TOPCon 电池技术深度解析

来源：光伏技术发布时间：2021-11-04 08:19:08

1. TOPCon技术介绍

隧穿氧化层钝化接触太阳能电池(Tunnel Oxide Passivated Contact solar cell,TOPcon)是2013年在第28届欧洲 PVSEC 光伏大会上德国 Fraunhofer太阳能研究所首次提出的一种新型钝化接触太阳能电池，首先在电池背面制备一层 1～2nm 的隧穿氧化层，然后再沉积一层掺杂多晶硅，二者共同形成了钝化接触结构，为硅片的背面提供了良好的界面钝化。

2. TOPCon 理论极限效率

不同电子/空穴选择性接触材料结合组成电池的极限效率28.7%，目前全面积电池最高转化效率达到25.4%;

3. 电池效率损失分析

3.1 光损失(叠层电池)

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，产生的高能电子-空穴对与晶格碰撞热弛豫损失掉—高能量光子损失;

3.2 复合损失(PERC/HJT/TOPCon)

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;

4. 界面钝化目的4.1 制约传统晶体硅(c-Si)太阳能电池效率进一步提高的关键因素是在金属电极和硅之间的界面处载流子复合造成的损失，造成Jo负荷电流偏高。4.2 常规AL-BSF背电场全铝接触

常规AL-BSF(Aluminium Back SurfaceField)铝背场太阳能电池由于背面金属电极直接与Si接触，背面全金属复合，载流子复合严重，导致J0偏高，Voc难以超过685mv，目前最高效率20.3%，基本已被市场淘汰;4.3 PERC背钝化局部接触

采用PERC背钝化接触技术后，由于AL2O3/SiNx均为介质绝缘膜，为实现电学接触，需对介质膜进行局域开孔，由此造成载流子需通过二维输运才能被金属电极收集，造成横向电阻输运损耗，FF随着金属接触间距的增加而减少，同时金属与Si局域接触仍然在该区域存在较高的复合，即Jo，metal比较高,且Voc无法超过700mv。目前最高效率24.06%，根据ISFH测算，PERC电池的理论极限效率为24.5%;4.4 TOPCon 隧穿钝化接触

TOPCon 钝化接触电池的Poly-Si与Si基底界面间的氧化硅对钝化起着非常关键的作用，氧化硅通过化学钝化降低Si基底与Poly-Si之间的界面态密度，多数载流子浓度远高于少数载流子，降低电子空穴复合几率的同时，也增加了电阻率形成多数载流子的选择性接触。在选择性接触区域，多子传输导致电阻损失，同时少量少子向金属接触区迁移导致复合损失，前者对应接触电阻pc，后者对应界面复合J0，目前J0低至2fA/cm2，pc低至3mΩ/cm2的n+Poly钝化接触，Voc高达733mv，电池Voc突破700mv，目前最高效率为25.4%，根据ISFH测算，TOPCon电池的理论极限效率为28.7%;

5. TOPCon电池结构

5.1 因其特殊的能带结构，超薄氧化层可允许多子隧穿而阻挡少子透过，在其上沉积一层金属作为电极就实现了无需开孔的钝化接触结构;

5.2 无需激光开孔，采用N型硅片无光致衰减，兼容中高温烧结;

5.3 主要提升的钝化是背面钝化，背面采用1-2nm的高质量SiOx层结合掺杂非晶硅进行高温晶化退火从而实现全区域的钝化接触，采用高质量的超薄氧化硅和掺杂多晶硅层，实现全背面的高效钝化和载流子选择性收集;6. TOPCon隧穿钝化原理

跟现有PERC相比，TOPCon的核心结构是超薄的二氧化硅层，利用量子隧穿效应，既能让电子顺利通过，又可以阻止空穴的复合。

7. TOPCon隧穿钝化效果7.1 全面积钝化表面使得无硅/金属接触界面，有利于提升开路电压Voc，而全面积地收集载流子，降低寿命敏感度，有利于提升填充因子FF;7.2 阻挡少子通过同时使多子无障碍的轻松通过，因此可以减少复合;7.3 结构中的钝化层可以抑制硅片表面的载流子复合，提高硅片的少子寿命和电池的开路电压，载流子选择收集钝化接触结构可以被应用到电池的全表面，而无需开孔形成局部钝化接触，这不仅简化了制造工艺同时载流子只需进行一维方向的输运而无需另外的横向传输，因而可以获得更高的填充因子;8. TOPCon 电池与无氧化硅钝化电池 I-V 对比

上图电池Ref(a)( b)是无氧化硅钝化的电池，其中电池b比电池a增加了背表面重掺杂的n + -poly-Si层，而TOPCon具有氧化硅双面钝化功能，使得Voc，Jsc，FF和Eff均为最高，分别达到729.8mV，39.98mA/cm2、0.86和24.98%。TOPCon电池与具有背场功能的Ref( b)电池相比，Jsc只增加了0.89mA/cm2 ，增幅为2.3%，而Voc增加了73.4mV，增幅达到了 11.2%，这说明氧化硅对晶体硅前后表面的钝化可以大幅减少载流子在电池前后表面的复合，增加电池的开路电压，从而提升电池的效率。9. 不同SiOx厚度对 TOPCon 电池 Voc、Jsc、FF、Eff 的影响

