Sel Surya TOPCon: Kepanjangan, Struktur, dan Cara Kerjanya

Jawaban singkat: TOPCon adalah singkatan dari Tunnel Oxide Passivated Contact. Ini adalah teknologi sel surya silikon tipe-N yang menempatkan lapisan oksida terowongan ultra-tipis, sekitar 1 hingga 2 nanometer, di bawah lapisan polisilikon terdoping pada permukaan belakang. Tumpukan lapisan tersebut melakukan dua hal: mempasivasi permukaan belakang sehingga lebih sedikit pembawa muatan yang mengalami rekombinasi di sana, dan memungkinkan pembawa muatan mayoritas menerobos melalui terowongan sambil memblokir polaritas yang berlawanan. Hasilnya adalah tegangan rangkaian terbuka yang lebih tinggi daripada PERC, dan karenanya efisiensi yang lebih tinggi — alasan TOPCon menggantikan PERC sebagai teknologi sel industri yang dominan. Yang krusial bagi produsen, TOPCon sebagian besar kompatibel dengan peralatan PERC yang ada, terutama hanya memerlukan tambahan langkah difusi boron, oksida terowongan, dan deposisi polisilikon. Teknologi ini juga menjadi fondasi bagi keluarga sel back-contact: sel IBC, TBC, HBC, dan HIBC semuanya dibangun di atas kontak pasivasi TOPCon.

Manufaktur Modul PV · oleh Jerry, Ooitech

Pengenalan Sel Surya TOPCon

TOPCon adalah langkah pertama dalam rangkaian back-contact yang lebih panjang. Bagaimana IBC, TBC, HBC dan HIBC dibangun di atasnya dijelaskan dalam Peta jalan teknologi sel BC: dari struktur ke proses.

TOPCon (Tunnel Oxide Passivating Contact) adalah teknologi sel wafer tipe-N yang pertama kali muncul pada tahun 2013. Sel surya TOPCon adalah sel surya kontak pasif oksida terowongan yang dibangun di atas substrat tipe-N.

Dibandingkan dengan sel PERC, sel TOPCon menggunakan lapisan oksida terowongan dengan sifat transportasi muatan yang sangat baik sebagai lapisan transportasi muatan di bagian belakang sel. Di atasnya, film polisilikon yang didoping setebal sekitar 20nm diendapkan untuk membentuk struktur kontak pasif di sisi belakang. Ini secara efektif mengurangi rekombinasi permukaan dan rekombinasi kontak logam, meningkatkan tegangan sirkuit terbuka, dan meningkatkan efisiensi konversi energi.

TOPCon adalah teknologi sel surya kontak pasif oksida terowongan yang didasarkan pada prinsip pembawa selektif, mencapai efek pasivasi yang unggul.

Sel TOPCon menggunakan substrat tipe-N. Lapisan oksida tipis disiapkan di bagian belakang sel, diikuti oleh film tipis yang didoping. Keduanya membentuk struktur kontak pasif yang secara efektif mengurangi rekombinasi permukaan dan rekombinasi kontak logam, memberikan ruang lebih besar untuk lebih meningkatkan efisiensi konversi sel N-PERT.

Teknologi TOPCon mempertahankan dan menggunakan kembali peralatan dan proses sel P-type konvensional yang ada secara maksimal. Hanya memerlukan penambahan peralatan difusi boron dan deposisi film tipis, tanpa perlu pembukaan atau penyelarasan sisi belakang. Ini sangat menyederhanakan proses produksi sel dan menjaga kesulitan produksi massal tetap rendah. Jalur proses memiliki kompatibilitas tinggi dan dapat berjalan bersama dengan jalur manufaktur suhu tinggi yang digunakan untuk sel bifacial PERC dan N-PERT.

Sel TOPCon menawarkan keunggulan degradasi rendah, bifacialitas tinggi, dan koefisien suhu rendah, memberikan peningkatan pembangkitan daya yang jelas di tingkat pembangkit listrik terminal.

