n型TOPCon-PERT雙面太陽(yáng)電池發(fā)電特性分析

汪 洋，呂 欣，侯少攀，崇 峰

(1.黃河上游水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，西安 710000；2.西安理工大學(xué)，西安 710048；3.國(guó)家電力投資集團(tuán)公司陜西分公司，西安 710000)

0 引言

光伏產(chǎn)業(yè)是能源轉(zhuǎn)型和落實(shí)能源生產(chǎn)與消費(fèi)革命的決定力量之一，光伏產(chǎn)品的降本增效是我國(guó)實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)的基礎(chǔ)，而研制新結(jié)構(gòu)、開(kāi)發(fā)新工藝一直是太陽(yáng)電池生產(chǎn)制造中的重要環(huán)節(jié)[1]。在此形勢(shì)下，n型硅片以高少子壽命、無(wú)光致衰減、對(duì)金屬污染不敏感等優(yōu)勢(shì)引起了研究人員的關(guān)注[2-3]。目前研究最多的n型太陽(yáng)電池技術(shù)有本征薄膜異質(zhì)結(jié)(HIT)、全背電極接觸(IBC)、 異質(zhì)結(jié)背接觸(HBC)及鈍化發(fā)射極背表面全擴(kuò)散(PERT)，其中，前3者與p型太陽(yáng)電池制備工藝不兼容且較為復(fù)雜，制備成本較高；而n型PERT太陽(yáng)電池除了兼容p型太陽(yáng)電池制備工藝外，還同時(shí)兼顧了低成本和高效率[4]。隧穿氧化層鈍化接觸(TOPCon)技術(shù)與n型PERT太陽(yáng)電池的融合更是為n型太陽(yáng)電池技術(shù)提供了新的研發(fā)方向。本文通過(guò)對(duì)比n型TOPCon-PERT雙面太陽(yáng)電池(以下簡(jiǎn)稱“n型TOPCon-PERT電池”)正面和背面的內(nèi)量子效率(IQE)、外量子效率(EQE)，以及n型TOPCon-PERT雙面光伏組件(以下簡(jiǎn)稱“n型TOPCon-PERT組件”)、n型PERT雙面光伏組件(以下簡(jiǎn)稱“n型PERT組件”)和p型PERC雙面光伏組件(以下簡(jiǎn)稱“p型PERC組件”)的戶外發(fā)電特性及衰減率等情況，對(duì)n型TOPCon-PERT電池的發(fā)電特性進(jìn)行了分析。

1 IQE和EQE的實(shí)測(cè)分析

選取n型PERT雙面太陽(yáng)電池(以下簡(jiǎn)稱“n型PERT電池”)與n型TOPCon-PERT電池各1片，分別測(cè)試2種雙面太陽(yáng)電池正面的EQE，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，無(wú)論是在短波波段，還是在長(zhǎng)波波段，n型TOPCon-PERT電池的EQE均比n型PERT電池的高。究其原因，n型TOPCon-PERT電池的EQE在短波波段內(nèi)的提升主要是由于硼擴(kuò)散工藝的優(yōu)化降低了電池前表面復(fù)合速率；而其在長(zhǎng)波波段的提升主要得益于TOPCon結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，該結(jié)構(gòu)使電池的整個(gè)背面均得到了更好的鈍化，有效降低了電池背面尤其是金屬接觸區(qū)的復(fù)合速率，提高了電池對(duì)光的吸收率[5-6]。

圖1 2種雙面太陽(yáng)電池的EQE曲線對(duì)比圖Fig. 1 Comparison graph of EQE curves of two kinds of bifacial solar cells

為進(jìn)一步研究n型TOPCon-PERT電池的光譜響應(yīng)特性，分別測(cè)試了該電池正面和背面的IQE、EQE及反射率，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 n型TOPCon-PERT電池正面和背面的IQE、EQE和反射率曲線Fig. 2 EQE，IQE and reflectance curves of front and rear of n-TOPCon-PERT bifacial solar cell

