誕生于2013年TOPCon(隧穿氧化層鈍化接觸，Tunnel Oxide Passivated Contact)技術(shù)在實驗室研究和小批量示范9年后，終于迎來高光時刻。據(jù)行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，2022年n型TOPCon電池規(guī)劃產(chǎn)能超過60GW，預(yù)估出貨約15GW以上。
“每一種太陽電池結(jié)構(gòu)都有其自身能到達的效率極限，技術(shù)迭代是歷史必然。從鈍化原理可能達到的最高電池效率與目前光伏電池設(shè)備供應(yīng)鏈生態(tài)成熟度來看，n型TOPCon電池技術(shù)大規(guī)模量產(chǎn)時機已經(jīng)成熟。”一道新能CTO宋登元博士介紹。
資料來源：一道新能 宋登元
面對行業(yè)升級的機遇，光伏新一線品牌企業(yè)一道新能不僅在研發(fā)方面走在行業(yè)前列，TOPCon電池實驗室效率突破25.5%;在產(chǎn)業(yè)化方面，也已建成6GW的n型產(chǎn)能， TOPCon電池量產(chǎn)效率突破24.6%。預(yù)計今年底一道新能n型產(chǎn)能將達到20GW，位列TOPCon技術(shù)的企業(yè)第一梯隊。2022年是n型TOPCon技術(shù)元年。宋登元博士認為，五大因素決定了TOPCon技術(shù)元年到來，首先2022年電池規(guī)劃產(chǎn)能60GW+、出貨量10GW+，這么大的出貨量足以推動成本的快速下降;二是TOPCon可以兼容現(xiàn)有的PERC產(chǎn)線設(shè)備，工藝成熟，容易進行技術(shù)升級;三是PERC的已有人才儲備、關(guān)鍵設(shè)備成熟能夠支撐技術(shù)的迭代;四是投資成本相較于其他n型電池技術(shù)更具有經(jīng)濟性，新產(chǎn)線投資約2.1億元/GW ，PERC升級TOPCon需要0.3~0.5億左右;五是TOPCon電池理論效率高達28.7%，TOPCon量產(chǎn)效率有很大提升空間。
資料來源：一道新能 宋登元
宋登元博士介紹，晶硅電池的效率提升是以采用新鈍化技術(shù)為特征的。TOPCon具有完美鈍化原理，載流子的選擇率高，接觸電阻低，是目前產(chǎn)業(yè)升級完美技術(shù)路線。TOPCon電子選擇性材料SiOx/n+ Poly-Si與空穴選擇性材料SiOx/p+ Poly-Si結(jié)合的載流子的選擇性可以達到13.8-14.2，高于電子選擇性材料a-Si：H(i)/a-Si：H(n+)與空穴選擇性材料a-Si：H(i)/a-Si：H(p+)結(jié)合的電池(HJT)的13.2;雙面TOPCon具有更加高的效率極限(28.3%-28.7%)，高于HJT的27.5%極限效率，同時也遠遠高于PERC電池24.5%的極限效率，最接近晶硅太陽能電池理論極限效率(29.43%)。行業(yè)主流TOPCon廠商量產(chǎn)效率已經(jīng)突破24.5%，高于PERC電池極限效率，具備強大的生命力。
資料來源：R. Brendel等2019年Silicon PV
資料來源：三峽資本 鄭海軍
TOPCon電池與PERC電池工藝兼容性好(上圖為PERC與TOPCon工藝流程對比)。TOPCon在傳統(tǒng)PERC工藝上疊加，步驟達12-13步。首先制備TOPCon電池，增加了硼擴散工藝，然后背面制備SiO/Poly-Si鈍化接觸結(jié)構(gòu)。目前有三種方法制備鈍化接觸，最常用的是LPCVD沉積非摻雜的多晶硅，然后通過磷擴散對多晶硅進行摻雜，最后通過PECVD技術(shù)在前后表面制備鈍化層和減反膜，以及絲網(wǎng)印刷制備電極結(jié)構(gòu)。設(shè)備方面，TOPCon相比PERC核心增加了硼擴爐(進行硼擴散)、LPCVD或PECVD(SiO+多晶硅)設(shè)備，同時去除了前道SE、后道開槽兩道激光設(shè)備，在現(xiàn)有PERC產(chǎn)線基礎(chǔ)上增加0.3-0.5億元/GW即可完成技術(shù)升級。宋登元博士介紹，TOPCon設(shè)備具有較高的成熟度、可以在現(xiàn)有的產(chǎn)線進行技術(shù)升級、具備大量的工藝設(shè)備研發(fā)人員以一線熟練工人的人才儲備，這些都是TOPCon技術(shù)快速擴充產(chǎn)能的優(yōu)勢所在。在PERC技術(shù)升級為TOPCon的核心工藝步驟中，拉普拉斯、北方華創(chuàng)、捷佳偉創(chuàng)、微導(dǎo)等多家國內(nèi)設(shè)備企業(yè)都推出了各自的技術(shù)方案，關(guān)鍵設(shè)備已經(jīng)實現(xiàn)國產(chǎn)化，這也是推進該種技術(shù)快速發(fā)展重要因素之一。
