a)  技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估表明，TOPCon概念所需的更高的資本和運(yùn)營成本在過程價(jià)值鏈中分布不均,，在擴(kuò)散/退火和金屬化步驟中占了很大比例,。

b）在一定的假設(shè),發(fā)現(xiàn)TOPCon的平準(zhǔn)化度電成本(LCOE)與雙面PERC相比較，如果電池效率絕對(duì)最小增益為最保守在Δη> 0.55%和最激進(jìn)Δη> 0.40%,，可以保持經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力,。

隧道氧化物的形成和本征/摻雜多晶硅的沉積是目前PERC加工之外的兩個(gè)關(guān)鍵的加工步驟，主要確定了TOPCon加工的工藝路線,。這些層的特性對(duì)于設(shè)計(jì)隨后的電池處理步驟至關(guān)重要,，目的是實(shí)現(xiàn)TOPCon概念所承諾的高開路電壓(VOC)和低串聯(lián)電阻。除了這些步驟之外,，工業(yè)TOPCon電池主要基于更昂貴的n型襯底,，與p-PERC電池中通常使用的磷擴(kuò)散過程相比,，需要集成硼的擴(kuò)散過程，這一過程的工業(yè)成熟度較低,。

在原位生長熱隧道氧化物后,，用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)沉積a-Si層是目前用于工業(yè)加工TOPCon電池的生產(chǎn)就緒技術(shù)。與此同時(shí),，基于a-Si沉積替代技術(shù)的TOPCon工藝路線目前正在研究設(shè)施中,，預(yù)計(jì)在不久的將來可以投入主流生產(chǎn)。事實(shí)上,，目前光伏行業(yè)在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性方面都在考慮TOPCon概念的各種工藝路線和多種技術(shù),。

1. 路線

由下而上的總擁有成本(TCO)計(jì)算沿著PV價(jià)值鏈執(zhí)行，使用的是夫瑯和費(fèi)ISE內(nèi)部開發(fā)的's cost’模型,。該模型根據(jù)SEMI標(biāo)準(zhǔn)E35和E10計(jì)算PV價(jià)值鏈每個(gè)階段的單個(gè)制造工藝步驟的擁有成本(COO),，并建立了一個(gè)考慮設(shè)備相互依賴的工藝路線，生產(chǎn)管理成本和工廠層面的資本成本,，以估計(jì)所需的太陽能電池架構(gòu)的總成本,。

根據(jù)工業(yè)設(shè)備制造商提供的數(shù)據(jù)以及夫瑯和費(fèi)ISE PV-TEC中試線工業(yè)設(shè)備的我們自己的工藝參數(shù)，根據(jù)設(shè)備和工藝參數(shù),，識(shí)別和比較了不同工業(yè)上可行的a-Si沉積技術(shù),。對(duì)于每一種沉積技術(shù)，根據(jù)所涉工藝步驟的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性確定最有希望走向大規(guī)模生產(chǎn)的工藝路線,。

以下是最佳制造場(chǎng)景的主要選擇標(biāo)準(zhǔn):a)可獲得工業(yè)工具,，b)過程兼容性，c)可獲得COO建模所需的所有過程參數(shù),，d)精益過程流,，e)過程功能的成功演示。為了在LCOE水平上保持對(duì)雙面p-PERC基準(zhǔn)的競(jìng)爭(zhēng)力,，執(zhí)行了LCOE敏感性分析,，以確定TOPCon概念所需的轉(zhuǎn)換效率的最小增益。

3.基于LPCVD的TOPCon路線

3.1. LPCVD for a-Si deposition

LPCVD是在低壓條件下沉積a-Si/多晶硅層的重要工藝之一,。該技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是:1)沿晶圓和晶圓的厚度分布良好 c)由于使用了接近600?c的相對(duì)較低的沉積溫度,，所以保持了之前在晶圓中形成的雜質(zhì)輪廓，d)每批大量的晶圓,，e)恒定摻雜輪廓的原位摻雜選項(xiàng),。

對(duì)于本工作中研究的TOPCon概念，需要在太陽能電池背面沉積磷摻雜的a- si /多晶硅層(a- si (n)/多晶硅(n)),。這里,，硅烷(SiH4)被用作硅沉積的前驅(qū)體，選擇性地使用稀釋的PH3(在N2中)在層中加入摻雜劑。沉積壓力,、硅烷濃度,、摻雜劑含量對(duì)沉積層性能有影響，沉積溫度對(duì)沉積層性能影響最大,。

在相同的工藝條件下,，摻雜氣體的摻雜對(duì)薄膜生長有顯著影響，即硅沉積速率,。例如,，根據(jù)工藝條件的不同，PH3的加入會(huì)使沉積速率降低幾倍,。這導(dǎo)致了LPCVD a- si沉積的兩種方法- a)沉積內(nèi)在的a- si /多晶硅層,，接著是一個(gè)非原位POCl3管擴(kuò)散過程形成多晶硅(n)層，b)沉積原位摻雜a- si (n)/多晶硅(n)層和隨后的氮?dú)庵袩嵬嘶稹?/span>

