時(shí) 強(qiáng),高 祺,張雅婷,余友林,2,劉正新,2,3*
(1. 中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所,上海 201800;2. 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049; 3. 通威太陽能,成都 610299)
異質(zhì)結(jié)(heterojunction technology,HJT)太陽電池于20世紀(jì)90年代由日本三洋公司發(fā)明,并在當(dāng)時(shí)獲得了超過18%的高光電轉(zhuǎn)換效率[1]。主流的HJT太陽電池是由n型單晶硅片襯底、正面和背面的非晶硅鈍化薄膜層(包括n型非晶硅薄膜n-a-Si:H、本征非晶硅薄膜i-a-Si:H和p型非晶硅薄膜p-a-Si:H)、雙面的透明導(dǎo)電氧化薄膜(TCO)層和金屬電極組成,其基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
圖1 HJT太陽電池的基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of basic structure of HJT solar cell
與傳統(tǒng)的晶體硅太陽電池相比,HJT太陽電池具有光電轉(zhuǎn)換效率高、制造工藝步驟少、工藝溫度低、溫度系數(shù)小及雙面系數(shù)高等特點(diǎn)[2],這些特點(diǎn)使其在過去幾年中發(fā)展迅速。目前,HJT太陽電池的實(shí)驗(yàn)室最高光電轉(zhuǎn)換效率為26.3%,產(chǎn)業(yè)化的平均光電轉(zhuǎn)換效率已突破24.0%。此外,通過結(jié)合叉指背接觸技術(shù)得到的背接觸異質(zhì)結(jié)(heterojunction backcontact,HBC)太陽電池的最高光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)26.7%,是目前單結(jié)晶體硅太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率的最高紀(jì)錄。
太陽電池在標(biāo)準(zhǔn)測試條件(STC)下的電流-電壓(I-V)特性曲線是判斷其電性能的重要依據(jù)之一。然而,針對常規(guī)晶體硅太陽電池的電性能測試技術(shù)及相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)并不能完全應(yīng)用于HJT太陽電池。
目前HJT太陽電池在I-V測試中存在的問題主要包括:1)HJT太陽電池具有較高的內(nèi)電容,不恰當(dāng)?shù)臏y試方法及測試參數(shù)會引起遲滯效應(yīng),產(chǎn)生遲滯誤差,從而影響測試結(jié)果;2)HJT太陽電池因其對稱結(jié)構(gòu)而具有天然的雙面發(fā)電能力,雙面HJT太陽電池的測試方法及相應(yīng)測試條件的不同都會對測試結(jié)果產(chǎn)生影響;3)HJT太陽電池具有亞穩(wěn)態(tài)特性,表現(xiàn)為可恢復(fù)的光增效應(yīng)及暗衰效應(yīng),從而導(dǎo)致其測試值與真實(shí)值間會產(chǎn)生差異。
基于此,本文針對HJT太陽電池電性能測試的技術(shù)難點(diǎn),結(jié)合現(xiàn)有的測試標(biāo)準(zhǔn),對近年來中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所新能源中心在HJT太陽電池測試技術(shù)方面的研究工作和主要成果進(jìn)行了總結(jié)分析,歸納總結(jié)了HJT太陽電池測試時(shí)產(chǎn)生遲滯效應(yīng)的原因及其解決方法,以及雙面HJT太陽電池的測試標(biāo)準(zhǔn)和評價(jià)體系,研究了不同測試參數(shù)對遲滯誤差的影響,分析了測試臺反射率及其與太陽電池接觸方式等對HJT太陽電池電性能測試結(jié)果的影響,并通過簡述HJT太陽電池亞穩(wěn)態(tài)特性的研究進(jìn)展,找出HJT太陽電池精確測試的方法,以期為后續(xù)的研究提供借鑒,助力HJT太陽電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
