TopCon太阳能电池重点企业专利布局方向

TopCon太阳能电池重点企业专利布局方向

陈学妍

国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心  天津 300304

摘要:TopCon太阳能电池成为目前硅基电池的一种高效电池，本文通过检索TopCon太阳能电池的专利现况，对专利申请数量的申请人进行排名，并对排名靠前的重要申请人进行专利技术的分析，得出各个重点企业的布局重点，为相关研究人员提供参考。

关键词：光伏；Topcon；专利；企业

1.研究背景

2013年，德国的研究所Fraunhofer-ISE提出了隧穿氧化层钝化接触(Tunnel Oxide Passivating Contacts，简称TopCon)结构，其在硅片的背面形成一层极薄的氧化硅并与多晶硅形成钝化接触结构，该结构避免了金属和晶硅表面的接触，降低了金属接触复合损失，该钝化结构理论效率高于非晶硅钝化异质机构电池，例如HJT，能够达到28.7%，得到研究者和太阳能电池企业的广泛关注。本文重点梳理了TopCon太阳能电池领域的重点企业布局方向，为相关研究人员提供参考。

2.研究内容

 2.1重点申请人概况

经过检索，目前全球共申请TopCon太阳能电池专利714项（公开日截止20221231）。经过对申请人的专利进行统计分析，发现目前排名如下：泰州中来光电科技有限公司（66项）、天合光能股份有限公司（40项）、浙江晶科能源有限公司（37项）、国家电投集团黄河上游水电开发有限责任公司（32项）、青海黄河上游水电开发有限责任公司（32项）、中国科学院宁波材料技术与工程研究所（31项）、浙江爱旭太阳能科技有限公司（28项）、常州时创能源股份有限公司（25项）、苏州腾晖光伏技术有限公司（25项）、泰州隆基乐叶光伏科技有限公司（18项）。

2.2重点企业近五年布局方向

结合专利申请量排名和本领域产业现况，选取泰州中来光电科技有限公司、天合光能股份有限公司、国家电投集团黄河上游水电开发有限责任公司、浙江晶科能源有限公司介绍其近五年重点布局方向，了解重点企业的技术布局重点方向。

泰州中来光电科技有限公司：泰州中来光电科技有限公司总体的专利申请有效率44%，其中71%为发明专利。近五年申请53件，主要在2020年起申请量有较快增长，并且该公司主要针对N型TopCon太阳能电池进行改进（占比96%），其中，2021年申请有10件是将TopCon和背接触太阳能电池进行结合进行的改进（占N型TopCon总量的19%），可见将TopCon和背接触太阳能电池结合是中来光电科技的一个重要方向。在常规的电池结构进行的改进专利申请中，74%是针对电池背面形成TopCon结构进行的改进，12%是形成双面TopCon结构，正面形成TopCon结构占比14%，可见，对于TopCon电池的研究，主要还是集中在背面形成TopCon的改进上，主要是由于背面电极的接触电阻制约电池的效率，另外，掺杂多晶硅在应用于正面结构时，会产生光的吸收，降低电池对光的利用。在TopCon结构的改进方向上，中来光电科技在隧道结接触电阻上布局较多，占比达到34%，例如在形成TopCon时，形成选择性重掺杂的掺杂多晶硅（例如CN114975691A）或者通过形成多层的不同掺杂浓度掺杂多晶硅降低接触电阻（例如CN115274869A，CN115274870A）；另外，对于隧穿层的结构，通过形成至少两层隧道结层（CN209912878U）或SiOx/AlOx/p‑poly的三层式钝化接触结构隧穿层（CN112768565A）提高钝化效果，同时，针对TopCon结构相对于传统晶硅电池工艺的复杂性，简化工艺也是其改进的方向之一，对于非晶硅的制备工艺的优化，采用PVD形成非晶硅（CN110931596A，CN114078987A）或激光掺杂形成多晶硅（CN111725359A）提高制备质量。另外，该公司近期还申请了3件关于钙钛矿和TopCon太阳能电池叠层的电池结构（CN114520289A，CN114520288A，CN111525037A）。

