Was bedeutet TOPCon-Batterie?
Der vollständige Name von TOPCon lautet Tunnel Oxide Passivating Contacts, was übersetzt Tunneling Oxide Passivated Contacts bedeutet. Es handelt sich um eine 2013 vorgeschlagene Technologie für N-Typ-Siliziumwaferzellen. TOPCon-Zellen, d. h. Solarzellen mit Tunneling Oxide Passivated Contacts, sind darauf ausgelegt, die Effizienz von Solarzellen durch die Lösung des Problems der selektiven Passivierung der Ladungsträger in der Zelle zu verbessern.
Die Vorderseite der TOPCon-Zelle ist identisch mit der Struktur herkömmlicher N-Typ-Solarzellen. Der Hauptunterschied besteht darin, dass auf der Rückseite der Zelle eine ultradünne Schicht aus Siliziumoxid und anschließend eine dünne Schicht aus dotiertem Silizium abgeschieden wird. Beide bilden zusammen eine passivierte Kontaktstruktur, wodurch die Oberflächen- und Metallkontaktverunreinigungen effektiv reduziert werden.
Aufgrund der guten Passivierungswirkung von ultradünnem Siliziumoxid und hochdotiertem Siliziumfilm kommt es zu einer Krümmung der Oberflächenenergiebänder des Siliziumwafers, wodurch ein Feldpassivierungseffekt entsteht. Dadurch erhöhen sich die Chancen des Elektronentunnelns drastisch, der Kontaktwiderstand sinkt und letztendlich wird die Umwandlungseffizienz verbessert.
Warum ersetzt TOPCon die PERC-Technologie?
Die Photovoltaikindustrie erlebte 2023 einen wichtigen Durchbruch mit der Inbetriebnahme von TOPCon-Zellen mit einer Produktionskapazität von über 400 GW. Es wird erwartet, dass die TOPCon-Zelltechnologie die traditionelle PERC-Technologie bis 2024 als neue Standardtechnologie ablösen wird. Die Produktionskapazität von TOPCon-Zellen soll in diesem Jahr voraussichtlich rund 100 GW erreichen und damit 20–30 % der gesamten Photovoltaikzellenproduktion ausmachen. Als kostengünstigste Variante von N-Typ-Zellen gelten TOPCon-Zellen als qualitativ hochwertig und sind nur begrenzt verfügbar. Das Angebot wird die Nachfrage voraussichtlich das ganze Jahr über übersteigen. Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Effizienz von TOPCon-Batterien wird ein weiteres Wachstum des Marktes für N-Typ-TOPCon-Batterien erwartet, was sich positiv auf den Geschäftserfolg der entsprechenden Unternehmen auswirken wird.
Die N-Typ-Batterie hat die entscheidende Hürde für eine großflächige Produktionsausweitung noch nicht überwunden, da ihr Wirkungsgrad im Vergleich zu P-Typ-Batterien noch nicht signifikant gesunken ist. Die Kosten für Nicht-Silizium-Zellen liegen weiterhin 30–40 % über denen der PERC-Batterie. Der Wirkungsgrad von PERC-Batterien ist nahezu ausgereizt, das Potenzial zur Kostensenkung ist begrenzt. Die TOPCon-Batterie hingegen birgt noch großes Verbesserungspotenzial. Laut Daten von PV Infolink liegen die aktuellen Kosten für Nicht-Silizium-Zellen von TOPCon bei etwa 0,3 US-Dollar pro Watt, verglichen mit 0,21–0,23 US-Dollar pro Watt für großformatige PERC-Zellen. Hier besteht also noch eine Differenz. Durch kontinuierliche Weiterentwicklung werden sich die Produktionskosten von TOPCon-Zellen jedoch schrittweise dem Niveau von PERC-Zellen annähern.
Welche Vorteile bietet der TOPCon-Akku?
1. Vorteil bei der Passivierung: Die Oberflächenpassivierungsleistung hängt hauptsächlich von der chemischen und der Feldpassivierung ab. Thermisch gewachsenes SiO₂ weist eine ausgezeichnete chemische Passivierungsfähigkeit auf. Eine hohe Dotierung von Polysilizium kann eine Krümmung der Silizium-Energiebänder bewirken, was zur Ansammlung von Majoritätsträgern und zur Verarmung an Minoritätsträgern an der Grenzfläche führt. Dadurch wird die Kompositbildung reduziert und eine Feldpassivierung bewirkt.
2. Der Vorteil von Metallkontaktverbunden: Metallkontaktverbunde stellen den limitierenden Faktor für die Effizienz herkömmlicher Solarzellen dar. Die industrielle Metallisierung erfolgt üblicherweise durch Siebdruck nach dem Hochtemperatursintern. Dabei ätzt die Metallpaste das polykristalline Silizium (Poly-Si) und erzeugt so eine Art „Durchstoß“ (Spiking). Dies zerstört die Passivierung der Kontaktstruktur, wodurch die kritische Stromdichte J0c im Metallkontaktbereich höher ist als im passivierten Bereich. Bei p+-Poly- und n+-Poly-Metallkontaktverbunden hingegen ist die kritische Stromdichte J0c selbst bei Zerstörung der Passivierungsstruktur deutlich niedriger als bei herkömmlichen Emitter-/Rückfeld-Solarzellen.
3. Der Vorteil bei der Metallkontaktresistivität: Neben dem Metallkontakt-Verbund ist auch die Metall-Halbleiter-Kontaktresistivität (ρc) entscheidend für die Leistungsfähigkeit von kristallinen Silizium-Solarzellen. Metall-Halbleiter bilden einen guten ohmschen Kontakt, der dazu beiträgt, die Widerstandsverluste zu reduzieren und den Füllfaktor zu verbessern.