由圖2可知，n型TOPCon-PERT電池正面的光譜響應(yīng)更好，而且正面的反射率較低，對(duì)入射光子的利用率更高。這主要是因?yàn)椴煌ǘ喂庾拥拇┩赶禂?shù)與能量分布存在差異，短波光子的穿透能力弱，更多地是在電池表面被吸收；而長(zhǎng)波光子的穿透能力強(qiáng)，更多地是在電池內(nèi)部被吸收。但隨著波長(zhǎng)變長(zhǎng)，光子能量減少，在1000 nm之后電池正面的IQE和EQE也隨之降低；同時(shí)由于n型硅片形成的p-n結(jié)摻雜濃度相對(duì)較高，p+發(fā)射極結(jié)深較深，俄歇復(fù)合比較嚴(yán)重，所以電池正面在300～400 nm短波波段的光譜響應(yīng)相對(duì)較低。電池正面和背面反射率之間的差異是由雙面電池結(jié)構(gòu)決定的，由于雙面太陽(yáng)電池的硅片需要雙面制絨，但在硼擴(kuò)散時(shí)，正面擴(kuò)散的硼原子會(huì)同時(shí)擴(kuò)散到背面，因此需對(duì)擴(kuò)散過(guò)界的部分進(jìn)行刻蝕，而在此過(guò)程中會(huì)破壞硅片背面的絨面結(jié)構(gòu)，使背面的陷光效果相對(duì)于正面而言有所減弱。

2 戶外實(shí)證發(fā)電特性分析

在我國(guó)西北部同一荒漠地區(qū)，采用相同的光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)比裝機(jī)容量均為1 MWp的n型TOPCon-PERT組件、n型PERT組件及p型PERC組件2019年的年發(fā)電量情況，結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，n型TOPCon-PERT組件的年發(fā)電量比n型PERT組件的高0.7%，比p型PERC組件的高1.6%。由此可以看出，相較于p型PERC組件，n型TOPCon-PERT組件在發(fā)電量方面的增益明顯；且相較于n型PERT組件，TOPCon結(jié)構(gòu)為其帶來(lái)了較好的發(fā)電量提升。

分析導(dǎo)致上述3種雙面光伏組件發(fā)電量差異的原因認(rèn)為，我國(guó)西北荒漠地區(qū)的短波光譜比AM1.5標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜分布強(qiáng)，這對(duì)于n型TOPCon-PERT電池來(lái)說(shuō)更具有發(fā)電優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，不同類型雙面光伏組件運(yùn)行時(shí)的溫度損失與衰減損失也是造成發(fā)電量差異的重要原因[7]。

表1 不同類型雙面光伏組件的年發(fā)電量對(duì)比Table 1 Comparison of annual power generation of different types of bifacial PV modules

2.1 組件運(yùn)行時(shí)的溫度損失分析

溫度損失由光伏組件的功率溫度系數(shù)及運(yùn)行溫度共同決定。由于不同類型光伏組件的功率溫度系數(shù)不同，導(dǎo)致組件功率隨運(yùn)行溫度變化的速率不同，所以不同運(yùn)行溫度下光伏組件輸出的電性能也不同。

太陽(yáng)電池的輸出功率由工作電流與工作電壓共同決定，工作電壓由半導(dǎo)體材料的禁帶寬度與費(fèi)米能級(jí)決定，隨著溫度升高，費(fèi)米能級(jí)就會(huì)越靠近價(jià)帶，工作電壓會(huì)在一個(gè)較大范圍內(nèi)變小；而工作電流受溫度影響的變化很小。當(dāng)工作電流I基本不變，工作電壓U大幅度變化時(shí)，由功率P的計(jì)算公式P=UI可知，功率的變化趨勢(shì)與工作電壓基本一致。因此，功率溫度系數(shù)越大、運(yùn)行溫度越高，在相同條件下運(yùn)行時(shí)，光伏組件發(fā)電量受溫度的影響越大。由表1可知，2種n型雙面光伏組件的功率溫度系數(shù)與p型雙面光伏組件相差的0.06%/℃，而組件在運(yùn)行時(shí)的溫度可達(dá)70℃。由于n型TOPCon-PERT組件的功率溫度系數(shù)較低，因此其在夏季環(huán)境溫度較高時(shí)的溫度損失相對(duì)較小，而在冬季時(shí)與其他2種雙面光伏組件的溫度損失基本相當(dāng)。

