N型高效電池組件特性對比研究

劉隴剛，楊振英

（1.國家電投集團青海光伏產業創新中心，青海 西寧 810007；2.青海黃河公司太陽能電池及組件研發實驗室，青海 西寧 810007）

0 引 言

隨著能源危機和環境問題的日益加重，促使更多的研究機構及研發企業逐漸對清潔能源的應用開展了深入研究和探索。光伏發電主要是利用太陽電池的光生伏特效應，將太陽光轉換為電能的新型發電技術，被認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者的關注和追捧。目前，市場主要以P型晶體硅電池發電應用為主，P型單晶硅電池的量產效率已達到22.5%，相比于火電和水電，度電成本依然較高。為降低光伏發電成本實現平價上網，提高電池及組件轉換效率和降低制造成本成為當前光伏展業發展的兩大主題[1]。

1 N型高效電池技術簡介

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轉化效率現已達到22.5%以上，要在不增加成本的情況下繼續提高電池及組件轉換效率已非常困難，于是研究人員將研究的課題轉向少子壽命較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行發射極、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行B或P的摻雜形成PN結，實現正反面均能發生光生伏特效應的N型電池，N-PERT電池是在普通雙面電池上進行了優化，電池背面采用選擇性發射極摻雜并結合局部鈍化工藝，使得發射極的表面鈍化，降低了表面態使反向飽和電流密度下降，同時減少了前表面的少數載流子復合使得光譜響應也得到改善，可有效提升電池的轉換效率[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，電池結構為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構，有效降低表面復合和金屬接觸復合，為N-PERT電池轉換效率提升提供了更大的空間。

HIT電池采用異質結結構的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結，降低太陽電池表面態密度，減小了復合電流，使得開路電壓明顯提高，從而具有較高的轉換效率。

IBC電池是將PN結、基底以及發射區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，為前表面陷光結構和實現更低反射率提供了更大的優化空間，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的吸收太陽光，增加電池的轉換效率，且看上去更美觀。

2 N型電池組件樣本建立與選取

近幾年，隨著我國光伏產業技術的發展、電站建設規模擴大以及高質量電能需求的進一步提升，國內N型高效電池技術的研究和高功率N型組件的應用開始逐步推向市場，并取得了良好的發電效益，目前國內光伏電站建設應用較多的N型電池組件為TopCon組件、HIT組件以及IBC組件。

實驗過程中選取了相同兆瓦數的P型PERC組件、HIT組件（包括單面組件和雙面組件）以及IBC組件應用子陣作為對比樣本，其中P型PERC組件子陣為基準子陣。這些組件均采用相同的安裝傾角、跟蹤方式、傾角傳感器、旋轉角度傳感器、組件溫度傳感器、環境溫度傳感器以及風速風向傳感器，電性能測量時使用相同的晶硅參考片、參考組件、日射強度計、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備[3]。

3 N型電池組件特性對比

3.1 N型高效組件溫度特性對比

監測對比樣本中各類組件同一天在不同輻照區間的運行溫度（如表1所示），發現N型IBC組件的運行溫度最低，N型HIT組件的運行溫度次之，P型PERC單晶組件的運行溫度最高。同時對比某月N型高效組件與常規單晶組件的日平均溫度特性發現，N型高效組件明顯低于單晶組件溫度，其中P型PERC組件月平均運行溫度為34.05 ℃，N型HIT組件月平均運行溫度為32.56 ℃，N型IBC組件月平均運行溫度為31.75 ℃。可見，N型高效組件運行溫度比P型單晶組件運行溫度更低，這與N型電池具有更低的溫度系數的理論研究結果吻合。

3.2 弱光條件下N型高效組件的電流特性對比

對比分析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，發現在弱光條件下，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行溫度對比表

圖1 弱光條件下N型高效組件工作電流與輻照關系圖

3.3 N型高效組件發電量對比

監測P型PERC組件、HIT組件以及IBC組件對比樣本某年1—11月的發電量，并剔除特殊天氣和設備故障原因帶來的外界影響因素，N型HIT組件和IBC組件單位兆瓦發電量與基準子陣單位兆瓦發電量對比結果如圖2和圖3所示。

圖2 某年1—11月N型高效組件單位兆瓦發電量對比圖

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

3.4 N型雙面組件發電能力研究

監測P型PERC組件、HIT單面組件以及HIT雙面組件，對比樣本某年1—11月的發電量，同時剔除特殊天氣和設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電量與基準子陣單位兆瓦發電量對比結果如圖4和圖5所示。

圖3 N型高效組件各月發電量及增益對比圖

圖4 某年1—11月N型雙面組件單位兆瓦發電量對比圖

從圖4中看出，N型HIT雙面組件1—11月累計發電量較基準子陣（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電能力更高。雙面組件發電量更高主要是因為正面電池接受光照的同時背面也接受輻照，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系[4-7]。

4 結 論

通過歸納N型高效電池技術，并設計對比N型高效電池組件的運行溫度、弱光條件下N型高效組件的工作電流以及各類組件發電量發現，與P型PERC組件對照樣本相比，在相同環境條件下N型高效組件運行溫度比P型單晶組件運行溫度更低，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電能力，尤其是N型雙面組件發電增益更加明顯。隨著對其性能研究的不斷深入，國內外對N型高效電池組件的認可度變得更高，對其應用前景更加重視，尤其是隨著N型產品成本的逐步降低，N型組件發電系統的度電成本也將進一步下降，N型雙面組件將成為未來光伏發電系統建設的首選產品。

圖5 N型雙面組件各月發電量及增益對比圖