氧化硅厚度对TOPCon电池性能的影响，随着厚度的增加，Voc快速增加，然后基本保持不变，当氧化硅厚度为1.2nm时，Voc达到最大值738.1mV，另外3个电池参数Jsc，FF和Eff 随氧化硅厚度的变化趋势基本一致，随厚度递增先缓慢增大然后迅速减小,当氧化硅厚度为1.2nm时，Jsc和Eff分别达到最大值42.02mA/cm2和26.8%，说明TOPCon电池中,氧化硅的厚度存在一个最佳值(1.2nm).当氧化硅厚度大于1.2nm时，电池的效率开始急剧下降。

10. 不同 SiO x 厚度下 TOPCon 电池的能带及电子和空穴浓度

当不存在SiOx时，其电子准费米能级(EnF)在SiOx与n-c-Si界面之间出现了轻微的不连续，这种不连续几乎很难对多数载流子(电子)造成影响。但是当插入SiOx薄层时，p + -poly-Si/n-c-Si 界面出现了很明显的电子准费米能级的不连续性。在开路的条件下，载流子的净复合率等于净产生率.氧化物的插入会阻止 n-c-Si 中的多子流向前表面与空穴复合，这在一定程度上降低了 n-c-Si 与 p + -poly-Si 和前电极的复合.另外，n-c-Si 中的电子浓度大于空穴，在高复合区域存在较少的电子浓度.正是因为存在电子准费米能级的不连续性才导致了在SiO x 与n-c-Si 之间复合速率的降低。在 n-c-Si 中的电子和空穴浓度基本是接近的，但还是电子浓度大于空穴浓度，表明电子尽管在前界面处不易隧穿 SiO x ，但是后界面处容易隧穿.同时，空穴没有形成准费米能级的不连续性，前表面的空穴容易隧穿，而后表面对空穴则形成一定的阻碍，这都表明钝化效果体现在载流子的输运上，也就是钝化界面态作用。11. 氧化硅介孔密度(Dph)对 TOPCon电池 Voc、Jsc和Eff的影响

氧化硅的介孔密度(Dph)表征氧化硅中的缺陷密度，载流子在分布有介孔密度的氧化硅体内的隧穿，本质上是载流子在二维空间上的输运，但是在氧化硅为几个nm 的厚度情况下，可以把这种载流子二维输运近似为一维输运来处理，当 Dph低于 10-6时，最高的Voc可达到约740mV，如图 5 所示，这表明低的介孔密度对 Voc几乎没有影响，当Dph介于10-6～10-4时，对Voc影响也可以忽略不计的。Dph对TOPCon电池Jsc的影响，Dph从10-12增大到10-6的过程中，当氧化硅厚度为0.6nm时，Jsc保持为40.0mA/cm2几乎没有变化，然而，当氧化硅厚度为1.2nm时，Jsc从46.2mA/cm2 显著降低到38.8mA/cm2，这已经低于没有氧化硅钝化时器件的 Jsc。这表明氧化硅的厚度越大，介孔密度对短路电流的影响越大，氧化硅的介孔密度越大，器件的钝化效果越差，器件的漏电流增大，当介孔密度大于10-2时，介孔密度对短路电流的影响已经与氧化硅厚度无关。12. 氧化硅中的隧穿电流和针孔导致的局部复合电流的模型针孔导致多晶硅与晶体硅直接接触形成高复合电流(Jrec)，另外电子从多晶硅直接隧穿通过氧化硅形成隧穿电流(Jtun).

13. 多晶硅掺杂浓度对TOPCon电池的 Voc和 Eff的影响

对于传统的 p-n 结 c-Si 太阳能电池，发射层的掺杂浓度越高，耗尽区的内建电场越大，减少了光生载流子在 c-Si 界面的积累，从p-n结的另一侧注入的少数载流子的数目仅仅是处于热平衡的少数载流子的数目.降低少数载流子浓度可以减少复合，而提高掺杂浓度可以使少数载流子浓度最小化.然而，高掺杂会导致载流子扩散长度的减少，从而增加载流子复合。因此，在传统的p-n结c-Si太阳电池中，存在一个最佳的发射层掺杂浓度.由于TOPCon太阳电池中p+或n+多晶硅层的厚度只有30nm，因此不会出现没有高掺杂浓度导致扩散长度减小的现象.此外，p+或n+多晶硅层中的高掺杂会增加电子或空穴在氧化硅中的隧穿概率.因此，多晶硅层的掺杂浓度越高，TOPCon 太阳能电池的开路电压和效率就越高.14. 具有局部针孔的n+型多硅/硅结的简图