Introducción a las células solares TOPCon

TOPCon (Contacto Pasivado por 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 por 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 20 nm para formar una estructura de contacto pasivado en la parte trasera. Esto reduce eficazmente la recombinación superficial y la recombinación del contacto metálico, eleva el voltaje de circuito abierto y mejora la eficiencia de conversión de energía.

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

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

La tecnología TOPCon conserva y reutiliza en la mayor medida posible los equipos y procesos convencionales existentes para células P. Solo requiere la adición de equipos de difusión de boro y deposición de películas delgadas, sin necesidad de apertura o alineación en la parte 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 con 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, proporcionando claras ganancias de generación de energía a nivel de la central eléctrica terminal.

Etapas de desarrollo de las células TOPCon

La historia del 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 de eficiencia teórica 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 en comparación con las células PERC convencionales (eficiencia de conversión actual en producción en masa alrededor del 23.5%, límite teórico del 24.5%).

• Alta bifacialidad. Las células bifaciales TOPCon producen aproximadamente un 3% más de potencia por vatio que las células bifaciales PERC. En el mismo escenario de una central eléctrica montada en el suelo, esto proporciona 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%/°C, mejor que el -0.35%/°C 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 extremadamente bajo de boro, por lo que esencialmente no hay recombinación de 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 lineal anual del 0.4%, en comparación con el 2% en el primer año y el 0.45% lineal de los módulos PERC, lo que genera una ganancia de generación de energía por vatio durante el ciclo de vida del módulo.

• Fuerte rendimiento en condiciones de 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 al amanecer, al atardecer y en días nublados.

Ventajas Económicas

• Alta compatibilidad con la fabricación PERC, reduciendo la dificultad de las actualizaciones tecnológicas. TOPCon puede extenderse a partir de la tecnología de proceso PERC, requiriendo solo cuatro pasos adicionales: preparación del emisor de boro, crecimiento de la capa de óxido túnel, deposición y dopaje de polisilicio, y limpieza post-difusión. Esto reduce la dificultad de la actualización y acelera la adopción de la tecnología TOPCon.

• Conversión de línea suave 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 buena compatibilidad de equipos con las líneas PERC existentes, solo es necesario agregar 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 inversiones a gran escala en nuevos equipos y grandes modificaciones de línea, lo que lo hace altamente económico.

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

Proceso de Fabricación de Células TOPCon

En comparación con los procesos de células PERC monocristalinas, 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.

Pasos Principales 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 de atrapamiento de luz piramidal en la superficie. La luz se refleja múltiples veces a través de 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 silicio, se requieren altas temperaturas y tiempos más largos 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 °C, 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 gaseoso y el H2O generados por las reacciones dentro del tubo del horno son transportados por N2 y distribuidos uniformemente por todo el tubo. El H2O también reacciona con BBr3 y O2 para formar B2O3, que reacciona aún más para formar HBO2 gaseoso; a altas temperaturas, el HBO2 se descompone nuevamente en B2O3, permitiendo 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 en la célula solar durante el proceso de alta temperatura.

3. Dopado Láser SE

Propósito: Formar un emisor selectivo. Se aplica dopado 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 dopado de baja concentración fuera de las áreas de electrodo reduce la recombinación en la capa de difusión. Optimizar el emisor aumenta la corriente de salida y el voltaje de la célula solar, mejorando así la eficiencia de conversión fotoeléctrica.

Donde se sitúa el láser en el flujo TOPCon: PERC SE utiliza dopaje con fósforo, mientras que TOPCon SE 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 excesiva del láser daña fácilmente la oblea, lo que hace que el dopaje con boro sea más desafiante. En comparación con la difusión tradicional de boro, agregar tecnología SE a las células TOPCon puede mejorar teóricamente la eficiencia en un 0.5%, y en la producción en masa real se puede lograr una ganancia de eficiencia del 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 en el 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 la parte frontal.

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

Propósito: Depositar una capa de óxido túnel de 1-2 nm en la parte posterior, luego depositar una capa de polisilicio de 60-100 nm para formar la estructura de pasivación. Existen varios métodos para preparar la capa de pasivación TOPCon, principalmente las rutas LPCVD, PECVD y PVD. LPCVD es actualmente la tecnología dominante, 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 la formación de la película de SiNx pasivan la oblea.

7. Deposición de óxido de aluminio en la parte 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 láser

Actualmente, la mayoría de la impresión de celdas todavía utiliza serigrafía. En el futuro, en términos de reducir el consumo de pasta de plata para celdas tipo N, la impresión por transferencia de patrón puede tener ventaja. La transferencia láser es una nueva 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 de patrón de alta velocidad para transferir la pasta del material transparente flexible a la superficie de la celda, 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 celdas se clasifican en contenedores según sus diferentes eficiencias de conversión.

Tendencias de Desarrollo Futuro de las Celdas TOPCon

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

En 2023, las líneas de producción en masa recién comisionadas fueron principalmente líneas de celdas tipo N. A medida que la capacidad de celdas tipo N se liberó gradualmente, la participación de mercado de las celdas PERC se comprimió al 73.0%. Las celdas tipo N representaron un total combinado de aproximadamente el 26.5%, con celdas TOPCon tipo N alrededor del 23.0%, celdas de heterounión alrededor del 2.6% y celdas XBC alrededor del 0.9%, todos aumentos sustanciales respecto a 2022.

A partir de 2024, la participación de las celdas tipo N representadas por TOPCon superará completamente a las P-type PERC, y la industria espera que la participación alcance y supere el 70%.

Perspectiva de Ooitech

Ooitech cree: TOPCon, una tecnología de celda de contacto pasivado por óxido de túnel 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.