Tahap Pengembangan Sel TOPCon

Sejarah pengembangan sel TOPCon dapat dibagi menjadi empat tahap: periode prototipe teknologi, periode penempatan produk, periode promosi komersial, dan periode pertumbuhan eksplosif.

Keunggulan Sel TOPCon

Keunggulan Kinerja

• Efisiensi konversi tinggi. Berkat desain kontak pasivasi unik dari sel TOPCon, batas efisiensi teoretis mencapai hingga 28,7%. Produsen TOPCon terkemuka telah mencapai efisiensi produksi massal di atas 25,5%, peningkatan signifikan dibandingkan sel PERC arus utama (efisiensi konversi produksi massal saat ini sekitar 23,5%, batas teoretis 24,5%).

• Bifacialitas tinggi. Sel bifacial TOPCon menghasilkan sekitar 3% lebih banyak daya per watt daripada sel bifacial PERC. Dalam skenario pembangkit listrik darat yang sama, ini memberikan peningkatan pembangkitan daya yang lebih tinggi.

• Koefisien suhu rendah. Koefisien suhu modul N-type TOPCon serendah -0,30%/℃, lebih baik daripada -0,35%/℃ modul P-type, menunjukkan stabilitas yang sangat baik di lingkungan bersuhu tinggi.

• Degradasi rendah. Silikon kristal N-type yang didoping fosfor mengandung kadar boron yang sangat rendah, sehingga pada dasarnya tidak ada rekombinasi boron-oksigen, memberikan keunggulan dalam tingkat degradasi. Beberapa modul TOPCon menunjukkan degradasi tahun pertama sebesar 1% dan degradasi linier tahunan sebesar 0,4%, dibandingkan dengan 2% tahun pertama dan 0,45% linier untuk modul PERC, memberikan peningkatan pembangkitan daya per watt selama siklus hidup modul.

• Kinerja kuat dalam cahaya rendah. Sel TOPCon merespons dengan baik terhadap panjang gelombang pendek dan panjang, mempertahankan kemampuan pembangkit listrik yang sangat baik dalam kondisi cahaya rendah seperti pagi hari, sore hari, dan cuaca mendung.

Keuntungan Ekonomi

• Kompatibilitas tinggi dengan manufaktur PERC, menurunkan kesulitan upgrade teknologi. TOPCon dapat diperluas dari teknologi proses PERC, hanya memerlukan empat langkah tambahan: menyiapkan emitor boron, menumbuhkan lapisan oksida terowongan, mendeposit dan mendoping polisilikon, serta pembersihan pasca-difusi. Ini menurunkan kesulitan upgrade dan mempercepat adopsi teknologi TOPCon.

• Konversi jalur yang mulus dengan biaya investasi peralatan rendah. Membangun jalur TOPCon baru memerlukan investasi peralatan sekitar 200-250 juta, sementara jalur HJT baru memerlukan 350-400 juta. Karena TOPCon menawarkan kompatibilitas peralatan yang baik dengan jalur PERC yang ada, hanya peralatan difusi boron dan deposisi polisilikon/silikon amorf (LPCVD / PECVD / PVD) yang perlu ditambahkan, dengan investasi peralatan sekitar 50-70 juta. Ini menghindari investasi besar dalam peralatan baru dan retrofit jalur utama, sehingga sangat ekonomis.

• Potensi premium harga yang signifikan. Dibandingkan dengan modul PERC, modul TOPCon menawarkan pembangkit listrik per watt yang lebih tinggi, keuntungan pembangkitan yang lebih tinggi, dan biaya sistem yang lebih rendah, menciptakan ruang yang substansial untuk premium harga.

Proses Manufaktur Sel TOPCon

Dibandingkan dengan proses monokristalin PERC, proses produksi sel TOPCon menambahkan 2 hingga 3 langkah tambahan: mendeposit lapisan oksida terowongan (SiO2 ultra-tipis, 1-2nm), mendeposit lapisan pasivasi polisilikon intrinsik (60-100nm), dan implantasi fosfor.

