随着双碳政策进一步落实和推进，光伏作为最有潜力的新能源正越来越引起全球的推崇。单结晶硅电池的效率极限大约是29.5%，但至今尚未达到。作为主流的背钝化电池（PERC）技术效率极限是24.5%，在实验室实现了24%的转换效率，行业量产平均效率超过23%，已经接近PERC电池的效率极限。如何进一步提升效率和降低成本成为一个行业重点突破的课题。
不同的研究机构和电池制造商逐渐尝试新的技术并实现了超越PERC限制的电池效率，他们用载流子选择性接触取代硅/金属接触，例如基于多晶硅（PolySi）的隧道氧化物钝化接触（TOPCon）技术或基于非晶硅（a-Si）和透明导电电极（TCO）异质结钝化接触（HJT）太阳能电池。TOPCon和HJT技术在实验室已经实现25.5%以上的转换效率，量产平均效率也超过了24%，ISFH的理论研究表明，此类技术的效率极限为27.5%（HJT）和28.7%（TOPCon），远远超过PERC电池24.5%的理论效率（图1）。其中TOPCon因其低衰减、效率提升潜力大、产线升级成本低等优点，被行业广泛关注，成为目前N型领域市占率最高的电池技术。行业各大龙头企业也开始纷纷布局TOPCon产能，抢占市场高地。
图1：不同钝化方案的效率极限
一、什么是TOPCon电池
隧穿氧化层钝化接触（ Tunnel oxide passivating contacts， TOPCon）太阳能电池，是 2013 年在第28 届欧洲 PVSEC 光伏大会上德国 Fraunhofer太阳能研究所首次提出的一种新型钝化接触太阳能电池，电池结构图如图2所示，电池前表面为硼扩散的发射极，使用Al2O3/SiNx双层钝化膜， 背面制备一层1~2nm 的隧穿氧化层，然后再沉积一层掺杂多晶硅，二者共同形成了钝化接触结构，为硅片的背面提供了良好的界面钝化，制备的大面积商用电池效率超过25.5%。
图2：TOPCon太阳电池结构示意图
二、为什么选择TOPCon电池
图 3 比较了p型PERC线路和n型TOPCon线路的工艺流程和设备。由于TOPCon工艺与PERC工艺大部分工序兼容，只需添加硼扩散炉、多晶硅沉积设备以及必要的绕镀清洗机即可完成PERC工艺至TOPCon工艺的升级，工艺及设备的成熟度高，更能够得到电池厂的认可。
图3：PERC与TOPCon工艺流程对比
从电池成本上来看（图4），目前TOPCon电池非硅成本已经有能力低于RMB 0.3/W，虽然对比PERC电池片目前平均RMB0.21-0.23/W仍有差距，但预期随着后续金属化环节降本，良率和效率的进一步提升，以及同样具备大尺寸生产，成本将逐渐靠近PERC。HJT由于高的银桨耗量、两倍的设备投资成本，总体非硅成本虽然也在快速下降，相对PERC和TOPCon还是不占优势。
图4：PERC,TOPCon,HJT成本预估（数据来源PV InfoLink）
经过多方实证数据，在大部分同等条件下，TOPCon组件要比PERC组件多发3%以上的发电量。根据内部收益率（IRR）的计算方式：假设IRR值不变，发电量增加3%，那么其组件成本可增加0.14-0.15元/W；同尺寸的组件版型， TOPCon组件比PERC组件在单片组件上功率要高出15-20瓦。则意味着功率提高了2.67%，2.67%的效率提升则可给除组件以外的EPC成本节约至少有0.04元/W以上的成本。经过实际测算，在TOPCon组件比PERC组件贵0.2元/W的情况下，依然可以给项目带来相同的内部收益率。因此预计近两年TOPCon将迎来快速扩产（图6）。
图5：系统端收益分析
图6：TOPCon,HJT技术产能预测（数据来源PV InfoLink）
三、TOPCon电池的技术难点
1. Tunnel Oxide生长的厚度和均匀性控制
形成氧化层的方法很多，但是隧穿氧化层的厚度要求在1~2nm范围内，太薄起不到界面钝化效果，太厚则难以发生隧穿效应使得接触电阻变大，都会影响最终电池片的电性能。常用的超薄氧化层生长方式有：湿化学硝酸氧化，等离子体辅助氧化，热氧化，UV/O3氧化，原子层沉积，PECVD沉积等。其中热生长的氧化硅不仅能提供卓越的化学钝化质量，其设置和处理也都容易完成，并且可以集成到后续的LPCVD多晶硅沉积工序中，成为TOPCon工艺的首选方案。PECVD沉积1-2nm的隧穿氧化膜，可以和PECVD沉积poly膜兼容，但是均匀性难以控制，工艺尚不成熟。ALD方式沉积的隧穿氧化膜具有良好的均匀性，厚度可控，但是需要增加额外的步骤，不利于工艺简化。
