TOPCon设备专题报告：规模量产PECVD成为主流工艺.docx

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1、一、行业转型，PERC电池到TOPCcm电池，道易且近TOPCon电池技术，是2014年由德国Fraunhofer太阳能研究所提出的一种新型钝化接触太阳能电池。德国FraUnhOfer研究中心在电池背面利用化学方法制备一层超薄氧化硅（15nm）,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，这种技术被称为隧穿氧化层钝化接触（TC）PCon）技术.从电池结构正面看，PERC电池从外及里，依次为SiNx膜、N型发射极（n+）、P型硅片基底；对比，TOPCon电池由外到里，依次为SiNx膜、AI2O3膜、P型发射极（p+）、N型硅片基底。区别在于新增AI2O3膜，以及改成P+发射极、N型硅片

2、基底。从电池结构背面看，PERC电池由外及里，依次为SiNx膜、AI2O3膜；对比，ToPCon电池由外至里，依次为SiNx膜、N型多晶硅薄膜、S22膜。区别在于，去除AI2O3膜、新增N型多晶硅薄膜、Si02膜。各膜层的作用：1.正面SiNx薄膜（约75nm）：由于SiNX富含氢原子，可以在热处理过程中对表面和体内的缺陷进行化学钝化，从而降低表面电子的复合。同时由于SiNX的光学特性，还可以实现电池正面和背面减反效果：2.背面SiNx薄膜：为了避免后续金属化烧结过程浆料对膜层的破坏，SiNX依靠其化学稳定性，主要用于背部膜层的保护；同时实现减反效果：3.AI2O3（45nm）由于具备较高的负

3、电荷密度，可以对P型半导体如PERC电池背面和TOPCon电池的正面提供良好的场效应钝化，即在近表面处增加一层具有高度稳定电荷的介质膜在表面附近造一个梯度电场，减少表面电子浓度从而降低表面电子空穴的复合速率。4.超薄隧穿层SiO2(2.0nm)及N型多晶硅薄膜(10B200nm)：两者共同形成钝化接触结构作为电池背面钝化层，高掺杂的多晶硅(PoIy-Si)层与N型硅基体之间功函数差异引起的界面处能带弯曲，使电子隧穿后有足够的能级可以占据，更易于隧穿：而空穴占据的价带边缘处于Poly-Si的禁带，不易隧穿，因此超薄氧化层可允许多子电子隧穿而阻挡少子空穴透过，从而使电子和空穴分离，减少了复合，在其

4、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。因此，TOPCon太阳电池的主要优点包括：(1)优良的界面钝化性能;(2)全面积收集载流子有利于提高FF;(3)结构简单无需光刻开孔;(4)可兼容现有产线工艺，适用于企业化生产。二、TOPCon优势明显：电池效率高、温度系数低、光衰减小等N型TOPCon双面电池效率可达到28.7%,提供了广阔发展空间。根据ISFH计算，PERC电池理论效率为24.5%,P型TOPCon电池理论效率为24.9%;P型晶硅电池转为N型晶硅电池，电池效率有明显提升。其中，N型单面TOPCon电池理论效率为27.1%,HJT电池理论效率为28.5%,N型双面TOP

5、Con电池理论效率则达到28.7%.实验室效率方面，晶科182N型TOPCon实现26.4%转换效率：而天合光能210N型TOPCOn电池转换效率达25.5%；此外，隆基实现P型TOPCon电池转换效率达25.19%：而国外实验室FrauhoferISE在面积仅4cm2的电池片上实现电池转换效率25.8%。量产效率方面，规模投产企业量产效率已达到25%。根据各公司公告，一道新能浙江衢州约6GWTOPCon产能，量产效率突破25.2%；晶科浙江海宁8GW、合肥一期8GW产线，电池量产效率达到25%以上；中来股份山西太原一期4GW项目投产，电池量产效率可达到24.8%；图7：目葭.ToPCon实脸

6、室最高转换效率已达到26.40%钱换效率开路电压Voc(mV)短路电遁南度Jsc(mAcm2)填充因子FF电池面积c晶科26.40-331242022.1208科26.10331242022.10.14天合25.50-4412022科25.41719.142.2483.7235.792021中东25.40-.330.152021隆基25.19（P型）242.972021隆基25.21721.641.6483.9242.972021品科24.90712.841.6883.8235.82021品科24.40713241.47825267.52020阿特斯23.81708.740.88823246.

