TOPCon太陽電池：正式名称、構造、仕組み

簡単な回答： TOPConはTunnel Oxide Passivated Contact（トンネル酸化膜パッシベーションコンタクト）の略です。これはN型シリコン太陽電池技術であり、裏面のドープされたポリシリコン層の下に、約1～2ナノメートルの極薄トンネル酸化膜層を配置します。この積層構造には2つの役割があります。裏面をパッシベーションして電荷キャリアの再結合を減らし、多数キャリアをトンネル通過させつつ逆極性をブロックします。その結果、開放電圧がPERCより高くなり、ひいては変換効率も高くなります。これがTOPConがPERCに取って代わり、主流の産業用セル技術となった理由です。製造事業者にとって重要な点として、TOPConは既存のPERC設備とほぼライン互換性があり、主にホウ素拡散、トンネル酸化膜、ポリシリコン堆積の工程を追加するだけで済みます。また、バックコンタクトファミリーの基盤でもあります。IBC、TBC、HBC、HIBCセルはいずれもTOPConのパッシベーションコンタクトを基に構築されています。

PV モジュール製造 · Jerry、Ooitech 著

TOPCon太陽電池の紹介

TOPConは、より長いバックコンタクトシーケンスの最初のステップです。IBC、TBC、HBC、HIBCがそれをどのように発展させるかは、次に示されています。 BCセル技術ロードマップ：構造からプロセスまで.

TOPCon（トンネル酸化膜パッシベーテッドコンタクト）は、2013年に初めて登場したN型ウェハセル技術です。TOPCon太陽電池は、N型基板上に構築されたトンネル酸化膜パッシベーテッドコンタクト太陽電池です。

PERCセルと比較して、TOPConセルは 優れた電荷輸送特性を持つトンネル酸化膜層 をセル裏面の電荷輸送層として使用します。さらにその上に約20nmのドープされたポリシリコン膜を堆積させ、裏面にパッシベーテッドコンタクト構造を形成します。これにより表面再結合と金属コンタクト再結合が効果的に低減され、開放電圧が向上し、エネルギー変換効率が改善されます。

TOPConは、選択的キャリアの原理に基づくトンネル酸化膜パッシベーテッドコンタクト太陽電池技術であり、優れたパッシベーション効果を実現します。

TOPConセルはN型基板を使用します。セル裏面に薄い酸化膜層を形成し、続いてドープされた薄膜を形成します。この二つが共にパッシベーテッドコンタクト構造を形成し、表面再結合と金属コンタクト再結合を効果的に低減し、N-PERTセルの変換効率をさらに向上させる大きな余地を提供します。

TOPCon技術は、既存の従来型P型セル設備とプロセスを最大限に維持・再利用します。必要なのはホウ素拡散と薄膜堆積装置の追加のみで、裏面の開口やアライメントは不要です。これによりセル製造プロセスが大幅に簡素化され、量産の難易度も低く抑えられます。このプロセスラインは高い互換性を持ち、PERCおよびN-PERT両面セルに使用される高温製造ラインと並行して稼働できます。

TOPConセルは次の利点を提供します： 低劣化、高い両面性、低い温度係数、これにより末端の電力ステーション段階で明確な発電量の向上をもたらします。

TOPConセルの開発段階

TOPConセルの開発の歴史は4つの段階に分けることができます： 技術プロトタイプ期、製品レイアウト期、商業化推進期、爆発的成長期.

TOPConセルの利点

性能上の利点

• 高い変換効率。 TOPConセル独自のパッシベートコンタクト設計により、理論効率限界は最大28.7%に達します。主要なTOPConメーカーはすでに25.5%を超える量産効率を達成しており、主流のPERCセル（現在の量産変換効率は約23.5%、理論限界は24.5%）からの大幅な改善となっています。

• 高い両面性。 TOPCon両面セルは、両面PERCセルよりも1ワットあたり約3%多くの電力を発電します。同じ地上設置型電力ステーションのシナリオでは、これによりより高い発電量の向上がもたらされます。

• 低い温度係数。 N型TOPConモジュールの温度係数は-0.30%/℃と低く、P型モジュールの-0.35%/℃よりも優れており、高温環境下で優れた安定性を示します。