根據(jù)文獻(xiàn)[3]的報(bào)道,使用較短的脈沖光照對HJT太陽電池進(jìn)行I-V測試,會出現(xiàn)正向、反向掃描時(shí)該太陽電池的I-V曲線不一致的現(xiàn)象,掃描結(jié)果如圖2所示。
圖2 正向、反向掃描時(shí)HJT太陽電池I-V曲線的差異Fig. 2 Difference between I-V curves of HJT solar cell during forward and reverse scans
遲滯效應(yīng)的主要成因是太陽電池在測量過程中產(chǎn)生的電容效應(yīng)。太陽電池本質(zhì)上是一個(gè)半導(dǎo)體p-n結(jié)器件。在p-n結(jié)中,主要包含2種電容:勢壘電容和擴(kuò)散電容。因?yàn)閯輭倦娙菀话闩c太陽電池的負(fù)偏壓有關(guān)且電容值較小,所以在HJT太陽電池測試中一般可以忽略其產(chǎn)生的影響。HJT電池在I-V測試中主要受到擴(kuò)散電容的影響,擴(kuò)散電容與少數(shù)載流子在準(zhǔn)中性區(qū)的積累相關(guān)。
擴(kuò)散電容Cd與太陽電池外加電壓Va之間呈指數(shù)關(guān)系,可表示[4]為:
式中:C0為基體電容,與少子壽命相關(guān);T為太陽電池的工作溫度;q為電子電荷;k為玻爾茲曼常數(shù)。
從式(1)可以看出,擴(kuò)散電容隨外加電壓的增加而呈指數(shù)增大。HJT太陽電池采用的硅片的少子壽命較長,其內(nèi)部的擴(kuò)散電容可達(dá)到傳統(tǒng)太陽電池的10倍以上,而較大的擴(kuò)散電容意味著在改變太陽電池外加電壓時(shí),其內(nèi)部電子電荷達(dá)到平衡分布所需的時(shí)間也會更長。因此,在進(jìn)行電性能測試時(shí),如果I-V掃描儀的外加電壓變化速率過快,會導(dǎo)致測試過程中HJT太陽電池內(nèi)部電子電荷分布未達(dá)到平衡,由此而導(dǎo)致的測試結(jié)果誤差即為遲滯誤差。根據(jù)掃描方向的不同,正向掃描時(shí),太陽電池內(nèi)部電容處于充電狀態(tài),將會分流一部分光生電流,導(dǎo)致測試結(jié)果低于真實(shí)值;反向掃描時(shí),太陽電池內(nèi)部電容處于放電狀態(tài),會導(dǎo)致測試結(jié)果高于真實(shí)值[5],這也就造成了圖2中測試結(jié)果的差異。
在IEC 60904—1: 2020《Photo voltaic devices——Part 1: Measurement of photovoltaic current-voltage characteristics》中,提供了測試具有電容效應(yīng)的光伏器件I-V曲線的詳細(xì)方法,其中包括一些可消除或減弱遲滯效應(yīng)的測試方法,比如:線性測試法[6]、多次閃光法[7]、動(dòng)態(tài)I-V法[8]、暗態(tài)I-V轉(zhuǎn)換法[9]等。
1)線性測試法是通過使用穩(wěn)態(tài)光源或長脈沖光源并增加測試時(shí)間來減緩I-V測試時(shí)的掃描速率,以消除遲滯效應(yīng)對太陽電池I-V測試結(jié)果的影響。
2)多次閃光法是將一條完整的I-V曲線分成M段,每段在一次閃光下測試,共進(jìn)行M次閃光,最后再組合成一條完整的I-V曲線。當(dāng)分段數(shù)目使在任意一段時(shí)的掃描速率均低至能消除電容效應(yīng)產(chǎn)生的影響時(shí),可以認(rèn)為該方法達(dá)到了足夠精確的程度。
3)動(dòng)態(tài)I-V法是在保持整體掃描時(shí)間不變的情況下,在測試單個(gè)I-V數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)保持偏置電壓不變,待太陽電池輸出電流穩(wěn)定后再采集其電流值,通過多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合出整體的I-V曲線。