我們計(jì)算了相同厚度為150 nm的本征層和摻磷層的COO,，認(rèn)為原位摻雜生長層的沉積速率比本征層低約36%,。如果原位沉積磷摻雜層而不是原位的a-Si層,，可以觀察到LPCVD步法的COO增加了近15%,。

在這里，主要的成本驅(qū)動(dòng)因素之一是由于LPCVD工具的使用時(shí)間顯著延長而降低了吞吐量過程持續(xù)時(shí)間,，直接增加了所有的固定成本,。磷摻雜層的額外PH3的成本貢獻(xiàn)較小，而相應(yīng)的SiH4的成本約為其20倍,，主要承擔(dān)工藝耗材成本,。

3.2 工業(yè)上可行的LPCVD TOPCon路線

值得注意的是，盡管150 nm LPCVD a/poly-Si(n)的COO幾乎是15%abs,。當(dāng)LPCVD a/poly-Si (i)大于150 nm時(shí),，可以適應(yīng)摻雜a/poly-Si層的工藝路線將近18%的提高。這里,，LPCVD原位TOPCon得益于POCl3擴(kuò)散步驟的缺失,。此外，在給定的假設(shè)下,，退火和氧化過程結(jié)合在一個(gè)單一的處理與LPCVD TOPCon exsitu相比,，LPCVD TOPCon insitu也具有較少的工藝步驟。

3.3 總擁有成本(TCO)與PERC的比較

觀察到,，TOPCon路線的濕化學(xué)工藝總COO增加,，主要是由于額外的玻璃刻蝕、SSE(poly)和清洗工藝的要求步,。擴(kuò)散和退火過程包括POCl3和BBr3的摻雜,、選擇性激光摻雜和a-Si層的高溫退火步驟。TOPCon路線的COO中擴(kuò)散與退火在這里明顯高，由于: a)過程持續(xù)時(shí)間更長BBr3擴(kuò)散相比POCl3-based過程導(dǎo)致顯著降低吞吐量,和b)要求額外的POCl3——摻雜過程或高溫退火步驟晶硅層,。

鈍化工藝包括熱氧化,、LPCVD多晶硅沉積、PECVD AlOx/a-SiNx堆棧和a-SiNx:H層的PECVD沉積,。對(duì)于TOPCon路由,，需要一個(gè)額外的LPCVD對(duì)PERC的沉積步驟，通常預(yù)計(jì)會(huì)增加成本鈍化過程,。然而,對(duì)于LPCVD TOPCon原位結(jié)合,，溫度退火與氧化在一個(gè)單一的過程步驟，工藝成本降低,。

金屬化成本包括焊盤(Ag)和柵格(Al和Ag/ Ag-Al)的絲網(wǎng)印刷,，以及快速燒成過程。對(duì)于雙面p-PERC,，激光接觸打開和再生過程步驟也包括在“金屬化”類別中,。事實(shí)上，在TOPCon電池的COO中,，很大一部分工藝耗材成本主要與金屬化過程中的高Ag消耗有關(guān),。因此，為了進(jìn)一步降低TOPCon電池的COO,，需要顯著降低Ag消耗,。這主要是由于需要在兩側(cè)印刷銀基柵格以形成低接觸電阻率的接觸。

圖6比較了雙面p-PERC和TOPCon金屬化步驟的COO用于各種Ag還原方案的電池,。最樂觀的方案是將電池的Ag消耗量減少50%

綜上所述,，TOPCon在電池水平上的TCO明顯更高與p-PERC。然而,LPCVD TOPCon原位路線提供了較低的COO,。

4. 可選的TOPCon路線

如前所述,，a- si層的沉積是實(shí)現(xiàn)TOPCon太陽能電池所需的最重要的工藝步驟之一。雖然LPCVD是目前唯一工業(yè)化的a-Si工藝沉積,，目前有幾種替代技術(shù)正在測(cè)試中,，并處于不同的發(fā)展階段。此外,，除了lpcvd基熱氧化外,，隧道氧化的形成也可以通過其他氧化方法來實(shí)現(xiàn)TOPCon流程路線。

4.1 隧道氧化層形成

在沉積本征或摻雜非晶硅層之前,，在c-Si表面生長一層薄的界面氧化層,。該氧化物層不僅為c-Si表面提供了良好的鈍化，而且允許大多數(shù)載流子通過摻雜的多晶硅層從c-Si向金屬接觸點(diǎn)轉(zhuǎn)移,。氧化層的化學(xué)計(jì)量和厚度主要決定了氧化層的熱穩(wěn)定性,，對(duì)于目前具有多個(gè)高溫步驟的光伏制造工藝路線來說,，這是一個(gè)至關(guān)重要的方面。

