不同類型組件發(fā)電性能對比研究

趙邦桂 李 博 楊振英 常洛嘉 付生軍

（1.青海黃河上游水電開發(fā)有限責任公司西寧太陽能電力分公司，青海 西寧 810007；2.國家電力投資集團有限公司，北京 100029；3.青海黃河上游水電開發(fā)有限責任公司太陽能電池及組件研發(fā)實驗室，青海 西寧 810007）

0 引言

太陽能電力是傳統(tǒng)能源向綠色能源轉變的主力軍和新型發(fā)電技術，其主要原理是利用太陽電池的光生伏特效應，將太陽輻照轉換為電能，被認為是最有發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉粗唬绕潆S著我國提出“3060”雙碳目標以來，太陽能電力受到更多清潔能源建設者的熱捧。目前太陽能電力市場主要以p型PERC電池組件應用為主，p型PERC電池的量產(chǎn)效率已達到理論極限，其度電成本已基本與火電上網(wǎng)電價持平，但隨著近幾年多晶硅價格飆漲和封裝材料的價格上升，太陽能電力價格依然居高不下。為降低太陽能電力成本、實現(xiàn)平價上網(wǎng)、早日實現(xiàn)我國碳達峰、碳中和的雙碳目標，提高電池及組件轉換效率、降低度電成本仍是未來光伏產(chǎn)業(yè)技術發(fā)展的兩大課題。提升電池及組件轉換效率的最有效途徑是開發(fā)新型高效電池技術并大幅提升其轉換效率[1]。

1 新型電池技術

太陽能電力市場應用較多、較為成熟的電池技術為摻硼的p型電池，目前正面制備有選擇性發(fā)射結、背面沉積AlOX/SiNX的p型PERC電池，結構如圖1所示，量產(chǎn)效率已達到22.5%。要在不增加單瓦成本的基礎上，繼續(xù)通過工藝改造和材料性能優(yōu)化來提高PERC電池效率幾乎已無上升空間。研究人員將突破的重點轉為新型電池技術的研究，并取得了卓有成效的突破。目前國內(nèi)外研究較多的新型太陽電池主要有MWT電池和n型HJT電池、TOPCon電池、IBC電池等。

圖1 PERC電池結構示意圖

MWT電池結構示意圖如圖2所示。MWT電池采用激光打孔、背面布線的技術消除正面電極的主柵，正面電極細柵收集的電流通過孔洞中的銀漿引到電池背面[2]。電池的正負電極均分布在電池背面，有效減少了正面柵線的遮光面積，提高了電池轉換效率，同時也降低了銀漿耗量和金屬電極-發(fā)射極界面的少子復合損失。這種電池封裝時無須焊帶互聯(lián)，避免了焊接應力和微裂紋導致的功率衰減。目前國內(nèi)MWT電池轉換效率已達到23%以上，組件轉換效率達到21.8%。

圖2 MWT電池結構示意圖

HJT電池是采用異質結的N型太陽電池，結構如圖3所示。它在p型氫化非晶硅、和n型氫化非晶硅與n型硅襯底之間增加一層本征氫化非晶硅薄膜，形成異質結，以降低電池表面態(tài)密度并減少復合損失，使開路電壓明顯提升，進而得到更高的轉換效率[3]。目前HJT電池的量產(chǎn)效率已達到24.6%，組件轉換效率達到22.7%，雙面率高達85%。

圖3 HJT電池結構示意圖

TOPCon電池是一種基于選擇性載流子的隧穿氧化層鈍化接觸技術，其結構是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，二者共同形成鈍化接觸結構，可有效降低表面復合和金屬接觸復合[4]。TOPCon電池的概念最早由德國Fraunhofer ISE于2013年提出，結構如圖4所示。目前TOPCon電池的研發(fā)效率已達到26.1%，組件轉換效率達到24.24%，雙面率為80%~85%。

圖4 TOPCon電池結構示意圖

IBC電池是將p-n結、基底與發(fā)射區(qū)的接觸電極以叉指狀分布在電池背面，完全消除了前表面柵線對太陽光的遮擋，為前表面陷光結構和實現(xiàn)更低反射率提供了更大的優(yōu)化空間和提升潛力，同時無須考慮前表面減反射結構對電極接觸的影響。該結構能夠使電池正面最大限度吸收太陽光，提高電池轉換效率，且外表更美觀，結構如圖5所示。目前國內(nèi)IBC電池的研發(fā)轉化效率已達到25%，組件轉換效率達到22.3%，雙面率在65%以上。

圖5 IBC電池結構示意圖

2 不同類型組件發(fā)電性能對比

為驗證各種不同類型組件的發(fā)電性能，為光伏電站建設提供數(shù)據(jù)支撐和選型參考，該文設計了不同類型組件對比試驗方案，搭建了戶外實證平臺。選取了p型PERC組件（M2）、MWT組件（M6）、n型HJT組件、IBC組件（M6）和TOPCon組件陣列作為對比樣本，并以p型PERC組件（M2）陣列為基準參照樣本。這些陣列的組件均采用相同的功率測試儀、安裝支架和安裝傾角、溫度傳感器、微型逆變器、數(shù)據(jù)傳輸模塊等。

