Vorteile von Sunket TOPCon-Solarmodulen und praktische Anwendungsanalyse

TOPCon Solarzellenkonzept

Das Konzept der TOPCon-Zelle wurde 2013 vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (Fraunhofer-ISE) in Deutschland vorgeschlagen. Die folgende Abbildung zeigt das schematische Strukturdiagramm der N-Typ-Passivierungskontakt-Solarzelle.

Die Vorderseite von TOPCon unterscheidet sich nicht grundlegend von herkömmlichen N-Typ-Solarzellen oder N-PERT-Solarzellen. Die Kerntechnologie der Batterie ist der rückseitige Passivierungskontakt. Kristall-amorphe gemischte Si-Dünnschichtzusammensetzung. Die Passivierungsleistung wird durch den Temperprozess aktiviert, bei dem sich die Kristallinität der Si-Dünnschicht von einer Mischphase aus mikrokristallin und amorph zu polykristallin ändert. Geglüht bei einer Glühtemperatur von 850 °C, iVoc > 710 mV, J0 bei 9–13 fA/cm2, was eine hervorragende Passivierungsleistung der passivierten Kontaktstruktur zeigt, und der Zellwirkungsgrad im Rohzustand übersteigt 231 TP3T. Der aktuelle Weltrekord für N-Typ-Front-Junction-Solarzellen mit passiviertem Kontakt (25,81 TP3T) wird vom Institut Fraunhofer-ISE gehalten.

Das Wirkprinzip der trägerselektiven TOPCon-Struktur für hervorragende Passivierung

Die Kombination aus hoher Ladungsträgerselektivität und deutlich reduzierter Grenzflächenrekombination ist der Schlüssel zur hervorragenden Passivierung von TOPCon. Vier parallele Mechanismen tragen zur Trägerselektivität bei.

1. Das stark dotierte n+-Polysilizium erzeugt aufgrund der Austrittsarbeitsdifferenz zwischen dem n+-Polysilizium und dem kristallinen Siliziumabsorber vom n-Typ eine Akkumulationsschicht an der Absorber/Tunneloxid-Grenzfläche. Diese Bandbiegung induziert eine elektronenreiche Akkumulationsschicht an der SiO2/Si-Grenzfläche, die eine Barriere für das Eindringen von Minoritätsträgerlöchern in das Tunneloxid darstellt und gleichzeitig die Migration von Majoritätsträgern zur Oxid/Si-Grenzfläche erleichtert, um die Versorgung mit Elektronik zu erhöhen .
2. Das Tunneloxid stellt eine zweite Ebene der Ladungsträgerselektivität bereit, da seine Tunnelbarriere für Löcher (4,5 eV) größer ist als die für Elektronen (3,1 eV).
3. Eine große Anzahl verfügbarer Zustände im Leitungsband der Polysiliciumschicht kombiniert mit einer großen Anzahl von Elektronen an der Absorber/Oxid-Grenzfläche machen es Elektronen in n-Si leicht, durch das ultradünne Oxid in n+-Polysilicium zu tunneln. Aufgrund der Bandbiegung gibt es jedoch weniger Löcher in der Nähe der Valenzbandkante des Absorbers, die möglicherweise auch nicht durchtunneln, wenn die Valenzbandkante von Si in die Tabulücke von n + -Polysilizium fällt. Da Minoritätsträger nicht durchtunneln können, wird deren Rekombination in n+-dotierten polykristallinen oder metallischen Kontakten reduziert oder eliminiert.
4. Neben der Trägerselektivität wird durch den Feldeffekt auch die Rekombination von Minoritätsträgern an den Grenzflächendefekten reduziert, was die Elektronenkonzentration (Akkumulationsschicht) erhöht und die Löcherkonzentration an der Si-Oxid-Grenzfläche verringert. Diese asymmetrische Elektronen- und Lochkonzentration verringert die defektinduzierte Shockley-Red-Hall-(SRH-)Rekombination. Die Read-Hall (SRH)-Rekombination verringert den mit dieser TOPCon-Struktur verbundenen J0-Wert weiter. Derselbe Mechanismus gilt für lochselektiv passivierte Kontakte in p+-Polysilizium, jedoch wurde von einer etwas höheren Rekombination in p-TOPCon relativ zu n-TOPCon berichtet.

Grundlegender Unterschied zwischen n-TOPCon und p-TOPCon

1. Die Höhe der Oxidationsbarriere von Löchern ist höher als die von Elektronen.
2. Der Bor-dotierte Siliziumfilm hat eine höhere Defektdichte.
3. Das Eindringen von Bor durch das Tunneloxid führt zu weiteren Defekten.

