مقدمة عن خلايا TOPCon الشمسية

TOPCon (التلامس السلبي بأكسيد النفق) هي تقنية خلايا من النوع N على رقائق ظهرت لأول مرة في عام 2013. خلية TOPCon الشمسية هي خلية شمسية ذات تلامس سلبي بأكسيد النفق مبنية على ركيزة من النوع N.

مقارنة بخلايا PERC، تستخدم خلايا TOPCon طبقة أكسيد نفق ذات خصائص نقل شحن ممتازة كطبقة نقل شحن على الجزء الخلفي من الخلية. فوق ذلك، يتم ترسيب فيلم بولي سيليكون مخدر بحوالي 20 نانومتر لتشكيل هيكل تلامس سلبي على الجانب الخلفي. هذا يقلل بشكل فعال من إعادة التركيب السطحي وإعادة تركيب التلامس المعدني، ويرفع جهد الدائرة المفتوحة، ويحسن كفاءة تحويل الطاقة.

TOPCon هي تقنية خلايا شمسية ذات تلامس سلبي بأكسيد النفق تعتمد على مبدأ الناقلات الانتقائية، مما يحقق تأثير تلبيس فائق.

تستخدم خلية TOPCon ركيزة من النوع N. يتم تحضير طبقة أكسيد رقيقة على الجزء الخلفي من الخلية، يليها فيلم رقيق مخدر. يشكلان معًا هيكل تلامس سلبي يقلل بشكل فعال من إعادة التركيب السطحي وإعادة تركيب التلامس المعدني، مما يوفر مجالًا أكبر لتحسين كفاءة التحويل لخلايا N-PERT.

تحافظ تقنية TOPCon على المعدات والعمليات التقليدية للخلايا من النوع P القائمة وتعيد استخدامها إلى أقصى حد. فهي تتطلب فقط إضافة معدات نشر البورون وترسيب الأغشية الرقيقة، دون الحاجة إلى فتح الجانب الخلفي أو المحاذاة. وهذا يبسط إلى حد كبير عملية إنتاج الخلايا ويحافظ على انخفاض صعوبة الإنتاج الضخم. يتميز خط العملية بتوافق عالٍ ويمكن تشغيله جنبًا إلى جنب مع خطوط التصنيع ذات درجات الحرارة العالية المستخدمة في الخلايا ثنائية الوجه PERC و N-PERT.

توفر خلايا TOPCon مزايا انخفاض التدهور، وارتفاع الازدواجية الوجهية، وانخفاض معامل درجة الحرارة، مما يحقق مكاسب واضحة في توليد الطاقة على مستوى محطة الطاقة الطرفية.

مراحل تطوير خلايا TOPCon

يمكن تقسيم تاريخ تطوير خلايا TOPCon إلى أربع مراحل: فترة النموذج الأولي للتكنولوجيا، وفترة تخطيط المنتج، وفترة الترويج التجاري، وفترة النمو الانفجاري.

مزايا خلايا TOPCon

مزايا الأداء

• كفاءة تحويل عالية. بفضل تصميم التلامس السلبي الفريد لخلايا TOPCon، يصل الحد النظري للكفاءة إلى 28.7%. وقد حققت الشركات الرائدة في تصنيع TOPCon بالفعل كفاءات إنتاج ضخم تزيد عن 25.5%، وهو تحسن كبير مقارنة بخلايا PERC السائدة (كفاءة التحويل الحالية للإنتاج الضخم حوالي 23.5%، والحد النظري 24.5%).

• ازدواجية وجهية عالية. تنتج الخلايا ثنائية الوجه TOPCon حوالي 3% طاقة إضافية لكل واط مقارنة بخلايا PERC ثنائية الوجه. في نفس سيناريو محطة الطاقة الأرضية، يوفر هذا مكاسب أعلى في توليد الطاقة.

• معامل درجة حرارة منخفض. معامل درجة حرارة وحدات TOPCon من النوع N منخفض يصل إلى -0.30%/°C، وهو أفضل من -0.35%/°C للوحدات من النوع P، مما يظهر استقرارًا ممتازًا في البيئات ذات درجات الحرارة العالية.