進(jìn)一步收集夏季不同太陽(yáng)輻照度(太陽(yáng)輻照度>50 W/m2)下p型PERC組件和n型TOPCon-PERT組件的運(yùn)行溫度，具體如表2所示。從表中可以發(fā)現(xiàn)，n型TOPCon-PERT組件的運(yùn)行溫度整體低于p型PERC組件的，所以其溫度損失相對(duì)較少。

表2 夏季不同太陽(yáng)輻照度下2種類型雙面光伏組件的運(yùn)行溫度Table 2 Operating temperature of two types of bifacial PV modules at different solar irradiance in summer

2.2 組件的衰減損失分析

衰減損失也是影響光伏組件發(fā)電量的重要因素之一，在電站運(yùn)行過(guò)程中，光伏組件發(fā)電量隨著組件的衰減而逐年降低。光伏組件的綜合衰減率一般主要包括太陽(yáng)電池的光致衰減和材料的老化衰減，而材料老化衰減是各類光伏組件普遍存在的現(xiàn)象。為了了解p型PERC組件和n型TOPCon-PERT組件的衰減特性，在組件支架上安裝了在線式I-V測(cè)試儀，對(duì)2種組件的衰減特性進(jìn)行了實(shí)證分析。通過(guò)I-V曲線與氣象數(shù)據(jù)，將衰減率計(jì)算結(jié)果換算到同一條件下進(jìn)行對(duì)比，具體如表3所示。

表3 2種雙面光伏組件首年綜合衰減率的計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of comprehensive degradations rate in first year of two types of bifacial PV modules

由于實(shí)驗(yàn)所用p型PERC組件的電池硅片采用的是摻B工藝，硅片內(nèi)部存在B-O復(fù)合體，導(dǎo)致電池發(fā)生了光致衰減；但在光照條件下，此種電池的硅片內(nèi)部的B-O復(fù)合對(duì)會(huì)變成激活態(tài)，從而形成缺陷能級(jí)，因此在進(jìn)行預(yù)處理同時(shí)輔助光照的條件下，會(huì)進(jìn)一步使B-O復(fù)合體從激活態(tài)重新失活，電池性能也能得以恢復(fù)。而n型TOPCon-PERT組件的電池硅片不含B-O復(fù)合體，因此基本不存在光致衰減現(xiàn)象。

從表3中可以看出，2種雙面光伏組件的首年綜合衰減率相差0.91%，這表明n型TOPCon-PERT組件的抗衰減特性優(yōu)于p型PERC組件。電池的光致衰減主要發(fā)生在首年，同時(shí)伴隨著較小的材料老化衰減，之后電池的光致衰減基本完成，衰減方式主要為材料老化衰減。由于這2種雙面光伏組件所采用的主要原、輔材料相同，因此可認(rèn)為二者的材料老化衰減率基本接近，從而也說(shuō)明了n型TOPCon-PERT電池的整體抗衰減特性優(yōu)于p型PERC電池。

3 結(jié)論

本文分析了n型TOPCon-PERT電池自身的IQE及EQE，并將n型TOPCon-PERT電池的EQE與n型PERT電池的進(jìn)行了對(duì)比，最后分析了n型TOPCon-PERT組件與其他2種雙面光伏組件的戶外發(fā)電特性及衰減率等情況，得到以下結(jié)論：

1) n型TOPCon-PERT電池的EQE曲線整體優(yōu)于n型PERT電池的，且在短波波段與長(zhǎng)波波段均較為明顯。

2)相較于n型PERT組件，n型TOPCon-PERT組件具有0.7%的年發(fā)電量增益，經(jīng)濟(jì)性更高。