Langkah Proses Utama dan Fungsinya

1. Pembersihan dan Teksturisasi

Tujuan: Setelah pemotongan wafer, tepi mengalami kerusakan, struktur kisi kristal rusak, dan rekombinasi permukaan parah. Pembersihan dan teksturisasi terutama bertujuan untuk menghilangkan kerusakan permukaan dan membentuk struktur penangkap cahaya piramida di permukaan. Cahaya dipantulkan beberapa kali di seluruh permukaan wafer, mengurangi reflektansi.

2. Difusi Boron

Tujuan: Fungsi utama adalah membentuk sambungan PN. Karena boron memiliki kelarutan padat yang rendah dalam silikon, diperlukan suhu tinggi dan waktu yang lebih lama untuk difusi. Pemilihan sumber difusi juga mempengaruhi produksi: klorida bersifat korosif, sedangkan bromida bersifat kental, sehingga pembersihan menjadi rumit dan meningkatkan biaya perawatan.

Difusi boron biasanya dilakukan pada suhu yang lebih tinggi—di atas 1000℃—dan dibandingkan dengan siklus 102 menit yang diperlukan untuk difusi fosfor, siklus difusi boron memakan waktu 150 menit.

Prinsip:

HCl dan H2O gas yang dihasilkan oleh reaksi di dalam tabung tungku dibawa oleh N2 dan didistribusikan secara merata ke seluruh tabung. H2O juga bereaksi dengan BBr3 dan O2 membentuk B2O3, yang selanjutnya bereaksi membentuk HBO2 gas; pada suhu tinggi HBO2 terurai kembali menjadi B2O3, memungkinkan B2O3 terdistribusi secara merata di permukaan sel surya. Selain itu, H2O bereaksi dengan B2O3 yang terdeposit di dalam tabung tungku, mencegah penumpukan B2O3 pada dinding tabung difusi, memperpanjang umur komponen kuarsa, dan meningkatkan sumber boron efektif. HCl juga dapat bereaksi dengan pengotor logam pada permukaan sel dan di dalam tabung membentuk klorida logam gas yang keluar bersama gas buang, mencegah pengotor logam berdifusi ke dalam sel surya selama proses suhu tinggi.

3. Doping Laser SE

Tujuan: Membentuk emitor selektif. Doping konsentrasi tinggi diterapkan pada dan di dekat area kontak antara garis kisi logam dan wafer untuk mengurangi resistansi kontak antara elektroda logam depan dan wafer, sementara doping konsentrasi rendah di luar area elektroda mengurangi rekombinasi di lapisan difusi. Mengoptimalkan emitor meningkatkan arus keluaran dan tegangan sel surya, sehingga meningkatkan efisiensi konversi fotolistrik.

Di mana laser berada dalam aliran TOPCon: PERC SE menggunakan doping fosfor, sedangkan TOPCon SE menggunakan doping boron. Karena boron dan fosfor memiliki koefisien segregasi yang berbeda, fosfor lebih mudah berdifusi dari silikon dioksida ke dalam silikon, sedangkan boron lebih sulit untuk didorong masuk dan membutuhkan lebih banyak energi. Namun energi laser yang berlebihan mudah merusak wafer, membuat doping boron lebih menantang. Dibandingkan dengan difusi boron tradisional, penambahan teknologi SE pada sel TOPCon secara teoritis dapat meningkatkan efisiensi sebesar 0,5%, dan dalam produksi massal aktual dapat mencapai peningkatan efisiensi sebesar 0,2-0,4%.

4. Etsa

Tujuan: Fungsi utama etsa adalah untuk menghilangkan BSG dan sambungan belakang. Proses difusi membentuk lapisan difusi pada permukaan wafer dan tepinya; lapisan difusi tepi mudah menyebabkan korsleting, dan lapisan difusi permukaan mempengaruhi pasivasi selanjutnya, sehingga keduanya harus dihilangkan. Etsa saat ini terutama dilakukan dengan metode basah, menghilangkan lapisan difusi belakang dan tepi dalam peralatan rantai sebelum memproses sisi depan.