• 低劣化。 リンをドープしたN型結晶シリコンはホウ素含有量が極めて少ないため、ホウ素-酸素再結合が実質的に存在せず、劣化率において優位性があります。一部のTOPConモジュールは初年度劣化1%、年間線形劣化0.4%を示し、PERCモジュールの初年度2%、線形0.45%と比較して、モジュールのライフサイクル全体で1ワットあたりの発電量向上をもたらします。

• 優れた低照度性能。 TOPConセルは短波長と長波長の両方に良好に応答し、早朝、夕方、曇天などの低照度条件下でも優れた発電能力を維持します。

経済的優位性

• PERC製造との高い互換性により、技術アップグレードの難易度を低減します。 TOPConはPERCプロセス技術から拡張でき、追加の4ステップのみが必要です：ボロンエミッタの作製、トンネル酸化層の成長、ポリシリコンの堆積とドーピング、拡散後洗浄。これによりアップグレードの難易度が下がり、TOPCon技術の導入が加速します。

• 設備投資コストが低く、円滑なライン転換が可能。 新規TOPConラインの構築には約2億～2億5,000万の設備投資が必要であるのに対し、新規HJTラインには3億5,000万～4億が必要です。TOPConは既存のPERCラインとの設備互換性が高いため、ボロン拡散装置とポリシリコン/アモルファスシリコン堆積装置（LPCVD / PECVD / PVD）を追加するだけで済み、設備投資は約5,000万～7,000万です。これにより新設備への大規模投資や大規模なライン改造を回避でき、非常に経済的です。

• 大幅な価格プレミアムの可能性。 PERCモジュールと比較して、TOPConモジュールはワットあたりの発電量が多く、発電利得が高く、システムコストが低いため、価格プレミアムの大きな余地があります。

TOPConセル製造プロセス

単結晶PERCプロセスと比較して、TOPConセル製造プロセスは2～3の追加ステップを加えます： トンネル酸化層の堆積（超薄SiO2、1-2nm）、真性ポリシリコンパッシベーション層の堆積（60-100nm）、およびリン注入.

主要プロセスステップとその機能

1. 洗浄とテクスチャリング

目的：ウェハ切断後、エッジが損傷し、結晶格子構造が破壊され、表面再結合が深刻になります。洗浄とテクスチャリングは主に表面損傷を除去し、表面にピラミッド型の光閉じ込め構造を形成することを目的とします。光はウェハ表面で複数回反射し、反射率を低減します。

2. ボロン拡散

目的：主な機能はPN接合を形成することです。ホウ素はシリコン中の固溶度が低いため、拡散には高温と長時間が必要です。拡散源の選択も生産に影響します。塩化物は腐食性があり、臭化物は粘性があるため洗浄が煩雑になり、メンテナンスコストが増加します。

ホウ素拡散は通常、より高い温度—1000℃以上—で完了し、リン拡散に必要な102分のサイクルと比較して、ホウ素拡散のサイクルは150分かかります。

原理：

炉管内の反応で生成されたガス状のHClとH2OはN2によって運ばれ、管内全体に均一に分布します。H2OはまたBBr3およびO2と反応してB2O3を形成し、さらに反応してガス状のHBO2を形成します。高温ではHBO2が再びB2O3に分解され、B2O3が太陽電池表面全体に均一に分布できるようになります。さらに、H2Oは炉管内に堆積したB2O3と反応し、拡散管壁へのB2O3の堆積を防ぎ、石英部品の寿命を延ばし、有効なホウ素源を増やします。HClはまた、電池表面および管内の金属不純物と反応してガス状の金属塩化物を形成し、排気ガスとともに排出されるため、高温プロセス中に金属不純物が太陽電池に拡散するのを防ぎます。

3. SEレーザードーピング

目的：選択的エミッタを形成することです。金属グリッドラインとウェハの接触領域およびその近傍に高濃度ドーピングを施して、フロント金属電極とウェハ間の接触抵抗を低減し、電極領域外の低濃度ドーピングは拡散層での再結合を低減します。エミッタを最適化することで太陽電池の出力電流と電圧が増加し、光電変換効率が向上します。

