TOPCon新能源光伏电池发展现状及工艺技术研究介绍

一、光伏电池分类介绍及产业链：

从光伏电池技术性能对比来看，过去10年技术变革使光伏成为成本最低的可再生能源之一：

单晶替代多晶，Perc替代BSF是过去光伏降本增效的重要原动力；

目前P-PERC电池仍是主流的高效电池技术，但由于其提效潜力有限，其他电池路线逐渐进入人们视野,其中量产希望较大的是TOPcon和HIT技术。

光伏电池片环节属于光伏产业链中游，上游是单多晶硅片，下游是组件；

电池片环节是将硅片进行加工处理得到具有发电能力的电池产品，光伏产业链从电池片开始产品才具备发电能力；

由于单片电池的电压较低和封装上的考虑，一般将60片或者72片电池通过焊带、玻璃、背板等辅材封装组合成组件，构成一个发电的单元；

对于电池片来说，产品发电能力（单片功率/光电转换效率）和成本是企业竞争的关键所在。

二、光伏电池发展现状：

近期各国均将可再生能源发展上升到战略高度，对气候变化重视程度迅速提升。

中国、德国、印度等大国均提出碳排放目标，强调将提升可再生能源发电占比，引领全球走向“碳中和”目标；

截至2019年，光伏发电量全球占比2.7%，相较于煤电的36.4%。

天然气的23.3%仍有较大差距，相较于其他能源，光伏行业内生降本能力强，十年间度电成本下降87%，预计未来光伏发电占比将大幅提升；

从产量规模来看，我国光伏电池产量持续增长，2015-2019年光伏电池产量从5863GW增长到12862.1GW，随着我国对光伏产业政策的利好，预计2020年我国光伏电池产量将达到18135.6GW。

三、光伏电池行业未来发展趋势：

目前来看，PERC电池凭借性价比高，量产技术成熟和与现有产能兼容性高的优势，仍然是各家产线升级的主战场；未来一两年内，依靠SE、Topcon、双面等与现有产线兼容性高的方案加入，基于TOPCon电池产线的优化仍有的提效空间；

工艺设备优化带来的成本下降后吸引新一轮的电池厂商进行产线改造升级，最后实现产业化的普及；

长期来看，TOPCon电池的想象空间比较大：无论是效率还是成本，目前TOPCon还有非常大的提升空间，TOPCon电池产业化的关键还是在于成本侧，一旦设备和关键辅材的国产化有一定突破，N型薄硅片供应跟上的话，对现有的电池片行业格局是巨大冲击，新建产能的竞争力会变得很强，行业的后发优势凸显。

四、TOPCon工序特色

1、与Perc兼容设备成本低，新结构打开增效空间：

提高光电转换效率是永恒命题，TOPCOn是现阶段P型转N型主力军；TOPCon为N型电池的技术路线之一，凭借明显的优势有望替代P型电池成为新一代电池技术。

目前光伏行业主流为P型电池（PERC技术为主），其制造工艺简单、成本更低；

相比传统的P型电池，N型电池具有转换效率高、双面率高、温度系数低、几乎无光衰、弱光效应好等优点，但制造工艺复杂、成本更高，被行业普遍认为是下一代的电池技术；

因此TOPCon电池技术为N型电池主流技术路线之一；

N型半导体多数载流子是电子，电子有效质量更低，迁移速率高。

在相同导电能力情况下，N型杂质少，因此少数载流子寿命更高，能够直接影响开路电压和短路电流，因此拥有更高的光电转换效率。

2、钝化接触结构降低复合损耗，打开增效空间：

TOPCon是一种基于选择性载流子原理的隧穿氧化层钝化接触太阳能电池技术，是N型硅衬底电池；

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；

在TOPCon电池的背面制备一层1～2nm的超薄氧化硅（隧穿氧化层），然后再沉积一层20nm左右的掺杂多晶硅薄层，二者共同形成了钝化接触结构作为电池背面钝化层，有效降低表面复合和界面复合，提高开压，为电池的转换效率进一步提升提供了更大的空间。