2.1 不同類型組件初始功率測試

使用同一測試儀，采用與測試組件同類型標準組件校準測試儀后，在標準測試條件下（光譜AM1.5、輻照度1000W/m2、測試溫度25±2℃）[5]測試各組件電性能，結果見表1。

表1 不同類型組件初始功率測試

2.2 不同類型組件運行溫度對比

監(jiān)測對比樣本中p型PERC組件、n型HJT組件、IBC組件和TOPCon組件同一天在不同輻照區(qū)間的運行溫度，結果見表2。由此發(fā)現(xiàn)TOPCon組件和IBC組件的運行溫度相對較低，HJT組件的運行溫度較高，p型PERC組件運行溫度最高。同時對比某月n型組件與常規(guī)PERC組件的日平均運行溫度，發(fā)現(xiàn)n型組件運行溫度明顯低于p型PERC組件運行溫度。

表2 不同輻照條件下各類組件運行溫度對比表

2.3 不同類型單玻組件單瓦發(fā)電量對比

監(jiān)測p型PERC組件（M2）、MWT組件（M6）、IBC組件（M6）對比樣本5月~9月的發(fā)電量，并剔除受天氣因素和設備故障影響的異常數(shù)據(jù)[6-7]，不同類型組件單瓦發(fā)電量與基準對照陣列單瓦發(fā)電量對比結果如圖6所示。

從圖6可看出，和基準對照組件陣列（p型PERC組件）相比，n型IBC組件累計單瓦發(fā)電量高2.4%，MWT組件累計單瓦發(fā)電量低0.43%。由此可見，n型IBC組件比p型PERC組件和MWT組件累計單瓦發(fā)電量更高。主要原因是IBC組件弱光性能更好，在早晚輻照較低時啟動時間更早，停發(fā)時間更晚，發(fā)電增益更多，溫度系數(shù)低，在正午輻照量較高、環(huán)境溫度較高條件下電性能變化幅度更小，發(fā)電量更穩(wěn)定。

圖6 不同類型組件累計單瓦發(fā)電量對比圖

2.4 雙玻組件單瓦發(fā)電量對比

監(jiān)測p型PERC雙玻組件、n型TOPCon雙玻組件和IBC雙玻組件對比樣本5月~9月累計發(fā)電量，n型TOPCon雙玻組件和IBC雙玻組件累計單瓦發(fā)電量與基準對照子陣累計單瓦發(fā)電量對比結果如圖7所示。

從圖7可看出，n型TOPCon雙玻組件和IBC雙玻組件累計單瓦發(fā)電量比基準對照陣列（p型PERC組件）分別高13.96%、7.31%，可見n型雙玻組件比p型PERC雙玻組件的累計單瓦發(fā)電能力更高，且TOPCon雙玻組件比IBC雙玻組件累計單瓦發(fā)電量高。主要原因是TOPCon雙玻組件雙面率更高，組件背面接收地面反射的太陽輻射和周圍散射光輻射產(chǎn)生的發(fā)電增益更多。由于IBC組件中電池細柵和主柵均設計在背面，對地面反射和周圍散射的太陽輻射有遮擋現(xiàn)象，因此雙玻IBC組件雙面率比TOPCon雙玻組件雙面率低，發(fā)電增益不夠明顯。

圖7 不同類型雙玻組件累計單瓦發(fā)電量對比圖

3 結語

該文詳細分析了太陽能電力市場上幾種新型電池結構特點及研究進展，設計試驗并搭建戶外實證平臺，對比了不同類型電池組件的運行溫度、單玻組件累計單瓦發(fā)電量、雙玻組件累計單瓦發(fā)電量。研究表明，在相同環(huán)境條件下，n型IBC單玻組件比p型PERC單玻組件和MWT單玻組件累計單瓦發(fā)電量更高；n型雙玻組件比p型PERC雙玻組件累計單瓦發(fā)電能力更高，且TOPCon雙玻組件比IBC雙玻組件累計單瓦發(fā)電量更高，這得益于TOPCon組件比IBC組件的雙面率更高。隨著對不同類型組件發(fā)電性能研究的不斷深入，國內(nèi)外對n型高效電池組件的認可度和接受度將變得更高，尤其隨著n型電池效率的不斷躍升和組件單瓦成本的逐步降低，n型組件光伏發(fā)電系統(tǒng)的度電成本也將逐步與火力發(fā)電成本接軌[8]。加之HJT電池技術與IBC電池技術、TOPCon電池技術與IBC電池技術的耦合，HBC電池、TBC電池的研究和創(chuàng)新突破以及雙面雙玻組件技術的推廣應用，n型雙玻組件必將成為未來光伏發(fā)電系統(tǒng)建設的主流產(chǎn)品，也將成為我國如期實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的綠色低碳能源的中流砥柱。