Технология солнечных ячеек TOPCon

Технологии солнечных элементов, используемые для производства фотоэлектрических модулей, не стоят на месте и постоянно развиваются. Технология солнечных элементов с туннельно-пассивированным оксидным контактом (TOPCon) — это новая разработка, которая может заменить солнечные панели с пассивированным эмиттером и задним контактом (PERC) и высокоэффективными пассивированными эмиттерами с полностью диффузным задним контактом (PERT).

Солнечные элементы TOPCon представляют собой усовершенствованную и более эффективную технологию по сравнению с солнечными элементами PERC/PERT, имеющими очень похожую структуру.

В этой статье мы объясним самые важные детали этой технологии, начиная с основ, структуры и производства, сравнения с другими популярными технологиями в солнечной промышленности, преимуществ и недостатков и многого другого.

Технология солнечных батарей TOPCon: понимание основ

Технология солнечных элементов TOPCon — одна из последних тенденций в солнечной промышленности, разработанная как модернизированная и более продвинутая версия технологии PERC/PERT. Одним из основных преимуществ солнечных элементов TOPCon является то, что структура лишь немного отличается от солнечных элементов PERC/PERT, а это означает, что производители могут использовать практически ту же производственную линию с некоторыми улучшениями для производства солнечных элементов TOPCon.

Технология солнечных элементов TOPCon была впервые представлена как концепция в 2014 году немецким исследовательским институтом PV Fraunhofer ISE. Проект, предназначенный для разработки этой технологии, осуществлялся с 2013 по 2016 год , но только в 2019 году такие компании, как Trina Solar, запустили его в производство . Поскольку технология солнечных элементов TOPCon оказалась успешной модернизацией солнечных элементов PERC, ею заинтересовались многие другие компании, включая Jinko Solar, LONGi Solar, Suntech, Canadian Solar и многие другие.

Основным недостатком этой новой технологии по сравнению с PERC/PERT является то, что для производства солнечных элементов TOPCon требуется большее количество серебра (Ag). Это увеличение серебра приводит к более высокой цене производства; однако новые разработки могут оказаться успешными в снижении необходимого количества серебра, обеспечивая при этом аналогичную или даже более высокую эффективность и снижение производственных затрат.

Структура и производство солнечных элементов TOPCon

Технология солнечных элементов TOPCon имеет структуру и производственный процесс, аналогичный солнечным элементам PERC, с несколькими дополнительными этапами. В этом разделе мы объясним, как работают обе эти функции:

Структура солнечного элемента TOPCon

Солнечные элементы TOPCon могут быть изготовлены как солнечные элементы n-типа или p-типа , но вариант n-типа оказался более эффективным и устойчивым к загрязнениям . Поскольку солнечные элементы TOPCon являются усовершенствованием солнечных элементов PERC/PERT, важно понимать структуру этой новой технологии.

Солнечные элементы PERT изготавливаются с объемным слоем кристаллического кремния n-типа (c-Si) из-за его более высокого качества поверхности, и он соединен с слоем p + эмиттера для создания pn-перехода. Слой эмиттера покрыт пассивирующим слоем оксида алюминия (Al 2 O 3 ) и покрыт покрытием из нитрида кремния (SiNx) для придания ему антиотражающих свойств. Солнечные элементы PERC заменяют поглощающий слой объемным слоем p-типа и эмиттером n + для pn-перехода.

Нижняя часть объемной области легируется фосфором для создания поля на задней поверхности, а затем покрывается SiNx аналогично верхней части ячейки. Как верхняя, так и нижняя часть солнечного элемента оснащены серебряными (Ag) или алюминиевыми (Al) контактами для замыкания цепи, когда элемент подключается к нагрузке или другим элементам во время изготовления солнечной панели PERC/PERT.

Структура солнечных элементов PERC/PERT оказалась весьма эффективной с тех пор, как она была представлена на рынке и применена для производства фотоэлектрических модулей, но исследователи нашли способы улучшить ее и поэтому создали солнечный элемент TOPCon.

Структура солнечного элемента TOPCon имеет базовую структуру солнечного элемента PERT, но включает в себя ультратонкий слой диоксида кремния (SiO 2 ), работающий как туннельный оксидный слой, и заменяет слой поля задней поверхности поликристаллическим кремнием, легированным фосфором (n + Poly) . -Si) слой. Эти модификации повысили эффективность за счет уменьшения процесса рекомбинации благодаря пассивации в добавленных слоях.

Производство солнечной батареи TOPCon

Одна из лучших особенностей технологии солнечных элементов TOPCon заключается в том, что производственный процесс настолько похож на процесс производства солнечных элементов PERT , что производителям нужно будет лишь сделать небольшие инвестиции для модернизации существующей производственной линии. Большая часть производственного оборудования может остаться прежней. Это делает солнечные элементы TOPCon отличной инвестицией для производителей фотоэлектрических модулей PERC/PERT, уже присутствующих на рынке.