3、具有与Perc产线的兼容性，助力TOPCon引领P转N型：

在P型电池的工艺基础上，TOPCon电池将磷扩散改为硼扩散，增加了隧穿层及Poly层的制备步骤，取消的工序是激光开槽。

TOPCon电池的设备基本延续了PERC产线的基本配置，是基于PERC电池的升级。

它在工艺流程上与PERC的主要区别在于：

1）将磷扩散改为硼扩散：P型PERC电池采取的是磷扩散工艺，而N型TOPCon电池采取的是硼扩散； 

2）增加了氧化和沉积多晶硅：增加隧穿氧化层的制备，沉积掺杂n+非晶硅或微晶硅层，再经过退火得到多晶硅；

4、LPCVD为主流，工艺成熟、控制简单：

TOPCon与Perc结构上的不同点在于隧穿氧化层、Poly层；氧化层为厚度1～2nm的SiOx。

通常SiOx作为绝缘层出现在半导体器件中，但由于SiOx介电层非常薄，不会阻碍多子的传输但会阻碍少子达到界面；

多子通过隧穿原理实现输运，少子则由于重掺杂Poly－Si和Si之间的势垒难以通过该氧化层，因此可以显著降低界面复合；

隧穿氧化层可以通过热氧化、湿法氧化、等离子辅助氧化等方法形成。

（1）Poly层能够对超薄氧化层起保护作用，避免其遭到破坏。当前主流的制备方式有LPCVD、PECVD等工艺。

（2）此外还有PEALD、APCVD及PVD等其他工艺路线并存。

*LPCVD：是当前最主流的工艺，工艺成熟、控制简单但成膜速率慢。

*LPCVD工艺的原理是将一种或数种气态物质，在较低的压力下，用热能激活，使其发生热分解或化学反应，沉积在衬底表面形成所需的薄膜；

该路线的工艺成熟、控制简单容易、厚度均匀性好、致密度高，但成膜速率慢，石英器件沉积严重。

*PECVD膜层致密度不高是痛点，PVD路径成本问题是核心

*PECVD：PECVD的原理是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。

*PECVD技术在薄膜沉积、原位掺杂等方面效率更高，这是该技术具有潜在竞争优势的主要原因。

*相比LPCVD技术，PECVD成膜速度快，原则上可实现无绕镀沉积。

但是缺点是厚度均匀性差、纯度低，容易产生气泡导致膜层致密度不高。

*PVD：PVD的技术原理是在真空条件下，用物理的方法（真空溅射镀膜）使材料沉积在被镀工件上的薄膜制备技术；

其优点是无绕镀、冷壁成膜速度快；但设备的成本较高，靶材用量大，方阻均匀性较差。

5、TOPCon成长性：

降本增效路线明确，借力钙钛矿叠层走向未来。

四、光伏电池降本增效是永恒命题：

当前光伏电池的实验室最高效率已达47.1%，工厂最高效率为29.1%，晶硅电池最高效率为26.7%；

根据NREL的数据，当前光伏电池的最高效率是NREL在2020年4月利用六结太阳能电池创造的47.1%；

光伏制造商到达的最高效率是汉能子公司AltaDevices在2018年12月利用砷化镓太阳能电池创造的29.1%。

晶硅电池的最高效率是Kaneka在2017年创造的26.7%。

1、单结晶硅电池片增效路径明确，着力于降低光学损失、电学损失：

光伏电池的光电转换效率是指电池的电荷载流子数目与照射在电池表面一定能量的光子数目的比率太阳能电池的转换效率受到光吸收、载流子输运、载流子收集的限制；

而导致晶体硅太阳能电池转换效率下降的原因主要来自两个方面：光学损失和电学损失。

（1）电学损失中影响电池效率的关键因素是金属-半导体接触复合。

（2）TOPCon电池片消除背场表面复合，有效降低复合损失。

（3）电池片效率损失主要来源于两方面：

