در دنیای مدرن، با توجه به رشد تقاضا برای انرژی پاک و کاهش وابستگی به منابع فسیلی، صنعت انرژی خورشیدی شاهد تحولات بزرگی بوده است. یکی از مهم‌ترین پیشرفت‌ها در این حوزه، فناوری TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact) است که به عنوان یکی از نوآوری‌های کلیدی در ساخت سلول‌های خورشیدی سیلیکونی نوع N شناخته می‌شود. این فناوری در سال 2013 توسط محققان انستیتو فرانهوفر ISE در آلمان توسعه یافت و به عنوان جایگزینی پیشرفته برای فناوری PERC مطرح شد. در ادامه به بررسی دقیق ساختار، مزایا، چالش‌ها و کاربردهای این فناوری خواهیم پرداخت.
ساختار و نحوه عملکرد فناوری TOPCon
فناوری TOPCon بر پایه طراحی هوشمندانه لایه‌های نازک و پیشرفته شیمیایی ساخته شده است. در این ساختار، یک لایه اکسید سیلیسیم فوق‌العاده نازک (با ضخامت چند آنگستروم، یعنی چند دهم نانومتر) به عنوان لایه “اکسید تونلی” روی سطح سیلیکونی سلول قرار می‌گیرد. این لایه نقشی کلیدی در حفاظت الکترون‌های تولیدی در برابر بازترکیب غیرضروری بازی می‌کند.
پس از آن، یک لایه پلی‌سیلیکون آلاییده شده (معمولاً با فسفر) روی این اکسید تونلی قرار می‌گیرد. این لایه به عنوان یک تماس همراه با خاصیت پاسیواسازی عمل می‌کند. ساختار این دو لایه به گونه‌ای طراحی شده است که:
- الکترون‌ها بتوانند از طریق اثر تونلی (پدیده کوانتومی) از لایه اکسید عبور کنند،
- در عین حال، اتلاف‌های بازترکیب در محل تماس فلز-سیلیکون به حداقل برسد.
این ویژگی‌ها باعث افزایش ولتاژ مدار باز (Voc) و در نتیجه بهبود راندمان کلی سلول خورشیدی می‌شوند.
مزایای فناوری TOPCon در مقایسه با فناوری‌های قدیمی
1. راندمان بالای تبدیل انرژی
یکی از مهم‌ترین مزایای فناوری TOPCon، راندمان بیشتر نسبت به سلول‌های PERC و متداول قدیمی است. در حالی که سلول‌های PERC راندمانی بین 18 تا 22 درصد دارند، سلول‌های TOPCon می‌توانند به راندمان 22 تا 26 درصد دست یابند . این بهبود قابل توجه در بهره‌وری انرژی، آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای پروژه‌های بزرگ انرژی خورشیدی تبدیل کرده است.
2. عملکرد بهتر در شرایط نوری غیرایده‌آل
فناوری TOPCon در شرایط نوری ضعیف یا غیرمستقیم (مانند هوای ابری، صبح زود یا شب) نیز عملکرد قابل قبولی دارد. این قابلیت باعث می‌شود دوره تولید انرژی در طول روز گسترش یابد و کاربران بتوانند حداکثر استفاده را از نور خورشید ببرند.
3. کاهش تلفات انرژی
لایه اکسید تونلی و تماس غیرفعال، بازترکیب الکترون-حفره را به شدت کاهش می‌دهند. این موضوع باعث می‌شود بیشتر الکترون‌های تولید شده در سلول به عنوان جریان الکتریکی موثر باقی بمانند و تلفات انرژی به حداقل برسد.
4. توافق با خطوط تولید فعلی
یکی از دلایل اصلی گسترش سریع فناوری TOPCon، سازگاری آن با خطوط تولید موجود برای سلول‌های PERC است. این فناوری نیاز چندانی به تغییرات گسترده در تجهیزات کارخانه‌ها ندارد و می‌تواند بدون هزینه‌های گزاف در خطوط تولید فعلی اجرا شود.
کاربردها و محبوبیت فناوری TOPCon
با توجه به مزایای برجسته، پنل‌های خورشیدی مبتنی بر TOPCon در پروژه‌های مختلفی از جمله:
- پروژه‌های مسکونی با نیاز به فضای محدود و راندمان بالا،
- پروژه‌های تجاری و صنعتی که نیاز به تولید انرژی گسترده دارند،
- نیروگاه‌های خورشیدی بزرگ در مناطق با آفتاب‌گیری بالا،
مورد استفاده قرار می‌گیرند.
این فناوری به‌ویژه در کشورهای چین، آلمان و ایالات متحده در حال گسترش است. شرکت‌های بزرگی مانند LONGi Solar ، JinkoSolar و Canadian Solar به تولید انبوه این سلول‌ها پرداخته‌اند.
همچنین، TOPCon به عنوان راهکار میانه بین فناوری‌های PERC و HJT (هیبریدی) در نظر گرفته می‌شود. در حالی که راندمان آن نزدیک به HJT است، هزینه تولید آن به مراتب کمتر از HJT است و این موضوع باعث می‌شود انتخابی مناسب برای تولیدکنندگان با بودجه محدود باشد.
چالش‌ها و محدودیت‌های فناوری TOPCon
1. هزینه تولید بالاتر از PERC
با وجود سازگاری با خطوط تولید موجود، فناوری TOPCon نیازمند مواد و فرآیندهای اضافی است. به عنوان مثال، لایه‌نشانی اکسید تونلی و لایه پلی‌سیلیکون نیازمند تجهیزات دقیق و مواد شیمیایی گران‌قیمت هستند. این موضوع باعث می‌شود قیمت این سلول‌ها نسبت به PERC گران‌تر باشد .
2. پیچیدگی فرآیند تولید
ساختار لایه‌های فوق‌العاده نازک در فناوری TOPCon نیازمند دقت بسیار بالا در کنترل ضخامت و کیفیت لایه‌ها است. این پیچیدگی باعث می‌شود فرآیندهای تولید نیازمند تجهیزات پیشرفته و کارشناسان متخصص باشند.
جمع‌بندی و آینده فناوری TOPCon
فناوری TOPCon یکی از مهم‌ترین تحولات در حوزه سلول‌های خورشیدی در دهه اخیر است. با توجه به تولید انرژی بالاتر، مقاومت در برابر شرایط نامناسب و سازگاری با خطوط تولید موجود ، این فناوری به سرعت در حال گسترش است.
با افزایش نیاز به انرژی پاک و هدفمندی‌های جهانی در کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای، انتظار می‌رود فناوری TOPCon در آینده نزدیک نقش برجسته‌تری در صنعت انرژی خورشیدی ایفا کند.
منابع:
- Fraunhofer ISE – Research on High-Efficiency Solar Cells
- PV Magazine – TOPCon Technology Adoption in 2023
- Longi Solar – Technical Specifications of TOPCon Modules
- JinkoSolar – White Paper on Advanced Solar Technologies