• تدهور منخفض. يحتوي السيليكون البلوري من النوع N المشوب بالفوسفور على محتوى منخفض جدًا من البورون، لذلك لا يوجد عمليًا إعادة تركيب البورون-الأكسجين، مما يمنحه ميزة في معدل التدهور. تظهر بعض وحدات TOPCon تدهورًا في السنة الأولى بنسبة 1% وتدهورًا خطيًا سنويًا بنسبة 0.4%، مقارنة بـ 2% في السنة الأولى و0.45% خطيًا لوحدات PERC، مما يحقق مكسبًا في توليد الطاقة لكل واط على مدار دورة حياة الوحدة.

• أداء قوي في الإضاءة المنخفضة. تستجيب خلايا TOPCon بشكل جيد لكل من الأطوال الموجية القصيرة والطويلة، مما يحافظ على قدرة ممتازة على توليد الطاقة في ظروف الإضاءة المنخفضة مثل الصباح الباكر والمساء والطقس الغائم.

المزايا الاقتصادية

• توافق عالي مع تصنيع PERC، مما يقلل من صعوبة ترقيات التكنولوجيا. يمكن توسيع TOPCon من تكنولوجيا عملية PERC، مما يتطلب أربع خطوات إضافية فقط: تحضير باعث البورون، نمو طبقة الأكسيد النفقي، ترسيب وتطعيم البولي سيليكون، والتنظيف بعد الانتشار. هذا يقلل من صعوبة الترقية ويسرع اعتماد تكنولوجيا TOPCon.

• تحويل خط سلس مع تكلفة استثمار منخفضة في المعدات. يتطلب بناء خط TOPCon جديد استثمارًا في المعدات يبلغ حوالي 200-250 مليون، بينما يتطلب خط HJT جديد 350-400 مليون. نظرًا لأن TOPCon يوفر توافقًا جيدًا للمعدات مع خطوط PERC الحالية، يلزم فقط إضافة معدات انتشار البورون وترسيب البولي سيليكون/السيليكون غير المتبلور (LPCVD / PECVD / PVD)، باستثمار في المعدات يبلغ حوالي 50-70 مليون. هذا يتجنب الاستثمار الكبير في معدات جديدة وتعديلات كبيرة للخط، مما يجعله اقتصاديًا للغاية.

• إمكانية علاوة سعرية كبيرة. مقارنة بوحدات PERC، توفر وحدات TOPCon توليد طاقة أعلى لكل واط، ومكاسب توليد أعلى، وتكاليف نظام أقل، مما يخلق مجالًا كبيرًا لعلاوة سعرية.

عملية تصنيع خلايا TOPCon

مقارنة بعمليات PERC أحادية البلورة، تضيف عملية إنتاج خلايا TOPCon 2 إلى 3 خطوات إضافية: ترسيب طبقة الأكسيد النفقي (SiO2 فائق الرقة، 1-2 نانومتر)، ترسيب طبقة التخميل من البولي سيليكون الجوهري (60-100 نانومتر)، وحقن الفوسفور.

الخطوات الرئيسية للعملية ووظائفها

1. التنظيف والنسيج

الغرض: بعد قطع الرقاقة، تتضرر الحواف، وتنكسر بنية الشبكة البلورية، ويكون إعادة التركيب السطحي شديدًا. يهدف التنظيف والنسيج بشكل أساسي إلى إزالة الضرر السطحي وتشكيل هيكل محاصر للضوء هرمي على السطح. ينعكس الضوء عدة مرات عبر سطح الرقاقة، مما يقلل من الانعكاسية.

2. انتشار البورون

الغرض: الوظيفة الرئيسية هي تشكيل الوصلة PN. نظرًا لأن البورون لديه قابلية ذوبان منخفضة في السيليكون، فإنه يتطلب درجات حرارة عالية وأوقات أطول للانتشار. يؤثر اختيار مصدر الانتشار أيضًا على الإنتاج: الكلوريدات مسببة للتآكل، بينما البروميدات لزجة، مما يجعل التنظيف صعبًا ويزيد من تكاليف الصيانة.

