras que PECVD ofrece un fuerte potencial en el rendimiento general.

6. Preparación de la película antirreflectante trasera

Propósito: Preparar una película de pasivación antirreflectante en la parte posterior de la célula para aumentar la absorción de luz. Al mismo tiempo, los átomos de hidrógeno generados durante el proceso de formación de la película de SiNx pasivan la oblea.

7. Deposición de óxido de aluminio en el lado frontal

Propósito: Depositar una capa de película de óxido de aluminio en la parte frontal de la oblea, que junto con otras películas forma el efecto de pasivación frontal.

8. Preparación de la película antirreflectante frontal

Propósito: La película antirreflectante frontal funciona esencialmente de la misma manera que la trasera. Además, la película de óxido de aluminio depositada en la parte frontal es muy delgada y se daña fácilmente durante la fabricación posterior de células y módulos, por lo que el SiNx frontal también protege el óxido de aluminio.

9. Serigrafía - Transferencia de patrón por láser

Actualmente, la mayoría de la impresión de células todavía utiliza serigrafía. En el futuro, en términos de reducir el consumo de pasta de plata para células tipo N, la impresión por transferencia de patrón puede tener la ventaja. La transferencia por láser es un nuevo tipo de tecnología de impresión sin contacto: la pasta requerida se recubre sobre un material transparente flexible específico, y un haz láser de alta potencia realiza un escaneo patronado de alta velocidad para transferir la pasta desde el material transparente flexible a la superficie de la célula, formando las líneas de rejilla y preparando los electrodos frontal y trasero.

10. Sinterización

Se forma un buen contacto óhmico mediante sinterización a alta temperatura.

11. Clasificación automática

Las células se clasifican en contenedores según sus diferentes eficiencias de conversión.

Tendencias futuras de desarrollo de las células TOPCon

En 2023, la eficiencia de conversión promedio de las células TOPCon tipo N alcanzó el 25.0%, y la eficiencia de conversión promedio de las células de heterounión alcanzó el 25.2%, ambas mostrando mejoras significativas respecto a 2022.

En 2023, las líneas de producción en masa recién puestas en marcha fueron principalmente líneas de células de tipo N. A medida que la capacidad de células de tipo N se liberó gradualmente, la cuota de mercado de las células PERC se comprimió al 73,0%. Las células de tipo N representaron un total combinado de aproximadamente el 26,5%, con las células TOPCon de tipo N en alrededor del 23,0%, las células de heterounión en aproximadamente el 2,6% y las células XBC en alrededor del 0,9%, todos ellos aumentos sustanciales respecto a 2022.

A partir de 2024, la cuota de células de tipo N representada por TOPCon superará de manera integral a las PERC de tipo P, y el sector espera que la cuota alcance y supere el 70%.

La perspectiva de Ooitech

Ooitech cree: TOPCon, una tecnología de células de contacto pasivado con óxido de túnel de tipo N que se basa en las líneas PERC existentes, ofrece mayor eficiencia, menor degradación y mayores ganancias de generación de energía, y ahora se está convirtiendo en la corriente principal de la industria solar.