張瀚丞、葉峻銘、陳松裕、郭明村、林福銘 / 工研院綠能所
自從穿隧氧化鈍化接觸太陽電池(TOPCon)的概念被提出以來，由於其優異的表面鈍化效果及與主流產線良好的兼容性，成為太陽能領域的熱門研究項目。在本篇文章中，我們回顧典型TOPCon電池的基本原理與關鍵製程，文章的後半段則著墨於討論新一代高效率雙面鈍化接觸太陽電池(biPC)的製作方法與其未來展望。
【內文精選】
前 言
近年來，由於n型晶片的製造成本逐漸下降至與p型晶片相近，性價比顯著提升。許多在n型電池上的優勢也更受到關注，例如：與p型電池相比之下，n型電池少數載子壽命高、沒有硼氧鍵引致的LID問題；n型電池溫度係數較優，在高溫環境下的功率輸出衰減少於p型電池；雙面受光可發電的電池結構之雙面率(Bifacial Ratio)在n型電池也優於p型電池片。根據這些特點，其實不難想像最高效率的電池結構理應製作在n型晶片上，目前以n型晶片為基材製作的指標性高效率電池其中之一即為穿隧氧化鈍化接觸太陽電池(Tunnel Oxide Passivated Contact Solar Cells; TOPCon)，商品化具備穿隧氧化鈍化結構製作的n型電池已超過23%以上的轉換效率，且與PERC的產線相容極高。相較於早已商品化的n型太陽電池，例如：異質接面(Heterojunction with Intrinsic Thin Layer; HIT)太陽電池以及交指式背接觸太陽電池(Interdigitated Back Contacted Solar Cells; IBC)，TOPCon具有更低成本的生產競爭力，因此TOPCon電池的相關技術成了當前研究的焦點。
根據德國機械設備製造業聯合會(VDMA)發行的2022年版《國際太陽能技術藍圖》(International Technology Roadmap for Photovoltaic; ITRPV)預測，背面具鈍化效果之太陽電池(PERx/TOPCon)已成為矽晶太陽電池技術主流，市占率超過8成，並預期未來10年內，PERx/TOPCon將持續占據領導地位（圖一(a)）。另外，在PERx/TOPCon中，鈍化接觸(Passivated Contacts)預計在2032年將占超過5成，可望取代典型PERC，如圖一(b)所示。
圖一、(a)全球太陽電池技術市占率預測；(b) PERx/TOPCon電池技術市占率預測
TOPCon電池回顧
TOPCon是一種基於選擇性載子原理的技術，其電池結構主要是以n型晶片為基板的太陽電池，在電池背面製備一層超薄氧化矽，然後再沉積一層摻雜磷的多晶矽薄膜，二者共同形成了鈍化接觸結構，有效降低表面復合和金屬接觸復合。TOPCon電池的概念由德國Fraunhofer ISE於2013年提出，圖三為n型TOPCon電池的結構示意圖。TOPCon的正面結構與n-PERT太陽電池沒有太大差異，電池核心技術為背面鈍化接觸，矽晶片背面先形成一層超薄氧化矽(1~2 nm)與一層磷摻雜的微晶及非晶混合矽薄膜。鈍化性能透過退火製程而激活，矽薄膜在該退火過程中，結晶性發生變化，由微晶及非晶混合相再結晶轉變為多晶，該結構能有效地減少因矽晶片表面缺陷造成的載流子復合。目前在適當的退火溫度下，隱含開路電壓(iVoc)大於740 mV，復合電流密度(J0)小於5 fA/cm2，顯示了穿隧氧化層鈍化接觸結構優異的鈍化性能。
圖三、TOPCon電池結構示意圖
TOPCon另一關鍵的技術即是超薄穿隧氧化矽層(SiOx)的製備，穿隧氧化層厚度僅1~2 nm，通常作為絕緣層出現在半導體元件中。由於SiOx介電層非常薄，其與矽晶功函數的差異造成能帶彎曲，雖不會阻礙多數載子的傳輸但會阻礙少數載子達到界面，進而降低載子間的復合。
為進一步提升電池效率，太陽電池技術路線從p型向n型轉變，啟動下一輪電池技術變革。TOPCon因其優異的高效率及兼容性，越來越受市場的關注，成為n型高效電池產業化的切入點。在經濟部能源局支持下，茂迪與工研院合作進行TOPCon技術開發，以不到兩年的時間將TOPCon電池與模組導入量產，於2021年正式進入市場，並於2022年擴產至200 MW。其獲得經濟部標準檢驗局國產下世代技術太陽能模組自願性產品驗證(Voluntary Product Certification; VPC)之認證首例，所製備的電池效率達23.5%，模組功率達400 W，並已於工研院台南六甲及新竹中興院區進行戶外驗證，粗估200 MW試量產電池及模組每年產值上看新台幣30億元，為台灣太陽能產業國際競爭力指標。
高效率雙面鈍化接觸太陽電池實踐方法與其展望
由於目前碳化矽製程成本較高，因此除了使用碳化矽等寬能隙材料形成穿隧鈍化堆疊層來取代傳統多晶矽層之外，許多研究單位將摻雜多晶矽局部使用在電極下方來提高化學鈍化與場鈍化效果，大幅降低載子復合機率，使元件具備良好的光電特性，且可兼容於現行產線，此亦為另一實現雙面鈍化接觸太陽電池的方式---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》429期，更多資料請見下方附檔。