■ 中國可再生能源學(xué)會光伏專業(yè)委員會

2.3.1.4 光致衰減的研究進(jìn)展

由于p型硅襯底的太陽電池含有硼、鐵、氧等元素，存在光輻照時不穩(wěn)定的特性。IEA對這些不穩(wěn)定性進(jìn)行了歸納，如圖22所示，由圖可知，大部分的不穩(wěn)定性是由組件封裝導(dǎo)致的，但是仍有0.5%～5%的不穩(wěn)定性屬于光照導(dǎo)致的衰減(LID)和電壓誘導(dǎo)衰減(PID)。圖中的p型電池是指全鋁背場常規(guī)太陽電池，而對于PERC太陽電池，人們發(fā)現(xiàn)了新的光致衰減現(xiàn)象。

圖22 p型硅襯底太陽電池的穩(wěn)定性[34]

2012年，有研究發(fā)現(xiàn)，PERC多晶硅太陽電池中除存在由硼-氧(B-O)對產(chǎn)生的光致衰減(LID)之外，還存在熱輔助光致衰減(LeTID)現(xiàn)象。這種LeTID現(xiàn)象會隨著測試時襯底溫度的不同而加強(qiáng)。經(jīng)過幾年有針對性的研究發(fā)現(xiàn)，這種LeTID與傳統(tǒng)的由B-O對引起的LID現(xiàn)象的特性不同。

LeTID的特性包括：1)光致衰減行為與光照時襯底溫度有關(guān)。2)PERC多晶硅太陽電池的LeTID衰減量較Al-BSF多晶硅太陽電池大(6%～10%)；LeTID衰減需要n×102kWh/m2的輻照量才能出現(xiàn)明顯變化。3)LeTID衰減不只與B-O對有關(guān)(摻Ga硅片仍有衰減)。4)LeTID衰減與體內(nèi)的復(fù)合有關(guān)，與表面鈍化特性關(guān)系不大。5)LeTID衰減在長時間加溫光照后會恢復(fù)。6)LeTID衰減的特性與少數(shù)載流子注入濃度有關(guān)(Isc、FF、Voc)。7)LeTID衰減特性與電池的熱歷史有關(guān)。

Q-Cell和Solar World兩家公司曾宣布其擁有未公開的多晶硅太陽電池LeTID解決方案。國內(nèi)龍頭企業(yè)協(xié)鑫、阿特斯也報道已經(jīng)將PERC多晶硅太陽電池的LeTID衰減率穩(wěn)定控制在1.5%以內(nèi)，但具體方案未公開。

2017年國內(nèi)在LeTID方面的研究并不充分，主要是國際上一些研究單位開展了相關(guān)研究[30-31]，一個比較重要的進(jìn)展是發(fā)現(xiàn)PERC單晶硅太陽電池同樣存在LeTID現(xiàn)象。Q-Cell公司在2017年報道了其PERC單晶硅太陽電池的LeTID結(jié)果，如圖23所示。雖然該電池使用常規(guī)的B-O對穩(wěn)定工藝可在25 ℃時使電池的衰減趨于穩(wěn)定，但是在75 ℃時其光致衰減仍會明顯增加。德國的Fraunhofer研究所也報道了PERC單晶硅太陽電池的LeTID現(xiàn)象[32-33]。

通過對PERC太陽電池的研究發(fā)現(xiàn)，LeTID現(xiàn)象是由于硅片中存在金屬雜質(zhì)所導(dǎo)致的。Fraunhofer研究所研究了金屬銅離子在硅片光致衰減前后的行為，給出了導(dǎo)致其光致衰減的機(jī)理。當(dāng)硅片制備完成后，金屬原子以團(tuán)聚的形態(tài)出現(xiàn)，形成所謂的金屬沉淀；電池制備過程中的高溫使這些金屬原子的沉淀物分解擴(kuò)散，形成單體金屬原子；單體金屬原子可在電池使用過程中在較高溫度和光照共同作用下被激活，形成復(fù)合中心，使電池效率下降。

圖23 Q-Cell公司報道的PERC單、多晶硅太陽電池的LeTID[34]

關(guān)于LeTID的自我恢復(fù)過程有2種解釋：一種是新南威爾士大學(xué)提出的氫鈍化理論，即在長期加溫和光照的作用下，氫離子會進(jìn)入硅片中與金屬離子結(jié)合，鈍化了其帶電特性；另一種是歐洲的研究團(tuán)隊認(rèn)為在長期加溫和光照作用后，金屬離子會運(yùn)動到晶界、位錯和表面附近等能量低的區(qū)域，使其失去了捕獲載流子的活性。

