異質結太陽電池測試標準的研究進展

時 強，高 祺，張雅婷，余友林,2，劉正新,2,3*

(1. 中國科學院上海微系統與信息技術研究所，上海 201800；2. 中國科學院大學，北京 100049； 3. 通威太陽能，成都 610299)

0 引言

異質結(heterojunction technology，HJT)太陽電池于20世紀90年代由日本三洋公司發明，并在當時獲得了超過18%的高光電轉換效率[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)、雙面的透明導電氧化薄膜(TCO)層和金屬電極組成，其基本結構示意圖如圖1所示。

圖1 HJT太陽電池的基本結構示意圖Fig. 1 Schematic diagram of basic structure of HJT solar cell

與傳統的晶體硅太陽電池相比，HJT太陽電池具有光電轉換效率高、制造工藝步驟少、工藝溫度低、溫度系數小及雙面系數高等特點[2]，這些特點使其在過去幾年中發展迅速。目前，HJT太陽電池的實驗室最高光電轉換效率為26.3%，產業化的平均光電轉換效率已突破24.0%。此外，通過結合叉指背接觸技術得到的背接觸異質結(heterojunction backcontact，HBC)太陽電池的最高光電轉換效率可達26.7%，是目前單結晶體硅太陽電池光電轉換效率的最高紀錄。

太陽電池在標準測試條件(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之一。然而，針對常規晶體硅太陽電池的電性能測試技術及相關測試標準并不能完全應用于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電容，不恰當的測試方法及測試參數會引起遲滯效應，產生遲滯誤差，從而影響測試結果；2)HJT太陽電池因其對稱結構而具有天然的雙面發電能力，雙面HJT太陽電池的測試方法及相應測試條件的不同都會對測試結果產生影響；3)HJT太陽電池具有亞穩態特性，表現為可恢復的光增效應及暗衰效應，從而導致其測試值與真實值間會產生差異。

基于此，本文針對HJT太陽電池電性能測試的技術難點，結合現有的測試標準，對近年來中國科學院上海微系統與信息技術研究所新能源中心在HJT太陽電池測試技術方面的研究工作和主要成果進行了總結分析，歸納總結了HJT太陽電池測試時產生遲滯效應的原因及其解決方法，以及雙面HJT太陽電池的測試標準和評價體系，研究了不同測試參數對遲滯誤差的影響，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果的影響，并通過簡述HJT太陽電池亞穩態特性的研究進展，找出HJT太陽電池精確測試的方法，以期為后續的研究提供借鑒，助力HJT太陽電池產業的發展。

1 遲滯效應

1.1 遲滯效應來源

根據文獻[3]的報道，使用較短的脈沖光照對HJT太陽電池進行I-V測試，會出現正向、反向掃描時該太陽電池的I-V曲線不一致的現象，掃描結果如圖2所示。

圖2 正向、反向掃描時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

遲滯效應的主要成因是太陽電池在測量過程中產生的電容效應。太陽電池本質上是一個半導體p-n結器件。在p-n結中，主要包含2種電容：勢壘電容和擴散電容。因為勢壘電容一般與太陽電池的負偏壓有關且電容值較小，所以在HJT太陽電池測試中一般可以忽略其產生的影響。HJT電池在I-V測試中主要受到擴散電容的影響，擴散電容與少數載流子在準中性區的積累相關。

擴散電容Cd與太陽電池外加電壓Va之間呈指數關系，可表示[4]為：

式中：C0為基體電容，與少子壽命相關；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。

從式(1)可以看出，擴散電容隨外加電壓的增加而呈指數增大。HJT太陽電池采用的硅片的少子壽命較長，其內部的擴散電容可達到傳統太陽電池的10倍以上，而較大的擴散電容意味著在改變太陽電池外加電壓時，其內部電子電荷達到平衡分布所需的時間也會更長。因此，在進行電性能測試時，如果I-V掃描儀的外加電壓變化速率過快，會導致測試過程中HJT太陽電池內部電子電荷分布未達到平衡，由此而導致的測試結果誤差即為遲滯誤差。根據掃描方向的不同，正向掃描時，太陽電池內部電容處于充電狀態，將會分流一部分光生電流，導致測試結果低于真實值；反向掃描時，太陽電池內部電容處于放電狀態，會導致測試結果高于真實值[5]，這也就造成了圖2中測試結果的差異。