2. TOPcon掺杂多晶硅沉积问题。
目前，主流的TOPCon层沉积技术主要有LPCVD、 PECVD 和 PVD 三种技术路线。
LPCVD 全称为低压力化学气相沉积法(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)，该技术优点在于工艺成熟、控制简单容易，但难于镀膜速度慢，同时存在原位掺杂、有绕镀、石英件沉积严重等问题。
PECVD 全称为等离子体增强化学气相沉积法( Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition )。根据沉积腔室等离子源与样品的关系、以及腔室的不同又可细分为微波 PECVD、管式 PECVD 和板式 PECVD。微波 PECVD 沉积速率高达 100A/s，但目前沉积的氧化硅膜较厚，且维护成本比较高。管式 PECVD 和板式 PECVD 同样可以实现原位掺杂和无绕镀，但也存在含氢、维护成本高等问题。
PVD 为物理气相沉积法(Physical Vapor Deposition)，与 PECVD 一样可以实现原位掺杂、无绕度和冷壁，但目前技术仍不够成熟。
图7以图形方式总结了ISFH的文献综述，通过饱和电流密度J0（fA/cm2）对比不同钝化方式的钝化质量。Poly-Si可以通过LPCVD或PECVD与这两种方式沉积，决定接触钝化质量和电池效率的因素还包括界面隧穿氧化层和表面形态（绒面或平面）。我们从这张图表中得出如下结论：
图7：不同钝化方式的钝化质量对比
- PECVD沉积多晶硅未在制绒表面进行测试，可能是由于镀膜均匀性差，对双面绒面的双面电池钝化效果差。
- PECVD沉积多晶硅搭配热氧化钝化效果优于湿氧化，因此隧穿氧化层制备方法对钝化质量有一定的影响。
- 搭配PECVD沉积多晶硅的热氧化需要额外的设备。
- LPCVD沉积多晶硅在热氧化和化学湿法氧化得到相似的J0，这表明LPCVD技术在使用热或湿化学氧化物方面具有更大的灵活性。
- 此外，热氧化可以和LPCVD在同一炉管中进行。
- LPCVD 适用于平面和绒面，更适合于双面电池。
- PECVD镀膜工艺搭配p型多晶硅、热氧化、抛光表面体表现出良好的钝化结果，这意味着此工艺可以适用于其他的电池结构。
由于上述原因，LPCVD目前在TOPCon产线生产中进行了广泛的测试。与PECVD不同，LPCVD沉积的主要缺点是石英件的消耗以及多晶硅的绕镀问题，硅片背靠背的装载在专门设计的石英舟上仍然会有边缘5mm左右的绕镀。得益于大产能LPCVD设备的研发，镀膜设备的成本进一步下降，采用双面镀膜方案可以简单有效的去除电池正面poly硅绕镀问题。与这个缺点对比，优势也是很明显的，例如高产量、更高的生长速率、更好的钝化质量和原位隧穿SiO2生长。
3、硼扩散问题
TOPCon工艺另外一个重要的工序是发射极的形成，因为现在TOPCon电池主要是基于N型硅片，发射极是通过硼扩散形成。
硼扩散通常是在低压管式炉中完成，对比磷扩散，硼扩散需要更高的温度（超过1000℃）和更长的循环时间（150分钟以上），这使得硼扩散的产能变低，提高产能降低成本是一个必然趋势。
硼扩散的前驱体选择也是重要的课题，在此之前BBr3是使用最广泛的前驱体，但是三溴化硼有一个传统的问题，该反应的副产物会充当石英的粘合剂，使得石英管使用寿命短，设备维护成本高；近一年BCl3作为前驱体有了更多的追随者，因为氯离子的存在能够让石英管更为清洁，反应副产物无腐蚀性和黏连性，石英管的使用寿命更长。三氯化硼以瓶装的气态形式供应，无需起泡器，有助于进气。虽然扩散均匀性稍差，气态源也存在一定的安全问题，但鉴于使用成本更低，优势还是很明显。
四、TOPCon电池技术展望
尽管TOPCon电池仍有较多待解决的问题，但是TOPCon电池先天的高转换效率、低衰减和更低LCOE潜力决定其势必成为继PERC后下一代电池主流技术。目前TOPCon 电池已经取得了高于PERC的效率，在系统端也表现出更高的收益率。而成本因素是制约TOPCon电池能否快速增长的关键。随着越来越多的设备和制造厂商加入对TOPCon电池的研究，效率和良率有望进一步提升，随着设备产能提升和运营成本的下降，TOPCon电池产能的扩张将加速落地。