這2種機(jī)理都獲得了一些實(shí)驗(yàn)結(jié)論的支持：1)Bredemeier等發(fā)現(xiàn)，使用較低的燒結(jié)溫度(600℃)處理PERC太陽電池，其LeTID較低；而以較高燒結(jié)溫度(900 ℃)處理PERC太陽電池則會產(chǎn)生較強(qiáng)的LeTID。2)電池制備完成后的低溫退火(620～660 ℃)過程可以減少LeTID，這是因?yàn)榈蜏赝嘶鹂梢詫?dǎo)致金屬原子(如Cu)沉淀的形成。3)Eberle等發(fā)現(xiàn)，在金屬電極燒結(jié)過程中的快速冷卻會導(dǎo)致較強(qiáng)的LeTID，而慢速冷卻導(dǎo)致較弱的LeTID。這是因?yàn)槁倮鋮s可以形成較多的Cu沉淀。

圖24顯示了太陽電池電極燒結(jié)曲線對于電池LeTID的影響。由圖可知，采用燒結(jié)曲線升降溫較為平緩的工藝制備的太陽電池的LeTID較低，甚至沒有，而采用較陡的燒結(jié)曲線工藝制備的太陽電池的LeTID較大。

圖24 太陽電池金屬電極燒結(jié)曲線對電池LeTID的影響[35]

目前，研究認(rèn)為太陽電池的LeTID現(xiàn)象有3種類型：非金屬雜質(zhì)缺陷(B-O對)引起的光致衰減；金屬雜質(zhì)缺陷(Cu、Fe等過渡金屬)引起的光致衰減；金屬與非金屬復(fù)合缺陷(Fe-B對)引起的光致衰減。

B-O對與Fe-B對引起的光致衰減均為LID，在室溫光照下即可出現(xiàn)，并且在較低的太陽輻照量和較低的退火溫度處理時即可恢復(fù)。而金屬雜質(zhì)缺陷引起的LeTID在室溫下和短時間的太陽輻照時無法顯現(xiàn)出來，需在較高的溫度(＞50℃)結(jié)合更長時間的太陽輻照量(＞100kWh/m2)才會出現(xiàn)，而且其恢復(fù)的條件也較為苛刻，常需要較高的溫度(＞50℃)和較大的輻照量(＞500kWh/m2)。

研究將LeTID歸因于金屬離子引起的光致衰減，特別是在PERC單晶硅太陽電池中也發(fā)現(xiàn)LeTID之后，人們開始認(rèn)為LeTID是一種更為普遍的光致衰減現(xiàn)象，因?yàn)闊o論是在單晶硅片還是多晶硅片中都存在金屬離子，因此都會出現(xiàn)LeTID現(xiàn)象；進(jìn)而由于無論是PERC太陽電池還是BSF太陽電池，也都存在金屬離子，因此也都會出現(xiàn)LeTID現(xiàn)象。如此可以進(jìn)一步推斷，在n型硅片中也存在金屬離子，那是否也存在LeTID現(xiàn)象？但這些問題有待進(jìn)一步開展研究。由于這種光致衰減與金屬離子有關(guān)，但是具體是哪種金屬雜質(zhì)起作用尚無明確的研究結(jié)論；有研究表明，光致衰減與Cu有很大關(guān)系[36-37]，但也有Al可能參與其中的報道[38]。因此，進(jìn)一步降低太陽能級硅材料金屬離子的含量和電池制備過程中金屬離子的沾污，都將有助于降低LeTID。表6將LID與LeTID現(xiàn)象進(jìn)行了比較。

表6 LID與LeTID現(xiàn)象的比較

到2017年年底為止，還未見到國內(nèi)電池企業(yè)或研究單位對PERC太陽電池的光致衰減進(jìn)行系統(tǒng)的研究報道，而許多報道仍將LID和LeTID現(xiàn)象混淆，在測試時未按照較為嚴(yán)格的LeTID條件進(jìn)行測試，即在太陽輻照時保持襯底溫度較高，并且進(jìn)行充分、長時間的輻照實(shí)驗(yàn)，因此所得出的結(jié)論往往比較混亂。此外，在國內(nèi)安裝有PERC太陽電池的光伏發(fā)電系統(tǒng)，一般僅有1～2年的運(yùn)營時間，還無法進(jìn)行數(shù)據(jù)的積累，但相信隨著研究的深入和光伏發(fā)電系統(tǒng)的長時間運(yùn)行，這一問題會被更加清晰的認(rèn)識。此前協(xié)鑫、阿特斯相繼對外報道了PERC多晶硅太陽電池LeTID的最新研究進(jìn)展，在高溫長時間測試條件下衰減率可穩(wěn)定控制在1.5%以內(nèi)，但具體技術(shù)細(xì)節(jié)未公開。