4)暗態(tài)I-V轉(zhuǎn)換法是利用暗態(tài)I-V的測試不受光源脈沖時(shí)間的影響、掃描速率無限制的優(yōu)勢,結(jié)合暗態(tài)下慢速測試和快速測試得到的I-V曲線,以及光照下快速測試得到的I-V曲線,通過二極管模型轉(zhuǎn)換得到光照下無遲滯效應(yīng)的I-V曲線。
對上述各種測試方法的特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié),具體如表1所示。
表1 不同測試方法的特點(diǎn)比較Table 1 Comparison of characteristic of different measurement methods
在太陽電池I-V測試中,所有的測試參數(shù)(包括時(shí)間參數(shù)和掃描點(diǎn)數(shù))均可能對測試結(jié)果產(chǎn)生影響。本部分內(nèi)容主要針對掃描點(diǎn)數(shù)對I-V測試結(jié)果的影響進(jìn)行研究。掃描點(diǎn)數(shù)不僅會影響到I-V測試的總掃描時(shí)間,也將決定I-V測試中相鄰掃描點(diǎn)之間的電壓差ΔV(在電壓掃描范圍固定時(shí),ΔV與掃描點(diǎn)數(shù)成反比)。ΔV的值會影響到在一定時(shí)段內(nèi)內(nèi)部電容的充放電程度,進(jìn)而會影響I-V測試中的遲滯效應(yīng)。
在研究掃描點(diǎn)數(shù)對I-V測試結(jié)果的影響的對比測試中,相關(guān)時(shí)間參數(shù)的設(shè)置為:電源延遲時(shí)間Tds=0.035 ms,積分時(shí)間Ti=0.1 ms,每個(gè)掃描點(diǎn)的測試時(shí)間Tm=0.435 ms。
分別采用固定總掃描時(shí)間實(shí)驗(yàn)和固定測試點(diǎn)外加電壓作用時(shí)間實(shí)驗(yàn)對遲滯誤差和掃描點(diǎn)數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行研究,結(jié)果如圖3所示[10]。
在固定總掃描時(shí)間Th的條件下,遲滯誤差ε隨掃描點(diǎn)數(shù)N的變化關(guān)系如圖3a所示。在該實(shí)驗(yàn)中,由于采用不同的I-V掃描儀和控制軟件時(shí)可設(shè)置的參數(shù)不同,以所有掃描點(diǎn)的總的外加電壓保持時(shí)間作為總掃描時(shí)間的度量指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)中總的外加電壓保持時(shí)間SUM(T′h)=SUM(Td-Tds)=30 ms,其中,Td為測試延遲時(shí)間。
圖3 遲滯誤差與掃描點(diǎn)數(shù)的變化關(guān)系[10]Fig. 3 Changing relationship between hysteresis error and scanning points
從圖3a可以看出,ε隨N的變化存在一個(gè)極大值,這說明增加和減小N值均有可能減小ε。該結(jié)果可以從2個(gè)方面進(jìn)行解釋:1)增加N會導(dǎo)致ΔV的減小,因此由于測試點(diǎn)外加電壓變化而導(dǎo)致的遲滯效應(yīng)會隨之減小,遲滯誤差則可以在較短的總掃描時(shí)間下消除;2)在Th一定時(shí),N的減小會導(dǎo)致T′h的增加,因此在測試點(diǎn)外加電壓變化后太陽電池內(nèi)部電容就有更充裕的時(shí)間進(jìn)行充放電。這個(gè)結(jié)果表明,如果通過高速I-V掃描儀將掃描點(diǎn)數(shù)增加到上萬點(diǎn),遲滯誤差也有可能減小,該結(jié)果對于一些使用瞬態(tài)模擬器進(jìn)行的I-V測試具有較高的實(shí)際意義。