TOPConフローにおけるレーザーの位置づけ：PERC SEはリンをドーピングするのに対し、TOPCon SEはボロンをドーピングします。ボロンとリンの偏析係数が異なるため、リンは二酸化ケイ素からシリコンへ拡散しやすい一方、ボロンは押し込みにくく、より多くのエネルギーを必要とします。しかし過剰なレーザーエネルギーはウェハを損傷しやすく、ボロンドーピングをより困難にします。従来のボロン拡散と比較して、TOPConセルにSE技術を追加すると、理論上は効率を0.5%向上させることができ、実際の量産では0.2～0.4%の効率向上を達成できます。

4. エッチング

目的：エッチングの主な機能は、BSGと裏面ジャンクションを除去することです。拡散プロセスでは、ウェハ表面とそのエッジの両方に拡散層が形成されます。エッジ拡散層は短絡を引き起こしやすく、表面拡散層はその後のパッシベーションに影響を与えるため、両方を除去する必要があります。エッチングは現在主にウェット方式で行われ、チェーン型装置で裏面とエッジの拡散層を除去してから表面を処理します。

5. トンネル酸化膜とポリシリコン層の準備

目的：裏面に1～2nmのトンネル酸化膜を堆積させ、次に60～100nmのポリシリコン層を堆積させてパッシベーション構造を形成します。TOPConパッシベーション層の作製方法はいくつかあり、主にLPCVD、PECVD、PVDのルートがあります。LPCVDが現在の主流ですが、回り込み堆積が深刻であり、PECVDは総合性能において大きな可能性を秘めています。

6. 裏面反射防止膜の準備

目的：セルの裏面に反射防止パッシベーション膜を形成して光吸収を高めます。同時に、SiNx膜形成プロセス中に生成される水素原子がウェハをパッシベーションします。

7. 表面酸化アルミニウムの堆積

目的：ウェハの表面に酸化アルミニウム膜を堆積させ、他の膜とともに表面パッシベーション効果を形成します。

8. 表面反射防止膜の準備

目的：表面反射防止膜は、基本的に裏面のものと同じように機能します。さらに、表面に堆積された酸化アルミニウム膜は非常に薄く、その後のセルおよびモジュール製造中に損傷しやすいため、表面SiNxは酸化アルミニウムも保護します。

9. スクリーン印刷 - レーザーパターン転写

現在、セル印刷のほとんどはスクリーン印刷が使用されています。将来的に、N型セルの銀ペースト消費量を削減するという点では、Pattern Transfer Printingが優位性を持つ可能性があります。レーザー転写は新しい非接触印刷技術です。必要なペーストを特定の柔軟な透明材料に塗布し、高出力レーザービームが高速でパターン走査を行い、ペーストを柔軟な透明材料からセル表面に転写して、グリッドラインを形成し、表裏の電極を作製します。

10. 焼結

高温焼結により良好なオーミックコンタクトが形成されます。

11. 自動選別

セルは変換効率の違いに応じてビンに選別されます。

TOPConセルの将来の発展動向

2023年、N型TOPConセルの平均変換効率は25.0%に達し、ヘテロ接合セルの平均変換効率は25.2%に達し、いずれも2022年から大幅な改善を示しました。

2023年、新たに稼働した量産ラインは主にN型セルラインでした。N型セルの生産能力が徐々に解放されるにつれて、PERCセルの市場シェアは73.0%に圧縮されました。N型セルは合計で約26.5%を占め、そのうちN型TOPConセルが約23.0%、ヘテロ接合セルが約2.6%、XBCセルが約0.9%であり、いずれも2022年から大幅に増加しました。

2024年以降、TOPConに代表されるN型セルのシェアはP型PERCを全面的に上回り、業界ではシェアが70%に達し、それを超えると予想されています。

Ooitechの視点

Ooitechは次のように考えています。既存のPERCラインを基盤とするN型トンネル酸化膜パッシベーテッドコンタクトセル技術であるTOPConは、より高い効率、より低い劣化、より強い発電量の向上をもたらし、現在太陽光産業の主流になりつつあります。