2.3.2 n型硅PERT太陽電池

2.3.2.1 發(fā)展概況

與PERC太陽電池相比，n型硅雙面鈍化(PERT)太陽電池使用n型硅襯底代替p型硅，同時制成了雙面都能受光的太陽電池。相對于p型硅電池，n型硅電池效率的LID極低；此外n型硅對某些金屬雜質(zhì)的敏感性低，在相同的雜質(zhì)濃度下，n型硅比p型硅有更高的少數(shù)載流子壽命。這些特性導(dǎo)致了n型硅電池比p型硅電池具有壽命長和效率高的特點(diǎn)，使產(chǎn)業(yè)化的高效率電池開始從p型硅轉(zhuǎn)移到n型硅[25-26,39-40]。由于n型硅電池在制備過程中采用磷擴(kuò)散(注入)背場代替了傳統(tǒng)p型硅電池的鋁漿背場，因此其適合制備雙面電池，可提高單位電池面積的發(fā)電量，降低發(fā)電成本。

從2010年起，PERT太陽電池逐漸進(jìn)入量產(chǎn)和擴(kuò)展階段。我國是最早的n型硅PERT太陽電池和組件產(chǎn)業(yè)化的推動者，英利從2009年開始致力于高效n型硅PERT太陽電池的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化；2010年其將高效PERT太陽電池推向了國際市場[41-42]，產(chǎn)業(yè)化和實(shí)驗(yàn)室效率分別達(dá)到了18.5%和19%；2013年實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)證效率達(dá)到了20.5%；2017年提升至22.5%。圖25為英利的n型硅PERT雙面電池效率提升過程。

圖25 英利n型硅PERT雙面電池效率提升過程

同期國際方面，荷蘭的國家能源研究中心(ECN)、德國的Fraunhofer研究所、比利時的IMEC研究所、澳大利亞新南威爾士大學(xué)也在開展高效PERT雙面電池的研究；韓國LG公司，德國Bosch Solar、Q-cell等公司也開始了PERT雙面電池的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化。2013年以后，PERT太陽電池得到了較快的發(fā)展。2014年德國的Fraunhofer研究所的PERT太陽電池效率達(dá)到了22.7%[43]；2015年IMEC發(fā)布了n型背面結(jié)大面積PERT太陽電池的最新進(jìn)展，在6英寸n型硅片上實(shí)現(xiàn)了22.5%的轉(zhuǎn)換效率[44]。2016年，IMEC在背面結(jié)上進(jìn)一步提高效率，達(dá)到了22.6%[45]。

在n型硅和雙面電池優(yōu)勢的持續(xù)推動下，近幾年我國的n型硅PERT太陽電池從研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化到市場應(yīng)用出現(xiàn)了大發(fā)展的勢頭。n型雙面電池效率不斷突破，技術(shù)的發(fā)展方向也各不相同，雙面熱擴(kuò)散、摻雜漿料、離子注入等方式都有產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用案例[46-48]。我國的天合、航天機(jī)電、中來股份、林洋光伏、協(xié)鑫集成、中科院半導(dǎo)體所、上海交通大學(xué)、中科院微電子所、中山大學(xué)等單位都開展了n型硅PERT太陽電池的研發(fā)。2014年，天合光能第三方認(rèn)證的n型硅PERT太陽電池在5英寸n型硅片上實(shí)現(xiàn)了21.98%的轉(zhuǎn)換效率；2016年，上海交通大學(xué)的n型硅PERT太陽電池效率達(dá)到了21.3%。

在產(chǎn)業(yè)化和市場方面，n型硅PERT雙面電池是一種已被市場認(rèn)可且有產(chǎn)品銷售的高轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)品。從2010年英利推出首個n型硅雙面電池(熊貓)開始，n型硅雙面電池就已經(jīng)嶄露頭角。其突出的優(yōu)點(diǎn)就是背面的發(fā)電增益，小型系統(tǒng)模擬的現(xiàn)實(shí)背面發(fā)電貢獻(xiàn)為10%～30%。增益基于雙面光伏組件的封裝方式，其差別來自于應(yīng)用安裝導(dǎo)致的地面光反射率的不同。目前，國內(nèi)外比較知名的雙面電池產(chǎn)業(yè)化公司包括：英利、中來、航天機(jī)電、林洋、臺灣英穩(wěn)達(dá)、韓國LG等。2017年，PERT太陽電池的產(chǎn)業(yè)化平均效率約為21%，電池效率的雙面比為0.85～0.9。2016年，中來在江蘇泰州開工建設(shè)的2.1 GW的n型硅雙面電池項目一期完工，2017年啟動了二期建設(shè)。2016年，林洋光伏也宣布在江蘇啟東開展2 GW雙面電池項目，并于2017年8月宣布建成了400 MW的n型硅PERT太陽電池生產(chǎn)線，開始了高效n型雙面電池的量產(chǎn)。