氧化物的形成有濕化學(xué)法和干化學(xué)法兩種,。在濕化學(xué)方法中,，DI-O3氧化物具有很好的熱穩(wěn)定性。在干法中,，LPCVD a-Si沉積前原位熱氧化是目前主流的形成方法,。紫外光源誘導(dǎo)O2解離的o3基氧化是一個(gè)很有吸引力的候選方法。這種極具成本效益的方法能夠?yàn)楦咝OPCon電池形成熱穩(wěn)定的化學(xué)計(jì)量SiOx層可方便地安裝在濕式化學(xué)清洗工具的末端,，確保精益工藝流程,。等離子體基氧化也是利用PECVD在原位形成熱穩(wěn)定SiOx層的一種有前途的方法。

（廣告位）

4.2 a-Si層沉積

與LPCVD技術(shù)相比,，PECVD沉積a-Si層提供了更高的沉積率,，因此具有很好的成本效益。使用PECVD的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以原位摻雜a- si層而不影響層的均勻性和沉積率,。其中一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是避免厚層(d > 100 nm)起泡,，目前工業(yè)TOPCon架構(gòu)需要沉積的a-Si層中固有的高氫濃度。PECVD是松散的作為一種單側(cè)沉積工藝,，避免a- si層的纏繞仍然是設(shè)備制造商的一個(gè)技術(shù)里程碑,。

大氣壓化學(xué)氣相沉積(APCVD)是另一種具有高沉積速率的內(nèi)聯(lián)模式沉積本稟和摻雜a-Si層的潛在技術(shù)。該工藝?yán)霉柰?SiH4)的熱分解,，硅烷(SiH4)通過噴油器頭插入加熱室,。由于化學(xué)反應(yīng)直接發(fā)生在加熱的襯底上,，APCVD也有望提供良好的單面性,。此外，據(jù)報(bào)道,，通過直接將摻雜前體插入SiH4流中,，可以很容易地實(shí)現(xiàn)原位摻雜，并且還報(bào)道了電池整合結(jié)果,。

4.3 基于PECVD和apcvd的TOPCon工藝路線

5. PV價(jià)值鏈沿線的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

5.1 TOPCon對(duì)抗PERC路線的TCO

圖10比較了p-PERC電池的名義LCOE成本與兩個(gè)最保守和最進(jìn)步的TOPCon概念,，在單面照明條件下的一系列轉(zhuǎn)換效率。我們觀察到在LCOE水平,，效率增益>0.55%abs,。需要實(shí)現(xiàn)最保守的TOPCon概念比p-PERC的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。對(duì)于最先進(jìn)的案例,，效率提高了>0.40%abs,。足以使基于TOPCon的單元概念在給定的假設(shè)下(輻照:1700 kWh/m2，系統(tǒng)規(guī)模:5 MWpa)保持對(duì)p-PERC的競(jìng)爭(zhēng)力,。

6. 總結(jié)

與雙面p-PERC相比,，基于LPCVD的TOPCon概念在n型硅襯底上顯示出更高的電池生產(chǎn)成本，并且分布在所有相關(guān)的電池加工過程中：濕化學(xué)、擴(kuò)散/退火,、鈍化和金屬化工藝,。

a） 擴(kuò)散/退火過程中COO較高，主要與BBr3擴(kuò)散過程吞吐量較低以及需要額外的pocl3擴(kuò)散和高溫退火步驟有關(guān),，

b ）a-Si沉積技術(shù)是鈍化過程中主要的成本驅(qū)動(dòng)因素之一,。

c ）與銀漿相關(guān)的工藝耗材成本顯著較高，導(dǎo)致TOPCon電池金屬化的COO較高,。

d）對(duì)于基于LPCVD的TOPCon概念,，LPCVD沉積顯示了15%COO增加。與固有層相比,，原位摻雜層的COO更高,，主要是由于沉積速率的顯著差異。然而,，對(duì)于采用原位沉積LPCVD a- si /多晶硅層的工藝路線,，我們確定了一種可能性將硼發(fā)射體的高溫退火和氧化結(jié)合在一個(gè)步驟中，這使得這種方法在經(jīng)濟(jì)上比具有非原位LPCVD a- si /多晶硅層的工藝路線更具競(jìng)爭(zhēng)力,。

最好的情況下,，TOPCon概念，電池效率相較于雙面p-PERC提高0.40%,，已經(jīng)允許高成本效益的TOPCon太陽能電池的大批量生產(chǎn),。隨著絲網(wǎng)印刷技術(shù)的發(fā)展，可以預(yù)期TOPCon概念的電池/組件生產(chǎn)成本和LCOE將進(jìn)一步降低,，允許沉積更薄的多晶硅層,，這不僅可以降低相關(guān)工藝成本，還可以提高TOPCon電池的雙面性能,。

除此之外,，降低絲網(wǎng)印刷金屬化階段的Ag消耗，對(duì)于TOPCon制造商進(jìn)一步降低TOPCon的COO和LCOE來說,，仍然是一個(gè)非常重要的技術(shù)里程碑,。

原文標(biāo)題：

TOPCon – Technology options for cost efficient industrial manufacturing

原文：Solar Energy Materials & Solar Cells 227 (2021) 111100