Die TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact)-Technologie stellt einen innovativen Durchbruch in der Entwicklung von Solarzellen dar. Sie basiert auf dem Prinzip des selektiven Ladungsträgertransports und zielt darauf ab, die Effizienz der Solarzellen durch die einzigartige Zellstruktur zu erhöhen. Diese Technologie wird hauptsächlich bei N-Typ-Siliziumsubstratzellen angewendet, wobei der Kernprozess die präzise Verarbeitung auf der Rückseite der Zelle ist. - beginnend mit der Vorbereitung einer ultradünnen Siliziumoxidschicht, gefolgt von der Abscheidung einer leicht dotierten Siliziumschicht. Diese beiden Schichten kombinieren sich zu einer effizienten passivierten Kontaktstruktur, die die Rekombinationsverluste an der Zelloberfläche und die Rekombinationsverluste durch Metallkontakte erheblich reduziert.

Im Vergleich zur traditionellen PERC (Passivated Emitter and Rear Cell)-Technologie minimiert die TOPCon-Technologie mit ihrer einzigartigen Struktur nicht nur den Energieverlust, sondern erreicht auch eine höhere photovoltaische Umwandlungseffizienz. Die breite Anwendung dieser Technologie signalisiert eine neue Ära der Solarzellen hinsichtlich der Effizienz und Zuverlässigkeit und bringt breitere Aussicht für die Solarenergiebranche.

Funktionsprinzip und strukturelle Merkmale von N-TOPCon-Solarzellen

TOPCon-Solarzellen nutzen eine ultradünne Oxidschicht (1~2nm), um ein effektives Tunneln der Majoritätsträger zu ermöglichen, wodurch die Rekombinationsrate der Minoritätsträger signifikant verringert wird. Dies steigert effektiv die Leerlaufspannung und den Kurzschlussstrom der Zelle und erhöht weiter die Umwandlungseffizienz der Zelle.

Strukturell ähnelt die Vorderseite der TOPCon-Solarzellen konventionellen N-Typ oder N-PERT Solarzellen, doch die Schlüsselinnovation liegt in ihrer rückseitigen passivierten Kontaktstruktur. Diese Struktur umfasst eine ultradünne Siliziumoxidschicht und eine phosphordotierte mikrokristallin-amorphe Siliziummischdünnschicht. Die Passivierungsleistung wird durch einen Ausheilprozess aktiviert, während dessen die Kristallinität der Siliziumdünnschicht von einer mikrokristallin-amorphen Mischphase in eine polykristalline Phase umgewandelt wird, was die Leistung der Zelle weiter verbessert. Unter einer Ausheilbedingung von 850°C zeigt die Zelle ausgezeichnete Passivierungseffekte, mit einer Leerlaufspannung, die 710 mV übersteigt, und einer Elektronenrekombinationsrate, die auf 9-13 fA/cm^2 reduziert ist, was die Effizienz der Zelle signifikant erhöht.

Produktionsprozess von N-TOPCon-Solarzellen

TOPCon-Solarzellen nutzen eine ultradünne Oxidschicht (1~2 nm), um ein effektives Tunneln der Majoritätsträger zu ermöglichen, wodurch die Rekombinationsraten der Minoritätsträger erheblich reduziert werden. Dies erhöht effektiv die Leerlaufspannung und den Kurzschlussstrom der Zelle, wodurch die Umwandlungseffizienz der Zelle gesteigert wird. Strukturell ähnelt das Frontdesign der TOPCon-Solarzellen dem konventioneller N-Typ- oder N-PERT-Solarzellen. Die Schlüsselinnovation liegt in ihrer rückseitigen passivierten Kontaktstruktur, die eine ultradünne Schicht aus Siliziumoxid und eine Schicht aus phosphordotiertem mikrokristallin-amorphen Siliziumfilm umfasst. Durch den Ausheilprozess werden die Passivierungseigenschaften aktiviert und die Kristallinität des Siliziumfilms von einer mikrokristallin-amorphen Mischung in eine polykristalline Phase umgewandelt, was die Zellenleistung weiter verbessert. Mit einem Ausheilen bei 850°C zeigen die Zellen hervorragende Passivierungseffekte, mit Leerlaufspannungen über 710 mV und Elektronenrekombinationsraten, die auf 9-13 fA/cm^2 fallen, was die Zelleneffizienz erheblich erhöht.