5. Persiapan Lapisan Oksida Terowongan dan Lapisan Polisilikon

Tujuan: Mendepositkan lapisan oksida terowongan setebal 1-2nm di bagian belakang, kemudian mendepositkan lapisan polisilikon setebal 60-100nm untuk membentuk struktur pasivasi. Ada beberapa metode untuk menyiapkan lapisan pasivasi TOPCon, terutama rute LPCVD, PECVD, dan PVD. LPCVD saat ini menjadi yang utama, tetapi deposisi melingkar parah, sementara PECVD menawarkan potensi kuat dalam kinerja keseluruhan.

6. Persiapan Film Anti-Pantul Belakang

Tujuan: Menyiapkan film pasivasi anti-pantul di bagian belakang sel untuk meningkatkan penyerapan cahaya. Pada saat yang sama, atom hidrogen yang dihasilkan selama proses pembentukan film SiNx mempasivasi wafer.

7. Deposisi Aluminium Oksida Sisi Depan

Tujuan: Mendepositkan lapisan film aluminium oksida di bagian depan wafer, yang bersama dengan film lainnya membentuk efek pasivasi depan.

8. Persiapan Film Anti-Pantul Depan

Tujuan: Film anti-pantul depan bekerja pada dasarnya sama dengan yang belakang. Selain itu, film aluminium oksida yang didepositkan di depan sangat tipis dan mudah rusak selama pembuatan sel dan modul selanjutnya, sehingga SiNx depan juga melindungi aluminium oksida.

9. Sablon - Transfer Pola Laser

Saat ini, sebagian besar pencetakan sel masih menggunakan sablon. Ke depannya, dalam hal mengurangi konsumsi pasta perak untuk sel tipe-N, Pencetakan Transfer Pola mungkin memiliki keunggulan. Transfer laser adalah teknologi pencetakan non-kontak baru: pasta yang diperlukan dilapisi pada bahan transparan fleksibel tertentu, dan sinar laser berdaya tinggi melakukan pemindaian pola berkecepatan tinggi untuk mentransfer pasta dari bahan transparan fleksibel ke permukaan sel, membentuk garis kisi dan menyiapkan elektroda depan dan belakang.

10. Sintering

Kontak ohmik yang baik terbentuk melalui sintering suhu tinggi.

11. Penyortiran Otomatis

Sel disortir ke dalam wadah sesuai dengan efisiensi konversi yang berbeda.

Tren Perkembangan Masa Depan Sel TOPCon

Pada tahun 2023, efisiensi konversi rata-rata sel TOPCon tipe-N mencapai 25,0%, dan efisiensi konversi rata-rata sel heterojungsi mencapai 25,2%, keduanya menunjukkan peningkatan signifikan dibandingkan tahun 2022.

Pada tahun 2023, jalur produksi massal yang baru dioperasikan terutama adalah jalur sel tipe-N. Seiring kapasitas sel tipe-N secara bertahap dilepaskan, pangsa pasar sel PERC terkompresi menjadi 73,0%. Sel tipe-N mencapai total gabungan sekitar 26,5%, dengan sel TOPCon tipe-N sekitar 23,0%, sel heterojungsi sekitar 2,6%, dan sel XBC sekitar 0,9%—semuanya meningkat substansial dibandingkan tahun 2022.

Mulai tahun 2024 dan seterusnya, pangsa sel tipe-N yang diwakili oleh TOPCon akan secara komprehensif melampaui P-type PERC, dengan industri memperkirakan pangsa akan mencapai dan melampaui 70%.

Perspektif Ooitech

Ooitech percaya: TOPCon, teknologi sel kontak pasif oksida terowongan tipe-N yang dibangun di atas jalur PERC yang ada, memberikan efisiensi lebih tinggi, degradasi lebih rendah, dan peningkatan pembangkitan daya yang lebih kuat, dan kini menjadi arus utama industri surya.