從圖3b可以看出,ε正比于1/N,這是由于在I-V測試中,如果每個(gè)掃描點(diǎn)的測試時(shí)間相同,遲滯效應(yīng)隨著ΔV的減小而減小。而對于一些遲滯誤差較大的數(shù)據(jù)點(diǎn),會出現(xiàn)稍微偏離這個(gè)線性關(guān)系的現(xiàn)象,該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是在遲滯誤差較大時(shí),I-V測試正向掃描和反向掃描得到的太陽電池最大功率點(diǎn)電壓的差值也較大。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,提出了一個(gè)高效光伏器件測試參數(shù)優(yōu)化方法,具體設(shè)置流程如圖4所示。根據(jù)該優(yōu)化方法,待測I-V曲線的遲滯誤差值可以得到精確控制。
圖4 高效光伏器件測試參數(shù)優(yōu)化方法的設(shè)置流程[10]Fig. 4 Setting process of optimization method of high efficiency PV device test parameter
HJT太陽電池具有雙面對稱結(jié)構(gòu),其正面和背面能夠同時(shí)接收光照產(chǎn)生電流,因此其性能評估的測試標(biāo)準(zhǔn)與常規(guī)的單面太陽電池的測試標(biāo)準(zhǔn)不同,針對其的測試標(biāo)準(zhǔn)需要涵蓋其可以雙面接收太陽光照的本質(zhì)特性。目前國際電工委員會(IEC)、國際半導(dǎo)體設(shè)備材料產(chǎn)業(yè)協(xié)會(SEMI)及中國光伏行業(yè)協(xié)會等都提出了針對雙面光伏器件的測試標(biāo)準(zhǔn),給出的測試方法中,除了戶外測試方法外,常用的室內(nèi)測試方法主要有等效輻照度法[11]和雙面光照法[12]。
等效輻照度法的測試原理是將雙面太陽電池背面接收的太陽輻照度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的正面接收的太陽輻照度,再與STC下雙面太陽電池正面接收的太陽輻照度疊加,從而獲得此類太陽電池的等效正面輻照度,然后在等效正面輻照度下對雙面太陽電池進(jìn)行I-V測試,以獲得最終的測試結(jié)果,測試原理如圖5所示。圖中:G為太陽輻照度。
圖5 雙面太陽電池的正、背面I-V測試[11]Fig. 5 I-V test of front side and rear side for bifacial solar cell
根據(jù)IEC TS 60904-1-2: 2019,在STC下分別測量雙面太陽電池正面的短路電流Iscf、開路電壓Vocf和最大輸出功率Pmaxf,以及背面的短路電流Iscr、開路電壓Vocr和最大輸出功率Pmaxr,然后計(jì)算各參數(shù)的雙面系數(shù),計(jì)算式如式(2)~式(4)所示。需要注意的是,在對雙面太陽電池任意一面進(jìn)行單面測量時(shí),需要用減反射材料遮擋非受光面,以滿足測試標(biāo)準(zhǔn)的要求,即非受光面接收的太陽輻照度低于3 W/m2。
式中:φIsc、φVoc、φPmax分別為短路電流、開路電壓、最大輸出功率的雙面系數(shù)。
計(jì)算雙面太陽電池的等效正面輻照度GEi,計(jì)算式可表示為:
式中:GRi為雙面太陽電池背面接收的太陽輻照度,其中i為測試序號;φ為太陽電池的雙面系數(shù)。
φ可表示為:
最后將雙面太陽電池在等效正面輻照度下測試得到的正面的電性能參數(shù)作為該雙面太陽電池的電性能參數(shù)。
雙面光照法是模擬雙面太陽電池實(shí)際使用條件,通過雙光源或“單光源+反射鏡+濾光片”的組合,照射雙面太陽電池的正面和背面,然后進(jìn)行I-V測試,從而獲取雙面太陽電池的電性能參數(shù)。
以雙光源為例進(jìn)行雙面光照法的介紹。在t1~t2時(shí)間段內(nèi),僅背面光源開啟,測量STC條件下雙面太陽電池背面的電性能參數(shù);t3~t4時(shí)間段內(nèi),正面和背面光源同時(shí)開啟,測量STC條件下雙面太陽電池在雙面受光時(shí)的電性能參數(shù);在t5~t6時(shí)間段內(nèi),背面光源關(guān)閉,僅正面光源開啟,測量STC條件下雙面太陽電池正面的電性能參數(shù)。根據(jù)這些電性能參數(shù),結(jié)合式(6),可計(jì)算得到雙面太陽電池的雙面系數(shù)。
