TOPCon“關(guān)鍵先生”

2022在光伏發(fā)展史上可被稱作“TOPcon之年”。N型技術(shù)路線之爭第一個回合，TOPCon在成本和成熟度方面占優(yōu)。

(資料圖片僅供參考)

同時在龍頭企業(yè)的帶動下，行業(yè)信心堅定，紛紛布局，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前TOPCon全行業(yè)產(chǎn)能規(guī)劃已達(dá)300GW左右，即使HJT或者BC電池在未來實現(xiàn)反超，也能給TOPCon企業(yè)消化產(chǎn)能的時間，擺在企業(yè)面前的只有同類競爭的此消彼長，而無整條技術(shù)路線被顛覆的風(fēng)險。

TOPCon技術(shù)，由Fraunhofer提出，一道、中來等企業(yè)接力，由晶科能源推動全面爆發(fā)，歷經(jīng)了多年時間，期間不斷調(diào)整工藝，2021年11月，晶科推出N型TOPCon技術(shù)制成的Tiger Neo組件，進(jìn)一步推動了TOPCon電池的產(chǎn)業(yè)化。

但進(jìn)一步促使業(yè)內(nèi)企業(yè)下定決心的，卻是晶科對TOPCon技術(shù)的進(jìn)一步升級。

2022年4月15日，深圳市海目星激光科技集團(tuán)股份有限公司(以下簡稱“海目星”)發(fā)布公告稱，Topcon激光微損設(shè)備，收到國內(nèi)首批大規(guī)模中標(biāo)通知，這是海目星光伏激光及自動化設(shè)備、技術(shù)得到市場認(rèn)可的有力佐證。

一時間業(yè)內(nèi)為之側(cè)目。海目星何許人也?在此前處于膠著狀態(tài)的N型電池競賽中，它又起到了什么作用?

先聲奪人

海目星攻克激光硼摻雜工藝

根據(jù)公開資料，海目星成立于2008年，并于2020年9月在科創(chuàng)板成功上市，是集研發(fā)、制造、銷售、服務(wù)于一體的激光及自動化綜合解決方案提供商。十余年來，海目星的市場版圖已輻射國內(nèi)外，除總部深圳之外，先后在廣東江門、江蘇常州、四川成都布局基地，并在意大利設(shè)立了子公司。科研方面，海目星成立了集團(tuán)研究院，并在常州、深圳設(shè)立激光研發(fā)中心，同時與西安交大成立了智能裝備創(chuàng)新研究院，引入了香港理工大學(xué)、哈工大等高校智囊。據(jù)海目星透露，目前已有多家電池組件廠商向其拋出橄欖枝，很少有這樣一家企業(yè)如此迅速引發(fā)關(guān)注且獲得高比例的市場份額，海目星是怎么做到的?又為什么能引發(fā)市場的熱情?

究其原因，是海目星攻克的一次激光硼摻雜工藝是TOPCon技術(shù)的關(guān)鍵工藝，提升效率(0.3%-0.5%)的同時，能夠有效降低成本，在TOPCon引而未發(fā)的關(guān)鍵時刻，這項技術(shù)起到了“臨門一腳”的效果，迅速引爆市場。

多種硼摻雜技術(shù)路線分析

資料顯示，TOPCon電池技術(shù)于2013年被德國Fraunhofer研究所首次提出，其電池結(jié)構(gòu)為N型硅襯底電池，背面制備一層超薄氧化硅，然后再沉積一層摻雜硅薄層，二者共同形成了鈍化接觸結(jié)構(gòu)。TOPCon可在原有生產(chǎn)線上進(jìn)行改造升級，拉長原有設(shè)備使用周期，在實現(xiàn)較高轉(zhuǎn)換效率的同時成本相對較低。

TOPCon相比異質(zhì)結(jié)主要有兩點優(yōu)勢：

NO.1

理論效率28.7%比HJT理論效率27.5%更高，這也是晶科等企業(yè)選擇TOPCon技術(shù)的原因之一。

NO.2

與PERC產(chǎn)線設(shè)備兼容性更好，頭部電池企業(yè)無論是新上產(chǎn)線還是進(jìn)行改造升級都更容易，研發(fā)和生產(chǎn)人員也更容易切換到生產(chǎn)線上。

晶科能源表示，效率潛力是公司選擇TOPCon的原因之一，同時，TOPCon在設(shè)備投資和生產(chǎn)成本上相比于HJT更具優(yōu)勢。

TOPCon電池的制備工序包括清洗制絨、正面硼擴散、BSG去除和背面刻蝕、氧化層鈍化接觸制備、正面氧化鋁沉積、正背面氮化硅沉積、絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)和測試分選，約12步左右。其中，氧化層鈍接結(jié)構(gòu)制備為TOPCon在PERC的基礎(chǔ)上增加的主要工序，也是TOPCon的核心工序，工藝路線大致分為LPCVD本征+磷擴(低壓力化學(xué)氣相沉積法)、PECVD原位摻雜、PVD原位摻雜(即物理氣相沉積法)。

要做TOPCon，鈍接結(jié)構(gòu)制備是基礎(chǔ)，但要做好TOPCon，正面硼擴散是相關(guān)企業(yè)要解決的最大挑戰(zhàn)。

在海目星之前，硼擴散工藝采用的是硼擴散爐，根據(jù)資料顯示。硼原子半徑0.082nm，磷原子半徑為0.110nm，硅原子半徑為0.118nm，硼與硅原子差異較大，擴散過程中產(chǎn)生晶格張力，固溶度較低，導(dǎo)致硼在硅中擴散速率與固溶速度大幅低于磷，N型硅片硼擴散難度遠(yuǎn)大于P型，需要更高的擴散溫度(900-1100攝氏度)和擴散時間，擴散爐需求較PERC生產(chǎn)線翻倍。同時目前硼擴常見的硼源主要為三溴化硼( BBr3 )以及三氯化硼(BCl3)。其中，三溴化硼擴散的副產(chǎn)物對石英器件損傷嚴(yán)重，部分廠商開始使用三氯化硼作為硼源，雖然三氯化硼的副產(chǎn)物對石英器件基本無損傷，但受制于B-CL鍵能較大，擴散均勻性又略差于三溴化硼。(資料來源：中泰證券、雪球網(wǎng))