7、442020天合24.58716.840.57845244.312020中来23.1970139.983246.212019FrauhoferISE25.8072442.983.142017FraUhoferISE24.5071341.483.1FrauhoferISE23.4069741.18122002018高效率之外，TOPCon电池相比于PERC电池，具有双面率高、衰减低、温度系数低、弱光效垃好等优势。根据晶科能源产品手册，P型电池双面率仅70%,而N型电池双面率能达到85%。N型高双面率能带来发电增益约2.03%；N型组件功率质保可达30年，首年衰减小于1%,保证30年后输出功率不低

8、于原始输出功率的87.40%。而P型电池30年输出功率不低于原始输出功率的84.8%,两者差距2.6pct;电池发电量受温度系数影响，温度系数越高，发电量越低。根据实验数据，相同环境下，N型电池的温度更低，意味着光的转换效率更高、发电量损失更低，N型电池弱光效应更好，因为N型电池，更高的内阻，更长的少子寿命，天然具有更优的弱光响应，即相比于PERC电池，N型电池在弱光环境下即可开始实现光电转换，早晚发电市场延长1小时左右。从产能投资角度看,因结构相似,TOPCon电池工艺路线与PERC电池有很高的兼容性,大部分工序相同、产线可实现升级转换.主要区别集中在：PN结处的磷扩散改为硼扩散、SQ2薄膜

9、及多晶硅薄膜的制备.从工艺路线看PERCSE电池工艺步骤共9步,TOPCon电池工艺步骤共11步新增的步骤集中在Si02薄膜及多晶硅薄膜的制备。从投资额角度看,根据CPIA21年数据,PERC电池单GW投资额为1.94亿元，TOPCon电池单GW投资额为2.2亿元。图13：TOPCon二艺PERC二艺一容：安高（TOPCon以弟子注A二艺路或为例）TOPConPERC7%制缄消洗PECVDittft15% PECVD/ALDi?4 26、20%泼分选日冬 s%Atr 1.&-1 SVJGWAltaSiNx统印，烧靖行业报告诚允迸泅送分选三、从技术角度看，PECVD有望从LP/PE/PVD路线之

10、争中胜出TOPCon电池工艺一般为：先正面制绒、硼扩，再进行背面隧穿层、掺杂多晶硅层制备，之后再正面AI2O3膜层制备、正反面SiNx膜制备，最后金属化。与PERC时代时工艺路线之争相似，TOPCon工艺路线同样存在诸多争议与分歧。整体看，TOPCon工艺的核心争议在掺杂多晶硅层的制备方法上，分为LPCVD/PECVD/PVD路线。隧穿层3iO2膜的制备方法可以是IPCVD、PECVD,ALD等方式；多晶硅层制备，从工序角度可分为原位掺杂、非原位掺杂。原位掺杂，即在同一工步完成多晶硅层沉积、多晶硅层磷掺杂：非原位掺杂，即在多晶硅层沉积后，通过扩散炉或者离子注入的方法进行磷掺杂。从制备方法上，多

11、晶硅层制备可分为，LPCVDPECVDPVDAPCVD等；(一)制备多晶硅层，LPCVD工艺成熟，PECVD综合性能最佳对于掺杂硅层，一般有三种制备方法.其中有两种属于化学气相沉积(ChemiCaIVaPordePoSition,CVD)方法:低压化学气相沉枳(IoWPreSSUreChemiCaIVaPOrdePo$ition,LPCVD)法和PECVD法.还有一种溅射法是属于物理气相沉积(PhySiCalVaPOrdePoSition,PVD)方法。1)LPCVD法：主要应用硅烷(SiH4)的热分解来完成，反应温度约600C;2)PECVD法：硅烷SiH4在电离下，分解生产Sio反应温度较