Der Produktionsprozess von TOPCon-Solarzellen maximiert die Nutzung bestehender traditioneller Produktionsmethoden für P-Typ-Zellen und erfordert nur die Hinzufügung von Bor-Diffusions- und Dünnschichtabscheidungsanlagen, ohne die Notwendigkeit für Rückseitenöffnung und -ausrichtung. Dies vereinfacht den Produktionsprozess der Zellen erheblich und reduziert die Schwierigkeit der Massenproduktion. Der Herstellungsprozess von TOPCon-Zellen umfasst:

1.Texturierung (Texture): Anwendung physikalischer oder chemischer Methoden, um die Oberfläche des Siliziumwafers zu texturieren und die Lichtabsorption zu erhöhen.

2.Bor-Diffusion (Diffusion LP-BBr₃): Verwendung von niedrigdruck Bor-Tribromid-Gas für die P-Typ-Bor-Diffusion, um die Emitterzone zu bilden.

3.Laser Selektiver Emitter: Einsatz von Lasertechnologie zur Behandlung der Oberfläche des Siliziumwafers, um selektive Emitterbereiche zu bilden.

4.Chemische Kantenisolierung (Chemical Edge Isolation): Entfernung von überschüssigem Material an den Rändern des Siliziumwafers durch chemische Mittel, um Oberflächendefekte zu reduzieren.

5.TOPCon-Oxidation: Wachstum einer Oxidschicht auf der Oberfläche des Siliziumwafers für die Oberflächenpassivierung und Reduzierung der Elektronen-Loch-Paar-Rekombination.

6.TOPCon-PECVD: Abscheidung von Tunneloxidschicht und polykristalliner Siliziumschicht mit PECVD-Technologie, um passivierte Kontakte zu bilden.

7.TOPCon-Hochtemperatur-Ausheilen (TOPCon: High-T anneal): Aktivierung der Tunneloxidschicht und der polykristallinen Siliziumschicht durch Hochtemperatur-Ausheilbehandlung, um die Zelleneffizienz zu erhöhen.

8.Aluminiumoxid-Abscheidung (Al₂O₃ front): Abscheidung einer Aluminiumoxidschicht auf der Vorderseite des Wafers, um die Passivierung an der Oberfläche weiter zu verbessern.

9.Siliziumnitrid-Abscheidung (PECVD SiNx front & rear): Abscheidung von Siliziumnitridschichten auf der Vorder- und Rückseite des Wafers für Passivierung und Antireflexion.

10.Drucken (Printing): Anwendung der Siebdrucktechnologie, um Metallelektroden auf den Siliziumwafer zu drucken.

11.Sintern (Firing): Verbindung der Metallelektroden mit dem Siliziumwafer durch Hochtemperatursintern, um elektrische Verbindungen zu bilden.

12.Testen und Sortieren: Testen der fertigen Zellen auf Leistung und Sortieren basierend auf der Effizienz.

Dieser Prozess erhält und nutzt maximal die bestehenden traditionellen Produktionsverfahren für P-Typ-Zellen, benötigt lediglich zusätzliche Bor-Diffusions- und Dünnschichtabscheidungsgeräte, vereinfacht den Zellenproduktionsprozess und verringert die Schwierigkeit der Massenproduktion. Die TOPCon-Technologie ist hochgradig kompatibel mit PERC-Produktionslinien, mit der Hinzufügung der Prozessen von Bor-Diffusion und Tunnel Layer + p-Poly Layer, während die anderen Schritte im Wesentlichen die von PERC-Produktionslinien fortsetzen.

