由多晶矽(poly-Si)層覆寫的界面隧道氧化物的形成是實作載流子選擇性接觸的最有前途的方法之一，它提供了目前主流PERC的進化更新途徑。
a) 技術經濟評估表明，TOPCon概念所需的更高的資本和營運成本在過程價值鍊中分布不均，在擴散/退火和金屬化步驟中占了很大比例。
b）在一定的假設,發現TOPCon的平準化度電成本(LCOE)與雙面PERC相比較，如果電池效率絕對最小增益為最保守在Δη> 0.55%和最激進Δη> 0.40%，可以保持經濟競争力。
隧道氧化物的形成和本征/摻雜多晶矽的沉積是目前PERC加工之外的兩個關鍵的加工步驟，主要确定了TOPCon加工的工藝路線。這些層的特性對于設計随後的電池處理步驟至關重要，目的是實作TOPCon概念所承諾的高開路電壓(VOC)和低串聯電阻。除了這些步驟之外，工業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散過程相比，需要內建硼的擴散過程，這一過程的工業成熟度較低。
在原位生長熱隧道氧化物後，用低壓化學氣相沉積(LPCVD)沉積a-Si層是目前用于工業加工TOPCon電池的生産就緒技術。與此同時，基于a-Si沉積替代技術的TOPCon工藝路線目前正在研究設施中，預計在不久的将來可以投入主流生産。事實上，目前光伏行業在技術和經濟可行性方面都在考慮TOPCon概念的各種工藝路線和多種技術。
1. 路線
由下而上的總擁有成本(TCO)計算沿着PV價值鍊執行，使用的是夫琅和費ISE内部開發的‘s cost’模型。該模型根據SEMI标準E35和E10計算PV價值鍊每個階段的單個制造技術步驟的擁有成本(COO)，并建立了一個考慮裝置互相依賴的工藝路線，生産管理成本和工廠層面的資本成本，以估計所需的太陽能電池架構的總成本。
根據工業裝置制造商提供的資料以及夫琅和費ISE PV-TEC中試線工業裝置的我們自己的工藝參數，根據裝置和工藝參數，識别和比較了不同工業上可行的a-Si沉積技術。對于每一種沉積技術，根據所涉工藝步驟的技術和經濟可行性确定最有希望走向大規模生産的工藝路線。
以下是最佳制造場景的主要選擇标準:a)可獲得工業工具，b)過程相容性，c)可獲得COO模組化所需的所有過程參數，d)精益過程流，e)過程功能的成功示範。為了在LCOE水準上保持對雙面p-PERC基準的競争力，執行了LCOE敏感性分析，以确定TOPCon概念所需的轉換效率的最小增益。
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/多晶矽層的重要工藝之一。該技術的主要優點是:1)沿晶圓和晶圓的厚度分布良好 c)由于使用了接近600◦c的相對較低的沉積溫度，是以保持了之前在晶圓中形成的雜質輪廓，d)每批大量的晶圓，e)恒定摻雜輪廓的原位摻雜選項。
對于本工作中研究的TOPCon概念，需要在太陽能電池背面沉積磷摻雜的a- si /多晶矽層(a- si (n)/多晶矽(n))。這裡，矽烷(SiH4)被用作矽沉積的前驅體，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、矽烷濃度、摻雜劑含量對沉積層性能有影響，沉積溫度對沉積層性能影響最大。
在相同的工藝條件下，摻雜氣體的摻雜對薄膜生長有顯著影響，即矽沉積速率。例如，根據工藝條件的不同，PH3的加入會使沉積速率降低幾倍。這導緻了LPCVD a- si沉積的兩種方法- a)沉積内在的a- si /多晶矽層，接着是一個非原位POCl3管擴散過程形成多晶矽(n)層，b)沉積原位摻雜a- si (n)/多晶矽(n)層和随後的氮氣中熱退火。
我們計算了相同厚度為150 nm的本征層和摻磷層的COO，認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%。
在這裡，主要的成本驅動因素之一是由于LPCVD工具的使用時間顯著延長而降低了吞吐量過程持續時間，直接增加了所有的固定成本。磷摻雜層的額外PH3的成本貢獻較小，而相應的SiH4的成本約為其20倍，主要承擔工藝耗材成本。
3.2 工業上可行的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LPCVD a/poly-Si (i)大于150 nm時，可以适應摻雜a/poly-Si層的工藝路線将近18%的提高。這裡，LPCVD原位TOPCon得益于POCl3擴散步驟的缺失。此外，在給定的假設下，退火和氧化過程結合在一個單一的處理與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。擴散和退火過程包括POCl3和BBr3的摻雜、選擇性雷射摻雜和a-Si層的高溫退火步驟。TOPCon路線的COO中擴散與退火在這裡明顯高，由于: a)過程持續時間更長BBr3擴散相比POCl3-based過程導緻顯著降低吞吐量,和b)要求額外的POCl3——摻雜過程或高溫退火步驟晶矽層。
鈍化工藝包括熱氧化、LPCVD多晶矽沉積、PECVD AlOx/a-SiNx堆棧和a-SiNx:H層的PECVD沉積。對于TOPCon路由，需要一個額外的LPCVD對PERC的沉積步驟，通常預計會增加成本鈍化過程。然而,對于LPCVD TOPCon原位結合，溫度退火與氧化在一個單一的過程步驟，工藝成本降低。
