TOPCon太陽電池の紹介

TOPCon（トンネル酸化物パッシベーションコンタクト）は、2013年に初めて登場したN型ウェハーセル技術です。TOPCon太陽電池は、N型基板上に構築されたトンネル酸化物パッシベーション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物層 をセルの裏面の電荷輸送層として使用します。その上に約20nmのドープされたポリシリコン膜を堆積し、裏面にパッシベーションコンタクト構造を形成します。これにより、表面再結合と金属接触再結合を効果的に低減し、開放電圧を上昇させ、エネルギー変換効率を向上させます。

TOPConは、選択的キャリアの原理に基づくトンネル酸化物パッシベーション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。セルの裏面に薄い酸化物層を準備し、その後にドープされた薄膜を堆積します。これら2つが一緒になってパッシベーションコンタクト構造を形成し、表面再結合と金属接触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。ホウ素拡散と薄膜堆積装置の追加のみが必要で、裏面開口や位置合わせは不要です。これにより、セル製造プロセスが大幅に簡素化され、量産の難易度が低く抑えられます。プロセスラインは互換性が高く、PERCや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、 低劣化、高両面性、低温度係数という利点を持ち、末端の発電所レベルで明確な発電量増加をもたらします。

TOPConセルの開発段階

TOPConセルの開発史は、 技術プロトタイプ期、製品レイアウト期、商業促進期、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セルの独自のパッシベーション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メーカーはすでに量産効率25.5%以上を達成しており、主流のPERCセル（現在の量産変換効率約23.5%、理論限界24.5%）から大幅に改善されています。

• 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%多くの電力を生産します。同じ地上設置型発電所のシナリオでは、より高い発電量増加をもたらします。

• 低温度係数。 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、高温環境での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低いため、ホウ素-酸素再結合が実質的に発生せず、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%、直線年間劣化0.4%を示し、PERCモジュールの初年度2%、直線年間劣化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増加をもたらします。

• 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。

経済的利点

• 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。 TOPConはPERCプロセス技術から拡張可能で、ホウ素エミッタの準備、トンネル酸化膜の成長、ポリシリコンの堆積とドーピング、拡散後洗浄の4つの追加工程のみが必要です。これによりアップグレードの難易度が下がり、TOPCon技術の採用が加速します。

• スムーズなライン変換と低い設備投資コスト。 新しいTOPConラインの建設には約2〜2.5億の設備投資が必要ですが、新しいHJTラインには3.5〜4億が必要です。TOPConは既存のPERCラインとの設備互換性が高いため、ホウ素拡散とポリシリコン/アモルファスシリコン堆積装置（LPCVD / PECVD / PVD）のみを追加すればよく、設備投資は約5〜7千万です。これにより、大規模な新規設備投資や主要なライン改造を回避でき、経済性に優れています。

• 大き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1ワットあたりの発電量が高く、発電利得が高く、システムコストが低いため、価格プレミアムの余地が大きいです。

TOPConセル製造プロセス

単結晶PERCプロセスと比較して、TOPConセル製造プロセスでは2〜3の追加工程があります： トンネル酸化膜（超薄膜SiO2、1〜2nm）の堆積、真性ポリシリコン不動態化層（60〜100nm）の堆積、およびリン注入.

主要プロセス工程とその機能

1. 洗浄とテクスチャリング

目的：ウェーハ切断後、エッジが損傷し、結晶格子構造が破壊され、表面再結合が激しくなります。洗浄とテクスチャリングは主に表面の損傷を除去し、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ています。光はウェーハ表面で複数回反射し、反射率を低減します。

2. ホウ素拡散

目的：主な機能はPN接合を形成することです。ホウ素のシリコンへ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面倒でメンテナンスコストが増加します。

ホウ素拡散は通常、1000℃以上の高温で行われ、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を生成します。高温ではHBO2は再びB2O3に分解され、B2O3が太陽電池表面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の蓄積を防ぎ、石英部品の寿命を延ばし、有効なホウ素源を増加させます。HClはまた、セル表面や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内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。金属グリッドラインとウェー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、前面金属電極とウェーハ間の接触抵抗を低減します。一方、電極領域外では低濃度ドーピングにより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向上し、光電変換効率が改善されます。

TOPConフローにおけるレーザーの位置：PERC SEはリン拡散を使用するのに対し、TOPCon SEはホウ素拡散を使用します。ホウ素とリンは偏析係数が異なるため、リンは二酸化シリコンからシリコン中に拡散しやすい一方、ホウ素は押し込みにくく、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ーハを損傷しやすく、ホウ素拡散はより困難です。従来のホウ素拡散と比較して、TOPConセルにSE技術を追加すると、理論的には効率が0.5%向上し、実際の量産では0.2～0.4%の効率向上が達成できます。

4. エッチング

目的：エッチングの主な機能は、BSGと裏面接合を除去することです。拡散プロセスにより、ウェーハ表面とそのエッジの両方に拡散層が形成されます。エッジの拡散層は短絡を引き起こしやすく、表面の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。現在、エッチングは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た後、表面を処理します。

5. トンネル酸化層とポリシリコン層の準備

目的：裏面に1～2nmのトンネル酸化層を堆積し、その後60～100nmのポリシリコン層を堆積し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準備方法はいくつかあり、主にLPCVD、PECVD、PVDのルートがあります。LPCVDが現在主流ですが、回り込み堆積が深刻であり、PECVDは全体的な性能において強い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準備し、光吸収を増加させます。同時に、SiNx膜形成中に生成される水素原子がウェーハをパッシベーションします。

7. 表面酸化アルミニウム堆積

目的：ウェーハの表面に酸化アルミニウム膜を堆積し、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：表面反射防止膜の機能は基本的に裏面と同じです。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、その後のセルやモジュール製造中に損傷しやすいため、表面のSiNxは酸化アルミニウムを保護します。

9. スクリーン印刷 - レーザーパターン転写

現在、ほとんどのセル印刷はスクリーン印刷を使用しています。将来的には、N型セルの銀ペースト消費量削減において、パターン転写印刷が有利になる可能性があります。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で高速パターンスキャンを行い、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、前面および背面電極を作製します。

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

セルは変換効率に応じてビンに選別されます。

TOPConセルの今後の開発動向

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年から大幅に改善されました。

2023年に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、その内訳は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の見解

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ション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、より強い発電利得を提供し、現在太陽光発電業界の主流になりつつあります。