N型高效電池組件特性對(duì)比研究

劉隴剛，楊振英

（1.國家電投集團(tuán)青海光伏產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心，青海 西寧 810007；2.青海黃河公司太陽能電池及組件研發(fā)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810007）

0 引 言

隨著能源危機(jī)和環(huán)境問題的日益加重，促使更多的研究機(jī)構(gòu)及研發(fā)企業(yè)逐漸對(duì)清潔能源的應(yīng)用開展了深入研究和探索。光伏發(fā)電主要是利用太陽電池的光生伏特效應(yīng)，將太陽光轉(zhuǎn)換為電能的新型發(fā)電技術(shù)，被認(rèn)為是最有前途的清潔能源之一，尤其隨著近年來冬春霧霾的大肆蔓延，其受到越來越多清潔能源建設(shè)者的關(guān)注和追捧。目前，市場主要以P型晶體硅電池發(fā)電應(yīng)用為主，P型單晶硅電池的量產(chǎn)效率已達(dá)到22.5%，相比于火電和水電，度電成本依然較高。為降低光伏發(fā)電成本實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)，提高電池及組件轉(zhuǎn)換效率和降低制造成本成為當(dāng)前光伏展業(yè)發(fā)展的兩大主題[1]。

1 N型高效電池技術(shù)簡介

從理論上講，不管是硼摻雜的P型硅還是磷摻雜的N型硅均可以用來制備太陽電池，但全球應(yīng)用較多的電池為摻硼的P型硅基太陽電池。P型硅基太陽電池量產(chǎn)轉(zhuǎn)化效率現(xiàn)已達(dá)到22.5%以上，要在不增加成本的情況下繼續(xù)提高電池及組件轉(zhuǎn)換效率已非常困難，于是研究人員將研究的課題轉(zhuǎn)向少子壽命較P型硅更高且光致衰減更低的N型硅，并取得了較大的進(jìn)展。目前研究較多的N型硅材料太陽電池主要有N型雙面電池（如PERT電池和TopCon電池）、HIT電池以及IBC電池。

N型雙面電池是以N型硅片為基底，在硅片的正反面均進(jìn)行發(fā)射極、減反射膜以及金屬電極制備的太陽電池，其分為普通雙面電池和N-PERT雙面電池。其中，普通雙面電池為雙面全表面進(jìn)行B或P的摻雜形成PN結(jié)，實(shí)現(xiàn)正反面均能發(fā)生光生伏特效應(yīng)的N型電池，N-PERT電池是在普通雙面電池上進(jìn)行了優(yōu)化，電池背面采用選擇性發(fā)射極摻雜并結(jié)合局部鈍化工藝，使得發(fā)射極的表面鈍化，降低了表面態(tài)使反向飽和電流密度下降，同時(shí)減少了前表面的少數(shù)載流子復(fù)合使得光譜響應(yīng)也得到改善，可有效提升電池的轉(zhuǎn)換效率[2]。

TopCon電池是一種基于選擇性載流子原理的隧穿氧化層鈍化接觸太陽電池，電池結(jié)構(gòu)為N型硅襯底電池，在電池背面制備一層超薄氧化硅層，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)，有效降低表面復(fù)合和金屬接觸復(fù)合，為N-PERT電池轉(zhuǎn)換效率提升提供了更大的空間。

HIT電池采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的N型硅太陽電池，在P型氫化非晶硅、N型氫化非晶硅以及N型硅襯底之間增加一層本征氫化非晶硅薄膜形成異質(zhì)結(jié)，降低太陽電池表面態(tài)密度，減小了復(fù)合電流，使得開路電壓明顯提高，從而具有較高的轉(zhuǎn)換效率。

IBC電池是將PN結(jié)、基底以及發(fā)射區(qū)的接觸電極以叉指狀分布在電池背面，完全消除前表面柵線的遮光，為前表面陷光結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)更低反射率提供了更大的優(yōu)化空間，同時(shí)無須考慮前表面減反射結(jié)構(gòu)對(duì)電極接觸的影響。該結(jié)構(gòu)能夠使電池正面最大限度的吸收太陽光，增加電池的轉(zhuǎn)換效率，且看上去更美觀。

2 N型電池組件樣本建立與選取

近幾年，隨著我國光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展、電站建設(shè)規(guī)模擴(kuò)大以及高質(zhì)量電能需求的進(jìn)一步提升，國內(nèi)N型高效電池技術(shù)的研究和高功率N型組件的應(yīng)用開始逐步推向市場，并取得了良好的發(fā)電效益，目前國內(nèi)光伏電站建設(shè)應(yīng)用較多的N型電池組件為TopCon組件、HIT組件以及IBC組件。

實(shí)驗(yàn)過程中選取了相同兆瓦數(shù)的P型PERC組件、HIT組件（包括單面組件和雙面組件）以及IBC組件應(yīng)用子陣作為對(duì)比樣本，其中P型PERC組件子陣為基準(zhǔn)子陣。這些組件均采用相同的安裝傾角、跟蹤方式、傾角傳感器、旋轉(zhuǎn)角度傳感器、組件溫度傳感器、環(huán)境溫度傳感器以及風(fēng)速風(fēng)向傳感器，電性能測量時(shí)使用相同的晶硅參考片、參考組件、日射強(qiáng)度計(jì)、組件在線IV測試儀、組串在線IV測試儀以及逆變器測量箱等測試設(shè)備[3]。