雙面光照法下雙面太陽電池的輻照流程示意圖如圖6所示。
圖6 雙面光照法下雙面太陽電池的輻照流程示意圖[12]Fig. 6 Schematic diagram of irradiation flow of bifacial solar cell under bifacial illumination method
常規(guī)單面太陽電池測試時(shí),太陽電池背面一般放置在反射率較高的鍍金銅測試臺,以獲取較高的電導(dǎo)率。對雙面太陽電池而言,采用等效輻照度法對雙面太陽電池進(jìn)行單面測試時(shí),若采用鍍金銅測試臺,會導(dǎo)致透過太陽電池的光經(jīng)測試臺反射被雙面太陽電池非受光面吸收,使測試得到的短路電流值增大。不同波長時(shí)黑色銅和鍍金銅2種測試臺的反射率曲線如圖7所示,同一塊HJT太陽電池使用不同測試臺時(shí)測試得到的I-V曲線如圖8所示。
圖8 同一塊HJT太陽電池采用不同測試臺測試 得到的I-V曲線Fig. 8 I-V curves of the same HJT solar cell tested on different test platforms
從圖7可以看出,不同波長時(shí),鍍金銅測試臺的反射率相對較高。
圖7 不同波長時(shí)2種測試臺的反射率曲線Fig. 7 Reflectivity curves of two types of test platform at different wavelengths
從圖8可以看出,同一塊太陽電池使用鍍金銅測試臺測得的短路電流值和最大輸出功率值比其使用黑色銅測試臺測得的值均高1%~2%,該差異值的大小與測試樣品的種類及測試臺的反射率相關(guān)。
為了研究HJT太陽電池采用雙面光照法時(shí)的I-V曲線,采用了一種中間鏤空具有雙面探針排的測試臺(下文簡稱為“雙面測試臺”)進(jìn)行測試,其實(shí)物圖如圖9所示。
圖9 雙面測試臺的實(shí)物圖Fig. 9 Photo of bifacial test platform
將同一塊HJT太陽電池分別采用3種測試臺時(shí)得到的I-V曲線進(jìn)行比較,具體如圖10所示。
圖10 同一塊太陽電池分別采用不同測試臺得到的I-V曲線Fig. 10 I-V curves of the same solar cell tested on different test platforms
從圖10中可以看出,同一塊太陽電池分別采用雙面測試臺測得的短路電流值與其采用黑色銅測試臺測得的結(jié)果一致,均低于鍍金銅測試臺;雙面測試臺的開路電壓值和填充因子值卻低于黑色銅測試臺得到的測量值,而黑色銅測試臺與鍍金銅測試臺測得的開路電壓值一致。開路電壓值不一致主要是受到太陽電池工作溫度的影響,黑色銅測試臺和鍍金銅測試臺內(nèi)部采用水冷控溫,太陽電池與測試臺充分接觸,測試時(shí)可以精確控制太陽電池工作溫度在25 ℃;而雙面測試臺鏤空,測試時(shí)只能使用風(fēng)扇對太陽電池進(jìn)行降溫,控溫效果有限,因此測試時(shí)太陽電池工作溫度會升高,導(dǎo)致測得的開路電壓值較低。填充因子值的大小則與太陽電池和測試臺的接觸相關(guān),黑色銅測試臺與鍍金銅測試臺的電導(dǎo)率不同,而雙面測試臺的背面也使用探針與太陽電池接觸,這都會使測得的填充因子值存在一定差異。因此,在對雙面太陽電池進(jìn)行I-V測試時(shí),應(yīng)該綜合考慮上述因素,以便于提高雙面太陽電池I-V測試結(jié)果的準(zhǔn)確性與合理性。
常規(guī)的p型晶體硅太陽電池在初期使用時(shí),由于光照引起其功率衰減的現(xiàn)象稱為光致衰減(LID),此現(xiàn)象的產(chǎn)生與太陽電池內(nèi)部的B—O復(fù)合相關(guān)[13]。研究發(fā)現(xiàn),在非晶硅薄膜太陽電池中,也存在光致衰減現(xiàn)象,該衰減也被稱為Steabler-Wronski效應(yīng)[14]。然而研究發(fā)現(xiàn),對于HJT太陽電池,進(jìn)行持續(xù)光照(即光注入)后會出現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換效率上升(即光注入增益)的現(xiàn)象,且靜置和暗態(tài)退火對光注入增益具有消退作用,HJT太陽電池光注入—暗態(tài)退火—二次光注入過程中的I-V測試結(jié)果如表2所示。
