ما هي خلية TOPCon الشمسية؟ دليل كامل لتقنية التلامس السلبي المؤكسد النفقي
جدول المحتويات
مقدمة إلى خلايا TOPCon الشمسية
TOPCon (التلامس السلبي بأكسيد النفق) هي تقنية خلايا من رقائق النوع N 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 بخصائص نقل شحنة ممتازة كطبقة نقل شحنة على الجزء الخلفي من الخلية. فوق ذلك، يتم ترسيب فيلم بولي سيليكون مخدر بحوالي 20 نانومتر لتشكيل بنية 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، وتحقق تأثير تلبيس متفوق.
تستخدم خلية TOPCon ركيزة من النوع N. يتم تحضير طبقة أكسيد رقيقة على الجزء الخلفي من الخلية، تليها طبقة رقيقة مخدرة. تشكل هاتان الطبقتان معًا بنية تلامس سلبي تقلل بشكل فعال من إعادة التركيب السطحي وإعادة تركيب التلامس المعدني، مما يوفر مجالًا أكبر لتحسين كفاءة التحويل لخلايا N-PERT.
تستخدم تقنية TOPCon وتحافظ على معدات وعمليات خلايا P-type التقليدية الحالية إلى أقصى حد. لا تتطلب سوى إضافة معدات نشر البورون وترسيب الأغشية الرقيقة، دون الحاجة إلى فتح الجانب الخلفي أو المحاذاة. هذا يبسط إلى حد كبير عملية إنتاج الخلايا ويحافظ على صعوبة الإنتاج الضخم منخفضة. يوفر خط العملية توافقًا عاليًا ويمكن تشغيله جنبًا إلى جنب مع خطوط التصنيع ذات درجات الحرارة العالية المستخدمة لخلايا PERC وN-PERT ثنائية الوجه.
توفر خلايا TOPCon مزايا انخفاض التدهور، وارتفاع ثنائية الوجه، ومعامل درجة حرارة منخفض، 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 تتجاوز 25.5%، وهو تحسن كبير مقارنة بخلايا PERC السائدة (كفاءة التحويل الحالية للإنتاج الضخم حوالي 23.5%، والحد النظري 24.5%).
ارتفاع ثنائية الوجه. تنتج خلايا TOPCon ثنائية الوجه حوالي 3% أكثر من الطاقة 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 الحرارة لوحدات N-type TOPCon منخفض يصل إلى -0.30%/℃، أفضل من -0.35%/℃ لوحدات P-type، مما يظهر استقرارًا ممتازًا في البيئات ذات درجات الحرارة العالية.
انخفاض التدهور. يحتوي السيليكون البلوري من النوع N المشوب بالفوسفور على محتوى منخفض جدًا من البورون، لذلك لا يوجد أساسًا إعادة تركيب البورون والأكسجين، مما يمنحه ميزة في معدل التدهور. تُظهر 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 مدى دورة حياة الوحدة.
أداء قوي في ظروف الإضاءة المنخفضة. تستجيب خلايا TOPCon بشكل جيد للأطوال الموجية القصيرة والطويلة، مما يحافظ على قدرة ممتازة على توليد الطاقة في ظروف الإضاءة المنخفضة مثل الصباح الباكر والمساء والطقس الغائم.
المزايا الاقتصادية
توافق عالٍ مع تصنيع PERC، مما يقلل من صعوبة ترقية التكنولوجيا. يمكن تمديد TOPCon من تكنولوجيا عملية PERC، حيث يتطلب فقط أربع خطوات إضافية: 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، فإنه يحتاج فقط إلى إضافة معدات انتشار البورون وترسيب البولي سيليكون/السيليكون غير المتبلور (LPCVD / PECVD / PVD)، باستثمار يبلغ حوالي 50-70 مليون. هذا يتجنب الاستثمار الكبير في معدات جديدة وتعديلات رئيسية للخط، مما يجعله اقتصاديًا للغاية.
إمكانية كبيرة لعلاوة سعرية. بالمقارنة مع وحدات 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
بالمقارنة مع عمليات PERC أحادية البلورة، تضيف عملية إنتاج خلايا TOPCon خطوتين إلى ثلاث خطوات إضافية: ترسيب طبقة الأكسيد النفقي (SiO2 فائق الرقة، 1-2 نانومتر)، وترسيب طبقة التخميل من البولي سيليكون الجوهري (60-100 نانومتر)، وحقن الفوسفور.
الخطوات الرئيسية للعملية ووظائفها
1. التنظيف والنسيج
الغرض: بعد قطع الرقاقة، تتضرر الحواف، وتتكسر بنية الشبكة البلورية، ويكون إعادة التركيب السطحي شديدًا. يهدف التنظيف والنسيج بشكل أساسي إلى إزالة الأضرار السطحية وتشكيل بنية هرمية لاحتجاز الضوء على السطح. ينعكس الضوء عدة مرات عبر سطح الرقاقة، مما يقلل من الانعكاسية.
2. انتشار البورون
الغرض: الوظيفة الرئيسية هي تشكيل تقاطع PN. نظرًا لأن البورون لديه قابلية ذوبان صلبة منخفضة في السيليكون، فإن الانتشار يتطلب درجات حرارة عالية وأوقات أطول. يؤثر اختيار مصدر الانتشار أيضًا على الإنتاج: الكلوريدات مسببة للتآكل، بينما البروميدات لزجة، مما يجعل التنظيف مرهقًا ويزيد من تكاليف الصيانة.