• Первым шагом к производству солнечного элемента TOPCon является химическое текстурирование поверхности пластины с использованием гидроксида калия (KOH) для устранения повреждений, вызванных пилой в процессе резки пластины c-Si.
• После очистки пластины методом диффузии формируют эмиттер на передней стороне ячейки путем подачи газа трибромида бора (BBr 3 ), а затем эмиттер с обратной стороны удаляют путем нанесения азотной и плавиковой кислот (HF/ раствор HNO 3 ), а ультратонкий оксидный слой создается методом влажного химического погружения .
• Чтобы вырастить слой n + Poly-Si, слой аморфного кремния (na-Si:H), легированный фосфором, выращивают с помощью процесса химического осаждения из паровой фазы с усилением плазмы (PECVD). Затем он превращается в слой n + Poly-Si после отжига при 900°C.
• Далее солнечный элемент очищается, и с помощью PECVD наносятся пассивирующие и покровные слои.
• Наконец, контакты Ag/Al наносятся методом трафаретной печати для металлизации с использованием метода быстрого обжига при максимальной температуре 760ºC.

Чем солнечные элементы TOPCon отличаются от самых популярных фотоэлектрических технологий на рынке?

Падение мощности элемента TOPCon в течение 30 лет — Источник: Jinko Solar

Технология солнечных элементов TOPCon весьма перспективна и может быстро развиваться в отрасли солнечной энергетики. При рассмотрении новой развивающейся технологии, подобной этой, важно проанализировать ее по сравнению с другими популярными фотоэлектрическими технологиями на рынке. В этом случае мы сравним технологию солнечных элементов TOPCon с технологиями солнечных элементов PERC и гетероперехода (HJT).

Технология солнечных элементов PERC в настоящее время занимает первое место с самой высокой долей рынка в солнечной промышленности — 75% , в то время как технология солнечных элементов HJT начала внедряться в 2019 году, а к 2021 году ее рыночная доля составила всего 2,5% . едва представленный на рынке, уже составляет 8% рынка фотоэлектрических систем, но он может начать расти в 2023 году, когда основные производители перейдут с PERC/PERT на TOPCon.

С точки зрения технических характеристик технология PERC уступает технологиям солнечных элементов HJT и TOPCon. В то время как PERC имеет эффективность 24,5% и коэффициент двусторонности 70%, TOPCon увеличивает эффективность до 26,1% и коэффициент двусторонности до 85%, в то время как HJT идет еще дальше с эффективностью 26,56% и коэффициентом двусторонности 92%. Температурный коэффициент для солнечных элементов PERC хуже по сравнению с TOPCon с его 0,3%/ºC, в то время как солнечные элементы HJT даже ниже, до 0,21%/ºC.

Солнечные элементы HJT могут выглядеть весьма многообещающе, но у этой технологии есть серьезные недостатки из-за более высокой стоимости производства солнечных элементов и несовместимости производственной линии с современными технологиями. Именно здесь солнечные элементы TOPCon имеют преимущество, поскольку необходимая производственная линия для солнечных элементов TOPCon практически такая же, как у PERC/PERT, и стоимость также очень похожа.

Учитывая сходство технических характеристик солнечных элементов HJT и TOPCon, но принимая во внимание недостатки технологии HJT, становится понятно, почему крупные производители, такие как Trina Solar, Jinko Solar, LONGi и другие, выбирают солнечные элементы TOPCon вместо HJT. .

Преимущества и недостатки солнечных батарей TOPCon

Солнечные элементы TOPCon имеют несколько отличий от солнечных элементов PERC/PERT, но значительно улучшают их характеристики. В этом разделе мы представляем преимущества и недостатки солнечных элементов TOPCon.

Преимущества:

Небольшие капиталовложения для производителей PERC/PERT

Технология солнечных элементов TOPCon представляет собой модернизацию солнечных элементов PERC/PERT, состоящую из двух дополнительных этапов. Эта небольшая разница между обеими технологиями позволяет производителям солнечных элементов PERC и PERT перейти на TOPCon, добавив всего несколько единиц оборудования с небольшими инвестициями.

Несколько производителей сообщают о более высокой эффективности

Одной из основных особенностей солнечных панелей TOPCon является достигаемый более высокий КПД. По данным института Fraunhofer ISE, эффективность может превышать 25% . Это уже доказали производители фотоэлектрических систем, такие как LONGi, Jinko Solar и другие, с высокой эффективностью 26,1%.

Лучшая производительность в результате более низкого температурного коэффициента

Традиционные фотоэлектрические модули имеют температурный коэффициент 0,4%/℃-0,5%/℃, в то время как фотоэлектрические модули PERC работают лучше, поскольку этот коэффициент немного меньше 0,4%/℃. С другой стороны, фотоэлектрические модули TOPCon производства Jinko Solar уже доказали, что их температурный коэффициент составляет менее 0,3%/℃ , что значительно улучшает их характеристики во многих экстремальных погодных условиях.

