N型高效电池技术路线之TOPCon

相对P型晶硅电池，N型晶硅电池的少子寿命高，无光致衰减，弱光效应好，温度系数小，是晶硅太阳能电池迈向理论最高效率的希望。

TOPCon是一种基于选择性载流子原理的隧穿氧化层钝化接触（Tunnel Oxide Passivated Contact）太阳能电池技术，其电池结构为N型硅衬底电池，在电池背面制备一层超薄氧化硅，然后再沉积一层掺杂硅薄层，二者共同形成了钝化接触结构，有效降低表面复合和金属接触复合，为N-PERT电池转换效率进一步提升提供了更大的空间。

TOPCon电池概念

TOPCon电池的概念由德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所（Fraunhofer-ISE）于2013年提出，下图为该N型钝化接触太阳能电池的结构示意图。

图1. 钝化接触太阳能电池结构示意图

TOPCon正面与常规N型太阳能电池或N-PERT太阳能电池没有本质区别，电池核心技术是背面钝化接触，硅片背面由一层超薄氧化硅（1~2nm）与一层磷掺杂的微晶非晶混合Si薄膜组成。钝化性能通过退火过程进行激活，Si薄膜在该退火过程中结晶性发生变化，由微晶非晶混合相转变为多晶。在850°C的退火温度下退火，iVoc > 710 mV, J0在9-13 fA/cm2，显示了钝化接触结构优异的钝化性能，所制备的电池效率超过23%。目前N型前结钝化接触太阳能电池世界纪录（25.8%）由Fraunhofer-ISE研究所保持。

TOPCon工艺流程

TOPCon电池最大程度保留和利用现有传统P型电池设备制程，只需增加硼扩和薄膜沉积设备，无须背面开孔和对准，极大的简化了电池生产工艺，量产化困难度低。

图2. TOPCon工艺流程图

目前用于生长高质量重掺杂多晶硅层的方法有LPCVD（低压化学气相沉积）和PECVD两种。一种是用LPCVD原位（或离位）掺杂形成多晶硅，由于LPCVD沉积过程会带来绕镀问题，使电池性能退化，因此可选择离位掺杂，即LPCVD形成本征多晶后再进行扩散或离子注入掺杂，形成重掺杂的多晶硅；另一种是使用PECVD沉积掺杂非晶硅或微晶硅层，再经过退火得到掺杂的多晶硅。

工业上常用的多晶硅层厚度约为160-200nm，为了节省成本和提高性能，电池制造商希望将多晶硅层厚度降低到100nm，甚至50nm。

TOPCon电池的优点与缺点

TOPCon电池的优点

(1) 电池转换效率高，具有优越的界面钝化和载流子输运能力，较高的Uoc和FF

数据来源：CPIA, 2020.4

表1 TOPCon电池转换效率记录情况

(1)光致衰减低，掺磷的N型晶体硅中硼含量极低，削弱了硼氧对的影响

(2) 工艺设备产线兼容性高，可与PERC、N-PERT双面电池的高温制备工艺产线相兼容

(3) N型TOPCon电池可与SE、IBC、多主栅、半片、叠片技术相结合，显著提高电池效率及组件功率

TOPCon电池的缺点

(1) 成本较高，相比较于标准PERC工艺，TOPCon技术资本支出（CAPEX）偏高约10%，运营成本（OPEX）偏高约25%

(2) 效率提升潜力有限

TOPCon的降本之路

相比较于标准PERC工艺，TOPCon的成本相对较高，如果与PERC竞争性价比，则TOPCon效率至少要达到24.5%以上。

TOPCon后续优化降本方向：

(1) 降低n-poly层厚度，降低成本，减少自由载流子吸收

(2) 避免边缘绕镀，提升电池性能

(3) 设备成熟度及成本的降低

(4) 浆料性能突破，降低J0, metal

为进一步提升电池效率，光伏技术路线从P型向N型升级，启动下一轮电池技术变革。TOPCon因其优异的高效性及兼容性，越来越受市场的关注，成为N型高效电池产业化的切入点。