a.光学损失，长波长的入射光子能量小于材料的禁带宽度，导致入射光直接穿过电池—低能量光子损失；

入射光能量远高于材料的禁带宽度，超过可吸收范围的能量无法被利用且会被转化为热能；

b.电学损失，电子和空穴穿越P-N结的复合损失；

电子和空穴在电极接触区的复合损失；

电子和空穴在衬底内/界面处复合损失；与电极接触时的电阻过大带来的损失。

TOPCon与普通的N型电池结构相比，有效降低背场表面复合损失。

2、降低光学遮挡及反射损失，降低钝化区域的复合损失和载流子传输损失，可以通过降低光学遮挡以及反射损失来提高转换效率。

1）优化绒面结构，采取倒金字塔形式，能拥有更低反射率从而提升。

2）通过细化栅线，可以有效降低对光线的遮挡。

3）增加一层增透膜，例如MgF2/Sio2增透膜，ISE有采用过类似工艺提高效率，但是成本限制解决方案的应用。

4）降低背面的非理想光学损失，如采用更加薄的n+poly降低自由载流子的吸收，通过改善背面形貌及膜层组合提高背反射降低透射损失。

3、优质的硅片、激光SE工序有效助力增效：使用更为优质的硅片，增加SE工艺。

1）采用更高质量的硅片。

N型电池相比P型电池对硅片的质量要求更高，要求更低的电阻率、更低的氧含量、更高的少子寿命。

电阻率方面，阻值在1欧附近，效率会有极值；氧含量方面，TOPCon对硅片氧含量更加敏感，核心就是Topcon是高温工艺（如B扩散），氧容易沉淀，形成氧环即同心圆，对效率影响明显；此外TOPCon对N型硅片金属杂质、碳含量敏感，高温过程易诱发缺陷形成暗片。

2）增加SE工艺，有效提升效率。

SE工艺即选择性发射极技术，在电极接触区进行高浓度掺杂，在光吸收区低浓度掺杂，减少发射机附近接触电阻。

4、TOPCon非硅与硅片成本同步下降，有望较快实现NP同本

1）将TOPCon成本拆分为两大块：

（1）硅片成本，TOPCon相对比Perc能够做到更薄，当前主流Perc电池片厚度在155-160微米之间，TOPCon已实现140微米量产，130微米有望快速导入量产中。

（2）非硅成本，TOPCon设备折旧成本较Perc高0.006元/瓦，银浆成本贵0.02-0.03元/瓦，加上能耗、人工、水电等，合计高Perc0.04-0.07元/W。

随着薄片化进程以及非硅成本的持续下降，TOPCon有望较快实现与Perc同本。

2）2022、2023单瓦盈利逐季好转，后续盈利能力有望持续：

TOPCon产能单瓦溢价较为可观，效率提升带来的配套设施成本下降，衰减率下降带来的总发电量提升，更高的双面率以及更低的温度系数等带来的发电增益；

随着电池片环节盈利能力的持续向好以及新技术溢价的延续，2023年上半年TOPCon优质产能经济性有望进一步凸显。

五、各大技术路线对比，TOPCon性价比价高：

当前技术路线选择上，晶科能源、通威股份、中来股份等公司首先投产了TOPCon，东方日升、宝馨科技等企业大力扩展HJT产能，隆基绿能根据自身产能以及对于技术路线的研发，独创HPBC路线承接新老技术，爱旭股份凭借深耕电池片多能的理解，选择了ABC技术，利用ABC电池片打开组件市场。

当前TOPCon量产效率最高的是晶科能源，效率已经稳定在24.8%，且有望快速突破25%，良率能够提升到98%。

来源：企科技术中心

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原文始发于微信公众号（光伏产业通）：TOPCon新能源光伏电池发展现状及工艺技术研究介绍