金屬化成本包括焊盤(Ag)和栅格(Al和Ag/ Ag-Al)的絲網印刷，以及快速燒成過程。對于雙面p-PERC，雷射接觸打開和再生過程步驟也包括在“金屬化”類别中。事實上，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。是以，為了進一步降低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印刷銀基栅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。最樂觀的方案是将電池的Ag消耗量減少50%
綜上所述，TOPCon在電池水準上的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層的沉積是實作TOPCon太陽能電池所需的最重要的工藝步驟之一。雖然LPCVD是目前唯一工業化的a-Si工藝沉積，目前有幾種替代技術正在測試中，并處于不同的發展階段。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作TOPCon流程路線。
4.1 隧道氧化層形成
在沉積本征或摻雜非晶矽層之前，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，而且允許大多數載流子通過摻雜的多晶矽層從c-Si向金屬接觸點轉移。氧化層的化學計量和厚度主要決定了氧化層的熱穩定性，對于目前具有多個高溫步驟的光伏制造技術路線來說，這是一個至關重要的方面。
氧化物的形成有濕化學法和幹化學法兩種。在濕化學方法中，DI-O3氧化物具有很好的熱穩定性。在幹法中，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O2解離的o3基氧化是一個很有吸引力的候選方法。這種極具成本效益的方法能夠為高效TOPCon電池形成熱穩定的化學計量SiOx層可友善地安裝在濕式化學清洗工具的末端，確定精益工藝流程。等離子體基氧化也是利用PECVD在原位形成熱穩定SiOx層的一種有前途的方法。
4.2 a-Si層沉積
與LPCVD技術相比，PECVD沉積a-Si層提供了更高的沉積率，是以具有很好的成本效益。使用PECVD的另一個優點是可以原位摻雜a- si層而不影響層的均勻性和沉積率。其中一個關鍵挑戰是避免厚層(d > 100 nm)起泡，目前工業TOPCon架構需要沉積的a-Si層中固有的高氫濃度。PECVD是松散的作為一種單側沉積工藝，避免a- si層的纏繞仍然是裝置制造商的一個技術裡程碑。
大氣壓化學氣相沉積(APCVD)是另一種具有高沉積速率的内聯模式沉積本禀和摻雜a-Si層的潛在技術。該工藝利用矽烷(SiH4)的熱分解，矽烷(SiH4)通過噴油器頭插入加熱室。由于化學反應直接發生在加熱的襯底上，APCVD也有望提供良好的單面性。此外，據報道，通過直接将摻雜前體插入SiH4流中，可以很容易地實作原位摻雜，并且還報道了電池整合結果。
4.3 基于PECVD和apcvd的TOPCon工藝路線
5. PV價值鍊沿線的技術經濟分析
5.1 TOPCon對抗PERC路線的TCO
圖10比較了p-PERC電池的名義LCOE成本與兩個最保守和最進步的TOPCon概念，在單面照明條件下的一系列轉換效率。我們觀察到在LCOE水準，效率增益>0.55%abs。需要實作最保守的TOPCon概念比p-PERC的經濟優勢。對于最先進的案例，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下(輻照:1700 kWh/m2，系統規模:5 MWpa)保持對p-PERC的競争力。
6. 總結
與雙面p-PERC相比，基于LPCVD的TOPCon概念在n型矽襯底上顯示出更高的電池生産成本，并且分布在所有相關的電池加工過程中：濕化學、擴散/退火、鈍化和金屬化工藝。
a） 擴散/退火過程中COO較高，主要與BBr3擴散過程吞吐量較低以及需要額外的pocl3擴散和高溫退火步驟有關，
b ）a-Si沉積技術是鈍化過程中主要的成本驅動因素之一。
c ）與銀漿相關的工藝耗材成本顯著較高，導緻TOPCon電池金屬化的COO較高。
d）對于基于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，對于采用原位沉積LPCVD a- si /多晶矽層的工藝路線，我們确定了一種可能性将硼發射體的高溫退火和氧化結合在一個步驟中，這使得這種方法在經濟上比具有非原位LPCVD a- si /多晶矽層的工藝路線更具競争力。
最好的情況下，TOPCon概念，電池效率相較于雙面p-PERC提高0.40%，已經允許高成本效益的TOPCon太陽能電池的大批量生産。随着絲網印刷技術的發展，可以預期TOPCon概念的電池/元件生産成本和LCOE将進一步降低，允許沉積更薄的多晶矽層，這不僅可以降低相關工藝成本，還可以提高TOPCon電池的雙面性能。
除此之外，降低絲網印刷金屬化階段的Ag消耗，對于TOPCon制造商進一步降低TOPCon的COO和LCOE來說，仍然是一個非常重要的技術裡程碑。
原文标題：
TOPCon – Technology options for cost efficient industrial manufacturing
原文：Solar Energy Materials & Solar Cells 227 (2021) 111100
pv publication
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