3 N型電池組件特性對(duì)比

3.1 N型高效組件溫度特性對(duì)比

監(jiān)測對(duì)比樣本中各類組件同一天在不同輻照區(qū)間的運(yùn)行溫度（如表1所示），發(fā)現(xiàn)N型IBC組件的運(yùn)行溫度最低，N型HIT組件的運(yùn)行溫度次之，P型PERC單晶組件的運(yùn)行溫度最高。同時(shí)對(duì)比某月N型高效組件與常規(guī)單晶組件的日平均溫度特性發(fā)現(xiàn)，N型高效組件明顯低于單晶組件溫度，其中P型PERC組件月平均運(yùn)行溫度為34.05 ℃，N型HIT組件月平均運(yùn)行溫度為32.56 ℃，N型IBC組件月平均運(yùn)行溫度為31.75 ℃?？梢?，N型高效組件運(yùn)行溫度比P型單晶組件運(yùn)行溫度更低，這與N型電池具有更低的溫度系數(shù)的理論研究結(jié)果吻合。

3.2 弱光條件下N型高效組件的電流特性對(duì)比

對(duì)比分析N型高效組件在輻照度低于200 W/m2條件下的弱光特性，如下圖1所示，發(fā)現(xiàn)在弱光條件下，隨著輻照度的逐步升高，N型高效組件的工作電流升高更為明顯。

表1 不同輻照條件下各類組件運(yùn)行溫度對(duì)比表

圖1 弱光條件下N型高效組件工作電流與輻照關(guān)系圖

3.3 N型高效組件發(fā)電量對(duì)比

監(jiān)測P型PERC組件、HIT組件以及IBC組件對(duì)比樣本某年1—11月的發(fā)電量，并剔除特殊天氣和設(shè)備故障原因帶來的外界影響因素，N型HIT組件和IBC組件單位兆瓦發(fā)電量與基準(zhǔn)子陣單位兆瓦發(fā)電量對(duì)比結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 某年1—11月N型高效組件單位兆瓦發(fā)電量對(duì)比圖

從圖2中看出，N型IBC組件1—11月累計(jì)發(fā)電量較基準(zhǔn)子陣（P型PERC組件）高2.97%，N型HIT組件1—11月累計(jì)發(fā)電量較基準(zhǔn)子陣高2.38%。從圖3中看出，與P型PERC組件單位兆瓦發(fā)電量相比，1—11月各月N型IBC組件和HIT組件單位兆瓦發(fā)電量均有增益，可見N型高效電池組件較P型PERC組件的單位兆瓦發(fā)電能力更高。

3.4 N型雙面組件發(fā)電能力研究

監(jiān)測P型PERC組件、HIT單面組件以及HIT雙面組件，對(duì)比樣本某年1—11月的發(fā)電量，同時(shí)剔除特殊天氣和設(shè)備故障原因帶來的外界影響因素，N型HIT單面組件和HIT雙面組件單位兆瓦發(fā)電量與基準(zhǔn)子陣單位兆瓦發(fā)電量對(duì)比結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖3 N型高效組件各月發(fā)電量及增益對(duì)比圖

圖4 某年1—11月N型雙面組件單位兆瓦發(fā)電量對(duì)比圖

從圖4中看出，N型HIT雙面組件1—11月累計(jì)發(fā)電量較基準(zhǔn)子陣（P型PERC組件）和N型HIT單面組件分別高出11.83%和9.23%。從圖5中看出，1—11月各月N型HIT雙面組件單位兆瓦發(fā)電量比P型PERC組件和N型HIT單面組件均有增益，可見N型高效電池雙面組件較P型PERC組件和N型HIT單面組件的單位兆瓦發(fā)電能力更高。雙面組件發(fā)電量更高主要是因?yàn)檎骐姵亟邮芄庹盏耐瑫r(shí)背面也接受輻照，有研究顯示，在相同安裝傾角條件下，雙面組件的背面輻照與正面輻照基本呈線性關(guān)系[4-7]。

4 結(jié) 論

通過歸納N型高效電池技術(shù)，并設(shè)計(jì)對(duì)比N型高效電池組件的運(yùn)行溫度、弱光條件下N型高效組件的工作電流以及各類組件發(fā)電量發(fā)現(xiàn)，與P型PERC組件對(duì)照樣本相比，在相同環(huán)境條件下N型高效組件運(yùn)行溫度比P型單晶組件運(yùn)行溫度更低，在弱光條件下隨著輻照度的逐步升高，N型高效電池組件的工作電流升高更為明顯，N型高效電池組件具有更高的發(fā)電能力，尤其是N型雙面組件發(fā)電增益更加明顯。隨著對(duì)其性能研究的不斷深入，國內(nèi)外對(duì)N型高效電池組件的認(rèn)可度變得更高，對(duì)其應(yīng)用前景更加重視，尤其是隨著N型產(chǎn)品成本的逐步降低，N型組件發(fā)電系統(tǒng)的度電成本也將進(jìn)一步下降，N型雙面組件將成為未來光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)的首選產(chǎn)品。

圖5 N型雙面組件各月發(fā)電量及增益對(duì)比圖