Vergleich der N-TOPCon- und PERC-Technologie

Vorteile der N-TOPCon-Technologie

• Hohe UmwandlungseffizienzTOPCon：TOPCon-Zellen weisen eine überragende Umwandlungseffizienz auf, mit einer Massenproduktionseffizienz, die 24,5%-25% erreicht und somit über der durchschnittlichen Massenproduktionseffizienz von 23,2% bei PERC-Zellen liegt. Das theoretische Effizienzgrenze von über 24,5% deutet auf ein größeres Potenzial für TOPCon-Zellen hin.
• Bessere Gesamtstromerzeugung：Im Vergleich zu PERC-Zellen bieten TOPCon-Zellen einen höheren bifazialen Faktor, der die Gesamtstromerzeugung steigert. Der bifaziale Faktor von TOPCon-Solarmodulen kann bis zu 85% erreichen, deutlich mehr über den 70% von PERC, was den Leistungsgewinn um bis zu 2% erhöhen kann.
• Längere Leistungsgarantie：Durch den Einsatz von mit Phosphor dotiertem N-Typ-Siliziumsubstrat in TOPCon-Zellen wird der Verlust des Elektroneneinfangs durch Bor-Sauerstoff-Paare vermieden, nahezu keine lichtinduzierte Degradation erfahren und somit eine längere Leistungsgarantiezeit erzielt.
• Upgrade-Kompatibilität mit geringen Ausrüstungsinvestitionen：Die TOPCon-Technologie ist mit bestehenden PERC-Produktionslinien kompatibel und ermöglicht Upgrades mit minimalen Investitionen. Die Hinzufügung oder der Austausch von Ausrüstung betrifft hauptsächlich Bor-Diffusionsprozesse für die Vorbereitung der Tunneloxid- und Polysiliziumschichten, was eine hohe Kompatibilität mit den übrigen Prozessen der PERC-Linie aufrechterhält.

Anwendungen von TOPCon-Solarmodulen

Hohe Effizienz für Wohn- und Gewerbenutzung: Geeignet für Dach- und Bodenanlagen, die saubere, erneuerbare Energie für Wohnhäuser, Unternehmen oder Industrieanlagen bereitstellen.

Solaranlagen im Versorgungsmaßstab: In großen Solarfeldern können TOPCon-Solarmodule aufgrund ihrer hohen Effizienz mehr Strom auf begrenztem Raum erzeugen, was sie ideal für Anwendungen zur Stromerzeugung im großen Maßstab macht und hilft, die Kosten pro Strommengeneinheit zu senken.

Landwirtschaftliche Anwendungen: TOPCon-Module können landwirtschaftliche Geräte wie Wasserpumpen und Bewässerungssysteme antreiben, insbesondere in abgelegenen oder netzunabhängigen Gebieten, und dienen als unabhängige Energielösung, um Landwirten zu helfen, die landwirtschaftliche Produktivität zu erhöhen.

Ladestationen für Elektrofahrzeuge: Mit der zunehmenden Beliebtheit von Elektrofahrzeugen wächst die Nachfrage nach nachhaltigen Energielösungen. TOPCon-Solarmodule können saubere Energie für Ladestationen für Elektrofahrzeuge bereitstellen und so die Entwicklung eines grünen Verkehrs fördern.

Gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV): Solarmodule, die TOPCon-Technologie nutzen, können in Gebäuden integriert werden und dienen als Teil der Baumaterialien, die nicht nur Energie liefern, sondern auch die ästhetische Anziehungskraft der Gebäude erhöhen.

Küstengebiete: Aufgrund ihrer hohen Haltbarkeit eignen sich TOPCon-Solarmodule auch für den Einsatz in Offshore- oder Küstengebieten, in denen möglicherweise höhere Salznebel- und Feuchtigkeitsniveaus herrschen.

Zukunftsprognosen für N-TOPCon-Solarmodule

Es wird erwartet, dass TOPCon-Solarzellen zwischen 2023 und 2030 ein signifikantes Marktwachstum erleben werden, dank ihrer hohen Umwandlungseffizienz und langlebigen Leistung. Mit der Reife der Technologie und der Ausweitung der Produktionsmaßstäbe ist mit einem weiteren Rückgang der Kosten zu rechnen, was die Marktdurchdringung von TOPCon-Modulen in großen Photovoltaik-Kraftwerken und kommerziellen Anwendungen erhöht. Politische Unterstützung und Trends hin zu nachhaltiger Entwicklung beschleunigen weiterhin die Annahme der TOPCon-Technologie. Die weltweite Nachfrage nach TOPCon-Technologie wird voraussichtlich mit dem wachsenden Bedarf an sauberen Energielösungen weiter steigen, insbesondere in Regionen mit reichem Sonnenlicht. Dies wird technologische Innovationen und Markterweiterungen in der Photovoltaik-Industrie vorantreiben.

Referenz：

https://guangfu.bjx.com.cn/news/20200710/1088087.shtml

https://guangfu.bjx.com.cn/news/20200710/1088087.shtml

https://xueqiu.com/2305761063/241967340

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https://www.sohu.com/a/640762583_121123896

https://www.novergysolar.com/topcon-vs-perc-vs-hjt-solar-cells/#Uses_of_Topcon_Solar_Panels

https://www.verifiedmarketreports.com/product/topcon-solar-cell-and-module-market/ 

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