На 15% выше бифасиальный фактор

Двусторонний фактор для фотоэлектрических модулей PERC был определен в среднем на уровне около 70%. Солнечные панели TOPCon, с другой стороны, доказали, что двусторонний фактор достигает 85%. Этот повышенный двусторонний фактор может увеличить прирост мощности на целых 2%.

Недостатки:

Несколько проблем в производственном процессе

Технология солнечных элементов TOPCon по-прежнему сталкивается с рядом проблем в производственном процессе. Некоторые из них включают различные мнения о наилучшем методе осаждения бора, различные требования к условиям чистого помещения, которые необходимо соблюдать, и невозможность применения текущего селективного эмиттера к фронтальному эмиттеру TOPCon. Чтобы солнечная энергетика развивалась вместе с TOPCon, необходимо решить эти проблемы.

Данных о массовом производстве мало, что ограничивает планы на будущее.

Различные компании, модернизирующие свои производственные линии PERC/PERT до солнечных элементов TOPCon, пошли разными путями, но, поскольку массовое производство ограничено, дорожная карта для этой технологии все еще находится в стадии разработки. По мере того, как крупные компании, такие как Trina Solar, LONGi и другие, начнут решать серьезные проблемы и находить оптимальные способы производства солнечных элементов TOPCon, дорожная карта станет более ясной.

Более высокое требование к серебру равно более высокой цене

Одной из основных проблем солнечных элементов TOPCon является более высокое требование к серебру для печати контактов на элементе. Идеальным вариантом снижения затрат было бы повышение эффективности при сохранении текущих затрат. Снижение затрат на эту технологию необходимо для выхода на рынок по разумным ценам.

Тенденции рынка с использованием солнечных элементов TOPCon

За последнее десятилетие рыночные тенденции сместились с солнечных панелей с обратной поверхностью (BSF) на технологию солнечных элементов PERC, и теперь, похоже, они смещаются к солнечным панелям TOPCon. Первоначально на рынке доминировали солнечные панели BSF, но производители начали внедрять технологию солнечных элементов PERC, и доля рынка выросла до 40% в 2018 году и почти 75% к 2021 году . Поскольку технология солнечных элементов TOPCon представляет собой экономичную модернизацию солнечных элементов PERC/PERT, эта новая технология вскоре может стать доминирующей на рынке.

В 2021 году LONGi объявила о новом рекорде для высокоэффективных солнечных панелей n-типа на уровне 25,21% с использованием технологии солнечных элементов TOPCon. Чуть позже Jinko Solar объявила о еще более высоком КПД — 25,4%. В 2022 году Trina Solar побила рекорд с эффективностью 25,5%, в то время как Canadian Solar также достигла высокой эффективности в 25,0% в том же году. К концу 2022 года Jinko Solar дважды подряд побила рекорд, достигнув сначала 25,7%, а затем 26,1%.

Многие производители фотоэлектрических систем начнут заполнять рынок солнечными панелями TOPCon по мере разработки и выпуска своей продукции. LONGi представила свои двусторонние солнечные панели TOPCon на выставке SNEC 2021, а Suntech выпустила серию Ultra VPro в 2022 году, но похоже, что 2023 год станет годом, когда большинство производителей фотоэлектрических систем выпустят свою продукцию. Jinko Solar представила три различных варианта солнечных панелей TOPCon мощностью от 445 Вт до 635 Вт, Canadian Solar также выходит на рынок с солнечными панелями мощностью до 690 Вт, а Trina Solar представила свои новые солнечные панели TOPCon мощностью до 445 Вт.

Это лишь некоторые из крупнейших производителей, но по мере развития технологий другие крупные компании солнечной отрасли также будут выпускать солнечные панели TOPCon. Существует значительная вероятность того, что по мере того, как технология солнечных элементов TOPCon станет более популярной, солнечные панели PERC начнут уступать место TOPCon, увеличивая свою долю рынка и присутствие в отрасли.

Настоящее и будущее солнечных батарей TOPCon

Технология солнечных элементов TOPCon — революционный продукт, улучшающий конструкцию солнечных панелей PERC/PERT.

Эта технология уже доказала свою ценность, достигнув эффективности, приближающейся к пределу Шокли-Квиссера для солнечных элементов с одним pn-переходом, и в целом обеспечивая лучшую производительность.

Солнечная промышленность начинает знакомиться с технологией солнечных батарей TOPCon. LONGi уже выпустила свои двусторонние модули в 2021 году, но большинство производителей будут выпускать свои высокоэффективные солнечные панели TOPCon со второго (Q2) по последний квартал (Q4) 2023 года.

Возможно, что поначалу технология солнечных элементов TOPCon будет иметь несколько более высокую стоимость, чем солнечные панели PERC/PERT, но аналитики ожидают, что стоимость солнечных панелей TOPCon упадет ниже, чем текущая стоимость технологии солнечных элементов PERC.