 

Modellierung der Auswirkung der Metallisierung J0e und J0b' und des vorderen und hinteren Kontaktwiderstands auf die TOPCon-Zelleffizienz

Sowohl die niedrige Metallisierung J0 als auch der spezifische Kontaktwiderstand sind für einen hohen Wirkungsgrad wichtig, da J0 die VOC beeinflusst und der spezifische Kontaktwiderstand den FF beeinflusst. Um die Wirkung des vorderen Emitters der Metallisierung (J0e, gesamt) und des hinteren n-TOPCon (J0b', gesamt) auf n-TOPCon-Zellen zu verstehen, sind die Effizienz-Empfindlichkeitskurven in Abbildung 34 bzw. Abbildung 35 dargestellt. Modelle zeigen, dass für unser vorgeschlagenes Zelldesign eine Erhöhung von 5 fA/cm2 in entweder J0e oder J0b' zu einem Abfall der Zelleffizienz von ~0,11 TP3T abs führen würde.

In der Gerätesimulation Quokka 2 wurde die Auswirkung des vorderen und hinteren Kontaktwiderstands auf die Zelleffizienz ebenfalls untersucht, indem nur der Kontaktwiderstand geändert wurde. Abbildung 36 zeigt den Zellwirkungsgrad als Funktion des vorderen und hinteren Kontaktwiderstands. Das Modell zeigt, dass der Zellwirkungsgrad um 0,11 TP3T abs pro 2 mΩ-cm2 Erhöhung des Kontaktwiderstands auf der Vorderseite sinkt. Auf der Rückseite führte dies jedoch nur zu einem Abfall des Wirkungsgrads von 0,021 TP3T abs. Denn es gibt keinen Kompromiss durch Abschattung auf der Rückseite, die die Metallbedeckung der Rückseite um den Faktor 5 erhöht, um die Empfindlichkeit gegenüber Kontaktwiderständen zu verringern.

Entwicklung von Schablonendesignmodellen und Rechnern zur Optimierung von Front- und Rear-Catenary-Designs für bifaziale TOPCon-Solarzellen

Das Gittermuster besteht aus einer großen Anzahl von Gitterlinien (100–130) und einer kleinen Anzahl (5–10) von Stromschienen. Die Gateleitungen sammeln die in der Basis erzeugten Ladungsträger, die durch die dotierten Bereiche zwischen den Gateleitungen getrennt und lateral transportiert werden. Der vom Netz gesammelte Träger wird dann in den Bus eingespeist, der den Träger an einen externen Stromkreis zur Stromerzeugung überträgt (Abbildung 37). Daher muss das Gitterdesign den Durchgangswiderstand, den Schichtwiderstand zwischen den Gitterleitungen, den Kontaktwiderstand, den Gitterwiderstand und den Sammelschienenwiderstand berücksichtigen, um den gesamten Serienwiderstand zu berechnen. Da ein höherer Widerstand FF reduziert und mehr Maschenlinien die Verschattung und die metallinduzierte Rekombination oder J0 erhöhen, sollte die Optimierung des Maschendesigns nicht nur den Serienwiderstand minimieren, sondern auch die Verschattung und die metallinduzierten Rekombinationsverluste berücksichtigen, um die Gesamtverschattung und die metallinduzierten Rekombinationsverluste zu reduzieren sind minimiert. Abbildung 38 zeigt, dass mehr Gitterlinien im Allgemeinen den Reihenwiderstand verringern, aber die Abschattung oder JSC und J0 erhöhen, sodass das Entwerfen eines optimalen Gittermusters entscheidend für die Optimierung der Zelleffizienz ist.

Einige kommerzielle und nichtkommerzielle Maschendesignmodelle, wie PV Lighthouse [88], berücksichtigen nur Serienwiderstand und optische Okklusion, aber nicht metallinduzierte Rekombination, was sehr wichtig wird. Gerätesimulatoren wie Sentaurus und Quokka 2 sind Optionen zur Optimierung des Grid-Designs. Diese Simulatoren sind jedoch für die Gitteroptimierung sehr begrenzt und komplex, da die Zellengröße durch das kleinste gemeinsame Vielfache (LCM) des Abstands zwischen dem vorderen und hinteren Gitter definiert ist und die Zellengröße klein sein muss, um eine gute Leistung zu erzielen in Sentaurus und Quokka gibt es eine relativ geringe Rechenzeit. Daher wurde in dieser Aufgabe ein optimaler Gitterdesign-Rechner für bifaziale Front-to-Back-Kontakt-Solarzellen entwickelt, bei dem die metallinduzierte Rekombination berücksichtigt wurde.