汪 洋，呂 欣，侯少攀，崇 峰

(1.黃河上游水電開發(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)、開發(fā)新工藝一直是太陽電池生產(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太陽電池除了兼容p型太陽電池制備工藝外，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太陽電池的融合更是為n型太陽電池技術(shù)提供了新的研發(fā)方向。本文通過對(duì)比n型TOPCon-PERT雙面太陽電池(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)散過界的部分進(jìn)行刻蝕，而在此過程中會(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)太陽光譜分布強(qiáng)，這對(duì)于n型TOPCon-PERT電池來說更具有發(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輻照度(太陽輻照度>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。