TOPCon電池設(shè)備及重點國內(nèi)企業(yè)
來源：TaiyangNews，有刪減
目前TOPCon電池有三種不同的工業(yè)化工藝流程，分別為：LPCVD制備多晶硅膜結(jié)合傳統(tǒng)的磷擴散工藝;LPCVD制備多晶硅膜結(jié)合離子注入磷工藝;PECVD制備多晶硅膜并原位摻雜工藝;PVD制備多晶硅膜并原位摻雜工藝，其中LPCVD技術(shù)工藝成熟且已實現(xiàn)量產(chǎn)，并且設(shè)備國產(chǎn)化完善，但繞鍍、成膜速度慢等仍為目前工藝主要問題。光伏企業(yè)基于自身的技術(shù)積累，選擇了不同的技術(shù)路線進行攻關(guān)，一道新能、晶科以LPCVD為主，通威以PECVD、PEALD為主。LPCVD技術(shù)路線全稱為低壓化學(xué)氣相沉積法，該技術(shù)優(yōu)點是工藝成熟、集成度高，成膜質(zhì)量好，裝備產(chǎn)能大，控制簡單容易;但難于鍍膜速度慢，成膜率低，同時存在二次摻雜、繞鍍、石英件沉積嚴重等問題。LPCVD技術(shù)是各技術(shù)路線中被最廣為接受，也是唯一大規(guī)模商業(yè)化的技術(shù)。PECVD、PEALD、PVD也是目前研究的重點方向，且取得進展。“繞鍍問題解決，TOPCon電池降本超乎預(yù)期。”據(jù)業(yè)內(nèi)人士介紹， TOPCon電池材料匹配性好，原材料和關(guān)鍵裝備無卡脖子的問題，TOPCon技術(shù)韌性十足。
一道新能在TOPCon電池提效降本方面利用先發(fā)優(yōu)勢持續(xù)研發(fā)投入，加大探索與攻關(guān)力度，取得了重大進展與突破。大部分公司的TOPCon良率在90%-95%之間，與PERC電池98%的良率相比仍有一定差距，一道新能持續(xù)進行LPCVD設(shè)備優(yōu)化和工藝革新，在漸變膜技術(shù)、超薄多晶硅技術(shù)、超細線圖形設(shè)計取得突破，提升效率的同時進一步保證產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。通過工藝優(yōu)化和精細化管控，控制超薄氧化層和多晶硅層的均勻性，優(yōu)化硼擴散條件，控制硅片氧含量，一道新能n型電池良率可以達到與PERC接近的水平。為進一步提升效率，一道新能正在研發(fā)可量產(chǎn)的低復(fù)合的表面摻雜技術(shù)、降低多晶硅層光寄生吸收技術(shù)，以取得更低的接觸電阻率和J0，提升開路電壓和短路電流，使產(chǎn)業(yè)化TOPCon電池效率提升到25%以上。“TOPCon電池提效路徑也很清晰，降低來自發(fā)射極復(fù)合及其正/背面的金屬接觸復(fù)合是當(dāng)前提效的主攻方向。一道新能今年底大規(guī)模量產(chǎn)的效率目標(biāo)是25%，中期目標(biāo)是25.5%以上，中長期目標(biāo)是超過26%。”宋登元博士介紹。“如果在低成本下量產(chǎn)效率突破25%，這將具有里程碑意義，TOPCon度電成本優(yōu)勢就會更加明顯，會加快蠶食PERC市場份額，逐步成為市場主流。”
宋登元博士相信，工藝的簡化、電池效率增加、n型硅片和p型硅片溢價差的縮小、銀漿用量以及設(shè)備價格的降低，n型TOPCon競爭力越來越明顯，度電成本優(yōu)勢將顯現(xiàn)，產(chǎn)業(yè)化規(guī)模將逐步擴大。德國權(quán)威研究機構(gòu)也認為，與PERC技術(shù)成本類似的TOPCon將在下一代晶硅太陽能電池中發(fā)揮重要作用，甚至可能成為未來支撐疊層太陽能電池發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。
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