عادةً ما يتم إكمال انتشار البورون في درجات حرارة أعلى - فوق 1000 درجة مئوية - وبالمقارنة مع دورة 102 دقيقة المطلوبة لانتشار الفوسفور، تستغرق دورة انتشار البورون 150 دقيقة.

المبدأ:

يتم نقل HCl و H2O الغازيين الناتجين عن التفاعلات داخل أنبوب الفرن بواسطة N2 وتوزيعهما بالتساوي في جميع أنحاء الأنبوب. يتفاعل H2O أيضًا مع BBr3 و O2 لتكوين B2O3، والذي يتفاعل أيضًا لتكوين HBO2 الغازي؛ عند درجات الحرارة العالية، يتحلل HBO2 مرة أخرى إلى B2O3، مما يسمح لـ B2O3 بالتوزيع بالتساوي على سطح الخلية الشمسية. بالإضافة إلى ذلك، يتفاعل H2O مع B2O3 المترسب داخل أنبوب الفرن، مما يمنع تراكم B2O3 على جدران أنبوب الانتشار، ويطيل عمر مكونات الكوارتز، ويزيد من مصدر البورون الفعال. يمكن لـ HCl أيضًا التفاعل مع الشوائب المعدنية على سطح الخلية وداخل الأنبوب لتكوين كلوريدات معدنية غازية تخرج مع غاز العادم، مما يمنع الشوائب المعدنية من الانتشار في الخلية الشمسية أثناء عملية درجة الحرارة العالية.

3. التنشيط بالليزر للباعث الانتقائي

الغرض: تكوين باعث انتقائي. يتم تطبيق تنشيط عالي التركيز عند نقاط التلامس بين خطوط الشبكة المعدنية والرقاقة وبالقرب منها لتقليل مقاومة التلامس بين القطب المعدني الأمامي والرقاقة، بينما يقلل التنشيط منخفض التركيز خارج مناطق القطب من إعادة التركيب في طبقة الانتشار. يؤدي تحسين الباعث إلى زيادة تيار الخرج وجهد الخرج للخلية الشمسية، وبالتالي تحسين كفاءة التحويل الكهروضوئي.

مكان الليزر في تدفق TOPCon: يستخدم PERC SE تنشيط الفوسفور، بينما يستخدم TOPCon SE تنشيط البورون. نظرًا لاختلاف معاملات الانفصال بين البورون والفوسفور، ينتشر الفوسفور بسهولة أكبر من ثاني أكسيد السيليكون إلى السيليكون، بينما يصعب دفع البورون ويتطلب طاقة أكبر. ومع ذلك، فإن طاقة الليزر الزائدة تتلف الرقاقة بسهولة، مما يجعل تنشيط البورون أكثر تحديًا. مقارنةً بالانتشار التقليدي للبورون، يمكن أن تؤدي إضافة تقنية SE إلى خلايا TOPCon نظريًا إلى تحسين الكفاءة بنسبة 0.5%، وفي الإنتاج الضخم الفعلي يمكن تحقيق زيادة في الكفاءة بنسبة 0.2-0.4%.

4. الحفر

الغرض: الوظيفة الرئيسية للحفر هي إزالة BSG والوصلة الخلفية. تشكل عملية الانتشار طبقات انتشار على سطح الرقاقة وحوافها؛ طبقة الانتشار على الحواف تسبب بسهولة دوائر قصيرة، وطبقة الانتشار السطحية تؤثر على التخميل اللاحق، لذلك يجب إزالة كلاهما. يتم الحفر حاليًا بشكل أساسي بالطرق الرطبة، حيث يتم إزالة طبقات الانتشار الخلفية والحافة في معدات السلسلة قبل معالجة الجانب الأمامي.