天合光能股份有限公司：该公司从2016年开始布局TopCon太阳能电池，申请量逐年增加，近五年有40件专利申请，其中55%是发明专利申请，专利有效率为53%。分析其所有的专利申请技术方案，发现该公司对于电池的改进类型并不像其他公司局限在n型硅电池，其专门针对n型硅改进的比例仅有25%，同时，其对于电池结构的改进主要针对常规结构，只有5%涉及与背接触太阳能电池进行改进。在改进的方向上，针对正面或双面形成TopCon结构的占比35%，例如正/背面电极处形成局部的TopCon结构，改善钝化和光吸收的效果（CN113644142A，CN112186049A，CN112164728A），另外，利用形成晶化率不同的掺杂多晶硅改进电池的钝化效果（CN115188835A），掺杂多晶硅层两侧形成第一本征多晶硅层和含硅层的设置，能大大改善掺杂多晶硅层的均匀性（CN114628534A）；另外，针对目前太阳能电池形成切片电池工艺，该公司针对TopCon结构的侧面切面的钝化进行了改进（CN112687763A），同时对于TopCon结构的氢钝化进行了改进（CN115117196A），另外，其也对钙钛矿叠层电池进行了相关的布局（CN113013277A），整体上，天合光能股份有限公司更加注重现有工艺和TopCon太阳能电池的优化兼容和改进。

国家电投集团黄河上游水电开发有限责任公司和国家电投集团西安太阳能电力有限公司合作申请了32件，全部是近五年申请，主要集中在2019、2021和2022年，有效率26%，其中90%为发明专利。分析其所有专利申请的技术方案，其针对P型硅改进的占比仅有9%，主要是针对n型硅电池进行的改进（66%），在电池类型上，该公司从2019年就开始申请将TopCon电池结构和背接触电池结构结合进行改进，占比总量的37%，其中CN110034193A涉及改进栅线结构进而改进接触电阻，CN110061086A涉及前场形成TopCon结构，CN110061072A涉及发射极采用TopCon代替，CN115117180A，CN113437159A涉及针对背面p/n发射极钝化。在常规电池的改进中，该公司针对的主要有改善接触电阻、钝化结构的优化、正反面TopCon结构的吸光和钝化之间的平衡改进，例如通过在隧穿氧化层与硅衬底之间引入量子阱结构，使得电池背表面生长的量子阱结构成为聚集电子或空穴的势阱，聚集在量子阱内部的电子或空穴再通过隧穿作用穿透氧化层到达多晶硅层（CN114512551A），正面结构中采用宽带系的n型掺杂Ga2O3层或p型CuAlO2层代替现有的重掺杂多晶硅层，在可见光范围内具有更高的透过率，可以提高可见光的入射效率，从而有效提高光伏电池的电流输出能力（CN114512551A，CN114512552A）；隧穿氧化层和磷掺杂多晶硅层之间添加碳掺杂二氧化硅层，从而阻止磷离子扩散进入到隧穿氧化层中（CN115132852A），将隧穿钝化接触结构局部应用于电池的正面且同时应用于电池的背面（CN114447142A，CN114864740A）。此外，对于简化工艺和改进绕镀等工艺的改进，该公司也有少量专利申请涉及。

浙江晶科能源有限公司：其2017年开始申请相关专利， 2019年后进行大量申请，近五年共32件申请，81%是发明专利，有效率47%。分析其所有的专利申请技术方案，其针对p型电池改进的占比12.5%，其余是针对n型硅或不限类型的电池的改进，该公司不涉及背接触太阳能电池形成TopCon结构的申请，并且大部分都是针对背面形成TopCon结构的改进，具体的改进方向中，一个重要的方向是在电极的区域形成局部的TopCon结构（CN110634996A、CN110752261A）,进一步的，CN111048625A通过设置两层N+POLY结构，在通过选择性刻蚀的方式，在刻蚀区形成非金属覆盖区保留第一N+POLY结构，金属覆盖区保留在第一N+POLY结构、第二N+POLY结构，极大的降低电池正面的表面复合，CN217306520U设置多级钝化接触台阶，第一钝化接触台阶厚度较薄，能够减少对长波段光线的寄生吸，有效提升太阳能电池的长波响应以及双面率，另外，针对隧穿氧化层，CN111081818A采用ALD形成均匀且厚度适中氧化硅；CN111200038A通过采用在氢气氛围中对生长遂穿氧化层的硅片进行处理，减少硅片氧化层的界面缺陷；CN113964212A、CN114551606A在N型半导体衬底后表面与掺磷多晶硅层之间设有含有氮元素和磷元素的氧化硅层，提高电池后表面隧穿能力和电池后表面钝化效果，从而提升电池的转换效率。另外，浙江晶科能源有限公司注重工艺的优化和改进。

3 结论

目前，TopCon太阳能电池领域专利申请处于高速发展阶段，中国在TopCon太阳能电池领域活跃，目前的专利申请布局重点方向有TopCon结构和背接触太阳能电池结构的结合、电极钝化接触电阻的改进以及工艺流程的简化，其中泰州中来光电科技有限公司、国家电投集团黄河上游水电开发有限责任公司和国家电投集团西安太阳能电力有限公司更偏重于背接触太阳能电池和N型电池的改进，浙江晶科能源有限公司和天合光能股份有限公司更偏重于工艺的优化和改进。