表2 HJT太陽電池光注入—暗態(tài)退火—二次光注入過程中的I-V測試結(jié)果Table 2 I-V test results during optical injection-dark annealing-secondary optical injection treatment for HJT solar cells
從表2可以看出,與未光注入時(shí)相比,對HJT太陽電池進(jìn)行光注入后,其Voc值增加了0.0038V,F(xiàn)F值增加了0.88%,η顯著提升了0.39%;而在隨后的暗態(tài)退火過程中,Voc值和FF值均又回落到初始水平。與Voc值和FF值相比,Isc值在整個(gè)光注入—暗態(tài)退火—二次光注入過程中未觀察到明顯的變化。而對上述的光注入—暗態(tài)退火—二次光注入過程進(jìn)行循環(huán)時(shí),HJT太陽電池的增益—消退現(xiàn)象也循環(huán)發(fā)生,這表明光注入—暗態(tài)退火循環(huán)期間,HJT太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率的增加和降低具有可逆性[15]。
除了上述可逆過程外,本研究發(fā)現(xiàn)HJT太陽電池還存在暗衰現(xiàn)象。將光注入后的HJT太陽電池放置在暗態(tài)環(huán)境下,定期監(jiān)測HJT太陽電池的電性能參數(shù),發(fā)現(xiàn)HJT太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率緩慢下降直至最終穩(wěn)定,此現(xiàn)象稱為暗衰現(xiàn)象。在暗態(tài)環(huán)境下HJT太陽電池的電性能參數(shù)變化如表3所示。
表3 在暗態(tài)環(huán)境下不同靜置時(shí)間時(shí)HJT太陽電池的 電性能參數(shù)Table 3 Electrical performances parameters of HJT solar cells in dark state with different resting times
表3中HJT太陽電池在重新接受光照后,其光電轉(zhuǎn)換效率會迅速提升。暗衰現(xiàn)象與硅片的電阻率、非晶硅薄膜材料相關(guān),但造成該現(xiàn)象的本質(zhì)原因還有待進(jìn)一步研究。
綜上所述可知,HJT太陽電池的亞穩(wěn)態(tài)特性對現(xiàn)有測試標(biāo)準(zhǔn)提出了挑戰(zhàn)。而HJT太陽電池的穩(wěn)定性判定條件、如何制作及保存標(biāo)準(zhǔn)HJT太陽電池,以及產(chǎn)線如何使用標(biāo)準(zhǔn)HJT太陽電池進(jìn)行太陽模擬器校準(zhǔn)等問題都需要進(jìn)行研究討論,并制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。
標(biāo)準(zhǔn)測試條件下測得的電性能結(jié)果是制定光伏器件價(jià)格的基準(zhǔn),因此光伏器件電性能測試的測試標(biāo)準(zhǔn)對于光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。本文從遲滯效應(yīng)、雙面特性及亞穩(wěn)態(tài)特性3個(gè)方面分析總結(jié)了HJT太陽電池的電性能測試方法、研究進(jìn)展及目前仍存在的問題,并提出了HJT太陽電池在電性能測試中存在的遲滯誤差、遲滯誤差的成因及其解決方法,以降低該類太陽電池的測試結(jié)果誤差。
TOPCon、TBC等高效太陽電池將會面臨同樣的問題,因此,本文的研究內(nèi)容對這些太陽電池同樣具有參考價(jià)值。