于是業(yè)內(nèi)開始嘗試先擴散后激光摻雜的方法，制作選擇發(fā)射極(SE)，但同樣由于固溶度低，需要更高能量，須采用更高功率的激光器，但對功率穩(wěn)定性的要求極高，過高會損傷電池絨面，過低則達(dá)不到既定摻雜效果。

據(jù)索比光伏網(wǎng)了解，業(yè)內(nèi)有經(jīng)驗的企業(yè)會讓激光企業(yè)在非常小的區(qū)域規(guī)定速度、深度打孔，來測試其技術(shù)實力。

目前業(yè)內(nèi)主要擴散工藝有一次激光摻雜、二次激光硼擴、絲網(wǎng)印刷等，但后兩者都存在工藝原理上的缺陷，二次硼擴成本、耗能、耗時“三高”，操作繁瑣，絲網(wǎng)印刷精度不足，因此一次激光摻雜被業(yè)內(nèi)視為工藝難度最大卻也是最優(yōu)的解決方案。

他山之石，可以攻玉

碳中和進(jìn)程開啟之后，新能源賽道吸引了更多優(yōu)秀企業(yè)的目光，許多行業(yè)性難題的解決之道就潛藏其中。“他山之石，可以攻玉”。

在進(jìn)入光伏行業(yè)之前，海目星一直在探索如何深度融入新能源行業(yè)，而不僅僅是跟隨行業(yè)發(fā)展去提供設(shè)備。海目星董事長特助黃健宏指出：“我們會從底層需求來了解行業(yè)未來的需求是什么，會和客戶、行業(yè)領(lǐng)軍人物一起去探討，我們就可以更加專注地投入到產(chǎn)業(yè)中。首先海目星在激光方面有很強的應(yīng)用能力和自主光源，可以覆蓋眾多不同的切割類型、焊接、表面處理。應(yīng)用方面我們自己掌握自動化能力，包括精密的裝配、數(shù)字化控制、智能制造控制技術(shù)，還有虛擬調(diào)試、智能物流線，模擬仿真等。我們還有很強的視覺自動化檢測技術(shù)和核心的卷對卷技術(shù)，有大量的設(shè)備是高速卷對卷和激光匹配。”

“公司有自主研發(fā)生產(chǎn)激光器的能力，激光器已經(jīng)做了10年，10年前紫外納秒激光器已經(jīng)很成熟，國內(nèi)大部分做的是水冷激光器，而公司做的是風(fēng)冷激光器。包括公司也得到了政府多個項目獎，體現(xiàn)了公司的技術(shù)實力。公司的激光器大部分是自產(chǎn)自用，根據(jù)客戶需求，公司激光器可以做獨立設(shè)計，這是我們公司獨到的、其他企業(yè)不具備的優(yōu)勢。”海目星光伏事業(yè)群總經(jīng)理周宇超在與投資機構(gòu)交流時解釋了海目星短時間攻克光伏行業(yè)難題的原因。

作為光伏業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人，周宇超畢業(yè)于利物浦大學(xué)，導(dǎo)師是激光應(yīng)用之父的奠基人William Steen，激光技術(shù)1961年誕生，他的導(dǎo)師1967年開創(chuàng)了激光應(yīng)用學(xué)科。在接手一次激光摻雜這個課題后，他發(fā)現(xiàn)這個困擾光伏行業(yè)的難題對自身的挑戰(zhàn)并不算大，除了多年的激光應(yīng)用經(jīng)驗之外，海目星還有相似的成熟行業(yè)經(jīng)驗。“進(jìn)入光伏的一年前，我們就把半導(dǎo)體、硼、硅、電子等研究明白，通過直摻物理模型分析，發(fā)現(xiàn)沒有標(biāo)準(zhǔn)的激光器可以實現(xiàn)直摻的工藝，后來，公司通過熱場分部模型反推激光器工藝參數(shù)，然后再通過參數(shù)做出激光器之后再反推激光直摻的效果，發(fā)現(xiàn)和理論接近，包括對損傷做了優(yōu)化處理，所以最后做出了這款產(chǎn)品。”周宇超指出，海目星因為可以自制激光器，在激光的參數(shù)設(shè)置上占據(jù)全球領(lǐng)先地位。

2022年4月27日，晶科TOPCon電池轉(zhuǎn)化效率達(dá)到25.7%，比之前的25.4%提升了0.3個百分點。10月13日，晶科能源再次發(fā)布公告，經(jīng)中國計量科學(xué)院第三方測試認(rèn)證，182N型單晶TOPCon全面積電池轉(zhuǎn)化效率達(dá)到26.1%，再次創(chuàng)造了182及以上尺寸大面積N型單晶鈍化接觸(TOPCon)電池轉(zhuǎn)化效率新的紀(jì)錄，其中應(yīng)用了SE硼摻雜技術(shù)。

“我們習(xí)慣于用激光技術(shù)來解決問題。”周宇超說，“所以當(dāng)我們解決激光硼摻雜的問題時，有客戶感嘆之前都沒有想過還能用這種方式，我認(rèn)為這更多是大家看待問題的角度不同，這個行業(yè)未來會變得更多元來應(yīng)對更復(fù)雜的挑戰(zhàn)。

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