12、低，400C以下，压力仅IoOPa；3)PVD法：物理过程，反应温度在室温到500之间。S15：制备多晶硅排杂膜.LPCVD/PECVD/PVD艺对比INo.方法化学式反应条件优点缺点1LPCVOSiH4f*2H：600-100OeC产高可以直接别蓄n鳌的多品吐息会产生烧钱,效车相对较低2PECvDSiH4-SiHx-SH:250-350iC.IOOPa可以进行单面制备效率高产低,对设备要求高.且对环境有污染3PVDNZA室温-5(XrC无污染.掾作曾单且安全均匀慢相对较差,退火温度想对较高W/求给聋于“产就化小沱食捱制的育奴$体硅大幅电徜的密度现状与晨僵任槿第号2021，LPCVD技术最成熟

13、，PECVD技术综合性能最强。从工业技术成熟度看，LPCVD技术最成熟，无论是量产设备成熟度，还是实验室验证程度上看，LPCVD技术相比其他两条路线更为成熟；而PECVD技术仅次于其后：从单面沉积角度看，IPCVD沉积技术是无方向性的，导致严重绕镀，而PVD技术可实现单面沉积，无绕镀现象；从原位掺杂角度看，PECVD最适合原位掺杂，而LPCVD、PVD技术原位掺杂能力较弱，即掺杂难度大、或者掺杂后浓度不达标；1. LPCVD成熟度最高，但有绕镀、原位掺杂难等难题LPCVD能同时实现氧化层、本征非晶硅层，工业应用技术非常成熟。LPCVD法均适用于氧化层Sio2、本征非晶硅层的制备，且两者反应温度

14、相近，均在600C左右。以IPCVD法制备氧化层Si02,以及本征非晶硅层a-Si工艺为例，实践中仅需要在两者反应中间，加入N2清洗、捡漏、抽真空等操作，即可在同一工步完成Sio2/本征非晶硅膜的制备。LPCVD沉积膜不具备方向性，因电池片立于石英舟之上，氧化层及本征多晶硅层也同样会附着在电池片的侧面及正面，形成包裹，即“绕镀现象。多余的隧穿层、掺杂多晶硅层必须被去除，因此后续需要引入“去绕镀”工艺，但LPCVD绕镀成为痛点的根本原因在于去绕镀较难控制，影响电池良率。LPCVD问题之一：清洗绕镀，可能导致去除不完全、或者掺杂多晶硅层遭刻蚀，影响电池效率；LPCVD法制备隧穿氧化层及掺杂多晶硅层

15、，一般在磷掺杂后，再进行清洗绕镀。LPCVD去绕镶的典型工艺流程：1）HF酸单面清洗，去除绕镀区域内的磷硅玻璃PSG（即正面、侧面）；2）KOH碱液双面清洗，去除绕镀区域内的掺杂多晶硅（即正面、侧面）。背面PSG层起到保护隧穿氧化层及掺杂多晶硅层作用；3）HF酸双面清洗，去除绕镀区域内的Si02（即正面、侧面）、背面PSG;去绕镀“难”的根本原因：在第2步中，KOH双面清洗，去除绕镀区域多晶硅。因KoH碱液刻蚀掺杂多晶硅速度604nmmin,大于刻蚀磷硅玻璃PSG的速度,后者为210nmmin。背面磷硅玻璃PSG能保护背面掺杂多晶硅层。但两者反应时间差很难有效控制，实际生产中可能导致：掺杂多晶硅层去除不完全，或背面起保护作用的磷硅玻璃被去除，导致背面掺杂多晶硅层被侵蚀，影响电池效率。图21：清洗绕镀的原理是基于刻蚀剂对各膜层刻蚀速度不同KOHHF/HN03掺杂