目前，n型硅PERT雙面組件由于高雙面比、良好的弱光響應(yīng)與超低的光致衰減率等諸多優(yōu)勢，在我國企業(yè)的推動下開始批量進(jìn)入市場，應(yīng)用方式也趨于多樣化。在我國大型地面電站應(yīng)用方面，大同“領(lǐng)跑者”示范項目中，世界上最大的英利50 MW的n型硅PERT雙面光伏電站的月發(fā)電量的背面增益可達(dá)16%。中來n型雙面雙玻4 kW寧夏戶外光伏系統(tǒng)測試顯示，n型雙面雙玻光伏組件每kW發(fā)電量較p型常規(guī)單晶硅光伏組件的增益最高可達(dá)29.1%。圖26為英利在保定戶外組件實(shí)驗(yàn)基地時，熊貓n型硅雙面光伏組件與常規(guī)晶硅光伏組件的全年發(fā)電量對比情況。從圖中可以看出，熊貓n型硅雙面光伏組件的全年發(fā)電量比常規(guī)晶硅光伏組件的高21%。

圖26 熊貓n型硅雙面光伏組件與常規(guī)晶硅光伏組件的全年發(fā)電量對比

我國的英利、天合等企業(yè)積極主導(dǎo)和參與了國際IEC、SEMI標(biāo)準(zhǔn)組織，中國光伏行業(yè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)委員會、中國質(zhì)量認(rèn)證中心、建衡認(rèn)證等起草制定了雙面光伏組件的測試標(biāo)準(zhǔn)，綜合這些標(biāo)準(zhǔn)草案，在綜合功率計算方面取得一致，支持背面輻照度按照100 W/m2來計算綜合功率。按100 W/m2的輻照度計算，雙面率70%～90%的組件的正面增益可折算為7%～9%。由英利、天合、阿特斯、晶科等企業(yè)共同起草的SEMI雙面組件測試標(biāo)準(zhǔn)和光伏行業(yè)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)已完成標(biāo)準(zhǔn)編制工作，在2018年下半年發(fā)布。

2.3.2.2 技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

英利n型PERT雙面太陽電池的結(jié)構(gòu)如圖27所示。其技術(shù)特點(diǎn)包括：1)使用n型襯底硅片；2)在前表面進(jìn)行硼摻雜制備p型發(fā)射區(qū)；3)在背表面進(jìn)行磷摻雜制備n++背場；4)前表面鈍化p型區(qū)不宜直接使用SiNx膜，因此有2種選擇，其一是使用SiO2/SiNx，其二是使用Al2O3/SiNx；5)在背表面使用SiNx膜或SiO2/SiNx膜鈍化；6)前電極使用Ag/Al電極；7)背表面使用Ag電池。

圖27 英利n型PERT雙面太陽電池的結(jié)構(gòu)

表7列出了目前制備n型PERT太陽電池的各種工藝方法與提供這些工藝方法所需設(shè)備的供應(yīng)商，以及我國生產(chǎn)廠家采用這些工藝的情況。

表7 n型PERT太陽電池的技術(shù)解決方案

英利公司2017年報道了其n型PERT雙面電池的最高效率為22.01%，Voc為666.8 mV，Jsc為40.01 mA/cm2，F(xiàn)F為82.5%，面積為244.3 cm2；背表面的效率為20.17%，Voc為662.6 mV，Jsc為36.82 mA/cm2，F(xiàn)F為82.67%，雙面率大于90%。

林洋公司報道了其雙面電池的最高效率區(qū)間為21.2%～21.4%，采用最簡單的n型PERT技術(shù)，即雙面均擴(kuò)散且均使用SiO2/SiNx鈍化膜，組件的最高功率為305 W。

2017年，航天機(jī)電公司報道了其n型PERT雙面單晶硅太陽電池的效率為21.34%，Voc為655.9 mV，Jsc為40.74 mA/cm2，F(xiàn)F為80.24%，采用離子注入磷制備背場。同年，該公司的一個新進(jìn)展是研究了鑄錠制備n型PERT單晶硅太陽電池，該類電池的最高效率為20.74%，Voc為643.4 mV，Jsc為40.31 mA/cm2，F(xiàn)F為79.99%，小批量的平均值為20.47%。這種探索為此類電池找到了一種新的降低成本的路線。 (待續(xù))