5. تحضير طبقة الأكسيد النفقي وطبقة البولي سيليكون

الغرض: ترسيب طبقة أكسيد نفقية بسمك 1-2 نانومتر على الظهر، ثم ترسيب طبقة بولي سيليكون بسمك 60-100 نانومتر لتشكيل هيكل التخميل. هناك عدة طرق لتحضير طبقة تخميل TOPCon، بشكل رئيسي مسارات LPCVD و PECVD و PVD. LPCVD هو السائد حاليًا، لكن الترسيب المحيطي شديد، بينما تقدم PECVD إمكانات قوية في الأداء العام.

6. تحضير الفيلم المضاد للانعكاس الخلفي

الغرض: تحضير فيلم تخميل مضاد للانعكاس على ظهر الخلية لزيادة امتصاص الضوء. في نفس الوقت، تقوم ذرات الهيدروجين المتولدة أثناء عملية تشكيل فيلم SiNx بتخميل الرقاقة.

7. ترسيب أكسيد الألومنيوم على الجانب الأمامي

الغرض: ترسيب طبقة من فيلم أكسيد الألومنيوم على مقدمة الرقاقة، والتي تشكل مع الأفلام الأخرى تأثير التخميل الأمامي.

8. تحضير الفيلم المضاد للانعكاس الأمامي

الغرض: يعمل الفيلم المضاد للانعكاس الأمامي بنفس طريقة عمل الفيلم الخلفي. بالإضافة إلى ذلك، فإن فيلم أكسيد الألومنيوم المترسب على المقدمة رقيق جدًا ويتلف بسهولة أثناء تصنيع الخلايا والوحدات اللاحقة، لذا فإن SiNx الأمامي يحمي أيضًا أكسيد الألومنيوم.

9. الطباعة بالشاشة الحريرية - نقل نمط الليزر

حاليًا، معظم طباعة الخلايا لا تزال تستخدم الطباعة بالشاشة. في المستقبل، فيما يتعلق بتقليل استهلاك عجينة الفضة لخلايا النوع N، قد تكون الطباعة بنقل النمط هي الميزة. النقل بالليزر هو تقنية طباعة غير تلامسية جديدة: يتم طلاء العجينة المطلوبة على مادة شفافة مرنة محددة، ويقوم شعاع ليزر عالي الطاقة بمسح نمطي عالي السرعة لنقل العجينة من المادة الشفافة المرنة إلى سطح الخلية، لتشكيل خطوط الشبكة وتحضير الأقطاب الأمامية والخلفية.

10. التلبيد

يتم تشكيل اتصال أومي جيد من خلال التلبيد بدرجة حرارة عالية.

11. الفرز التلقائي

يتم فرز الخلايا في صناديق وفقًا لكفاءات التحويل المختلفة.

اتجاهات التطوير المستقبلية لخلايا TOPCon

في عام 2023، بلغ متوسط كفاءة التحويل لخلايا TOPCon من النوع N 25.0%، ومتوسط كفاءة التحويل لخلايا الوصلة غير المتجانسة 25.2%، وكلاهما أظهر تحسنًا كبيرًا مقارنة بعام 2022.

في عام 2023، كانت خطوط الإنتاج الضخم الجديدة التي تم تشغيلها بشكل أساسي من خطوط خلايا النوع N. مع الإطلاق التدريجي لسعة خلايا النوع N، انخفضت حصة سوق خلايا PERC إلى 73.0%. شكلت خلايا النوع N مجتمعة حوالي 26.5%، منها خلايا TOPCon من النوع N حوالي 23.0%، وخلايا الوصلة غير المتجانسة حوالي 2.6%، وخلايا XBC حوالي 0.9% - وكلها زيادات كبيرة مقارنة بعام 2022.

اعتبارًا من عام 2024 فصاعدًا، ستتجاوز حصة خلايا النوع N التي تمثلها TOPCon بشكل شامل خلايا P-type PERC، وتتوقع الصناعة أن تصل الحصة إلى 70% وتتجاوزها.

منظور Ooitech

تعتقد Ooitech: TOPCon، وهي تقنية خلايا ذات طبقة أكسيد نفقية من النوع N مبنية على خطوط PERC الحالية، توفر كفاءة أعلى، وتدهورًا أقل، ومكاسب توليد طاقة أقوى، وتصبح الآن الاتجاه السائد في صناعة الطاقة الشمسية.