عادةً ما يتم انتشار البورون عند 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 الغازي و H2O 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 بتوزيع B2O3 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 أن يتفاعل HCl أيضًا 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 SE
الغرض: تكوين باعث انتقائي. يتم تطبيق تطعيم عالي التركيز عند مناطق التلامس بين خطوط الشبكة المعدنية والرقاقة وبالقرب منها لتقليل مقاومة التلامس بين القطب المعدني الأمامي والرقاقة، بينما يقلل التطعيم منخفض التركيز خارج مناطق القطب من إعادة التركيب في طبقة الانتشار. يؤدي تحسين الباعث إلى زيادة تيار الإخراج والجهد للخلية الشمسية، وبالتالي تحسين كفاءة التحويل الكهروضوئي.
حيث يقع الليزر في تدفق TOPCon: يستخدم PERC SE تطعيم الفوسفور، بينما يستخدم TOPCon SE تطعيم البورون. نظرًا لأن البورون والفوسفور لهما معاملات فصل مختلفة، فإن الفوسفور ينتشر بسهولة أكبر من ثاني أكسيد السيليكون إلى السيليكون، بينما يصعب دفع البورون ويتطلب طاقة أكبر. ومع ذلك، فإن طاقة الليزر المفرطة تلحق الضرر بسهولة بالرقاقة، مما يجعل تطعيم البورون أكثر تحديًا. مقارنةً بانتشار البورون التقليدي، يمكن أن تؤدي إضافة تقنية SE إلى خلايا TOPCon إلى تحسين الكفاءة بنسبة 0.5% نظريًا، 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 الحافة تسبب بسهولة دوائر قصيرة، وطبقة الانتشار السطحية تؤثر على التخميل اللاحق، لذلك يجب إزالة كلاهما. يتم الحفر حاليًا بشكل أساسي بالطرق الرطبة، وإزالة طبقات الانتشار الخلفية والحافة في معدات من نوع السلسلة قبل معالجة الجانب الأمامي.
5. تحضير طبقة الأكسيد النفقي وطبقة البولي سيليكون
الغرض: ترسيب طبقة أكسيد نفقي بسمك 1-2 نانومتر على الظهر، ثم ترسيب طبقة بولي سيليكون بسمك 60-100 نانومتر لتشكيل بنية التخميل. هناك عدة طرق لتحضير طبقة تخميل TOPCon، بشكل أساسي طرق LPCVD وPECVD وPVD. LPCVD هو حاليًا السائد، لكن الترسيب الملتف شديد، بينما تقدم PECVD إمكانات قوية في الأداء العام.
6. تحضير الفيلم المضاد للانعكاس الخلفي
الغرض: تحضير فيلم تخميل مضاد للانعكاس على الجزء الخلفي من الخلية لزيادة امتصاص الضوء. في الوقت نفسه، 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 الجزء الأمامي من 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 بشكل أساسي. بالإضافة إلى ذلك، فإن فيلم أكسيد الألومنيوم المترسب على الجزء الأمامي رقيق جدًا ويسهل تلفه أثناء عمليات تصنيع الخلايا والوحدات اللاحقة، لذا فإن SiNx الأمامي يحمي أيضًا أكسيد الألومنيوم.
9. الطباعة بالشاشة - نقل نمط الليزر
حاليًا، معظم طباعة الخلايا لا تزال تستخدم الطباعة بالشاشة الحريرية. في المستقبل، فيما يتعلق بتقليل استهلاك معجون الفضة لخلايا النوع N، قد تكون الطباعة بالنقل النمطي ذات ميزة. النقل بالليزر هو تقنية طباعة غير تلامسية جديدة: يتم طلاء المعجون المطلوب على مادة مرنة شفافة محددة، ويقوم شعاع ليزر عالي الطاقة بمسح نمطي عالي السرعة لنقل المعجون من المادة المرنة الشفافة إلى سطح الخلية، لتشكيل الخطوط الشبكية وتحضير الأقطاب الأمامية والخلفية.
10. التلبيد
يتم تشكيل تلامس أومي جيد من خلال التلبيد بدرجة حرارة عالية.
11. الفرز التلقائي
يتم فرز الخلايا في حاويات وفقًا لكفاءات التحويل المختلفة.
الاتجاهات المستقبلية لتطوير خلايا TOPCon
في عام 2023، بلغ متوسط كفاءة التحويل لخلايا TOPCon من النوع N 25.0%، ومتوسط كفاءة التحويل لخلايا الترابط غير المتجانس 25.2%، وكلاهما أظهر تحسنًا ملحوظًا مقارنة بعام 2022.
في عام 2023، كانت خطوط الإنتاج الضخم الجديدة التي تم تشغيلها بشكل أساسي من خطوط خلايا النوع N. ومع الإفراج التدريجي عن قدرة خلايا النوع N، انخفضت حصة سوق خلايا PERC إلى 73.0%. واستحوذت خلايا النوع N مجتمعة على حوالي 26.5%، منها خلايا TOPCon من النوع N حوالي 23.0%، وخلايا الترابط غير المتجانس حوالي 2.6%، وخلايا XBC حوالي 0.9% - وكلها زيادات كبيرة مقارنة بعام 2022.
اعتبارًا من عام 2024 فصاعدًا، ستتجاوز حصة خلايا النوع N الممثلة بـ TOPCon بشكل شامل خلايا PERC من النوع P، وتتوقع الصناعة أن تصل الحصة إلى 70% وتتجاوزها.
وجهة نظر Ooitech
تعتقد Ooitech: TOPCon، وهي تقنية خلايا ذات طبقة أكسيد نفقية سلبية 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.