1.2 遲滯效應消除方法

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的光伏器件I-V曲線的詳細方法，其中包括一些可消除或減弱遲滯效應的測試方法，比如：線性測試法[6]、多次閃光法[7]、動態I-V法[8]、暗態I-V轉換法[9]等。

1)線性測試法是通過使用穩態光源或長脈沖光源并增加測試時間來減緩I-V測試時的掃描速率，以消除遲滯效應對太陽電池I-V測試結果的影響。

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，共進行M次閃光，最后再組合成一條完整的I-V曲線。當分段數目使在任意一段時的掃描速率均低至能消除電容效應產生的影響時，可以認為該方法達到了足夠精確的程度。

3)動態I-V法是在保持整體掃描時間不變的情況下，在測試單個I-V數據點時保持偏置電壓不變，待太陽電池輸出電流穩定后再采集其電流值，通過多個數據點擬合出整體的I-V曲線。

4)暗態I-V轉換法是利用暗態I-V的測試不受光源脈沖時間的影響、掃描速率無限制的優勢，結合暗態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，通過二極管模型轉換得到光照下無遲滯效應的I-V曲線。

對上述各種測試方法的特點進行了總結，具體如表1所示。

表1 不同測試方法的特點比較Table 1 Comparison of characteristic of different measurement methods

1.3 測試參數對遲滯效應的影響

在太陽電池I-V測試中，所有的測試參數(包括時間參數和掃描點數)均可能對測試結果產生影響。本部分內容主要針對掃描點數對I-V測試結果的影響進行研究。掃描點數不僅會影響到I-V測試的總掃描時間，也將決定I-V測試中相鄰掃描點之間的電壓差ΔV(在電壓掃描范圍固定時，ΔV與掃描點數成反比)。ΔV的值會影響到在一定時段內內部電容的充放電程度，進而會影響I-V測試中的遲滯效應。

在研究掃描點數對I-V測試結果的影響的對比測試中，相關時間參數的設置為：電源延遲時間Tds=0.035 ms，積分時間Ti=0.1 ms，每個掃描點的測試時間Tm=0.435 ms。

分別采用固定總掃描時間實驗和固定測試點外加電壓作用時間實驗對遲滯誤差和掃描點數之間的關系進行研究，結果如圖3所示[10]。

在固定總掃描時間Th的條件下，遲滯誤差ε隨掃描點數N的變化關系如圖3a所示。在該實驗中，由于采用不同的I-V掃描儀和控制軟件時可設置的參數不同，以所有掃描點的總的外加電壓保持時間作為總掃描時間的度量指標。本實驗中總的外加電壓保持時間SUM(T′h)=SUM(Td-Tds)=30 ms，其中，Td為測試延遲時間。

圖3 遲滯誤差與掃描點數的變化關系[10]Fig. 3 Changing relationship between hysteresis error and scanning points

從圖3a可以看出，ε隨N的變化存在一個極大值，這說明增加和減小N值均有可能減小ε。該結果可以從2個方面進行解釋：1)增加N會導致ΔV的減小，因此由于測試點外加電壓變化而導致的遲滯效應會隨之減小，遲滯誤差則可以在較短的總掃描時間下消除；2)在Th一定時，N的減小會導致T′h的增加，因此在測試點外加電壓變化后太陽電池內部電容就有更充裕的時間進行充放電。這個結果表明，如果通過高速I-V掃描儀將掃描點數增加到上萬點，遲滯誤差也有可能減小，該結果對于一些使用瞬態模擬器進行的I-V測試具有較高的實際意義。

從圖3b可以看出，ε正比于1/N，這是由于在I-V測試中，如果每個掃描點的測試時間相同，遲滯效應隨著ΔV的減小而減小。而對于一些遲滯誤差較大的數據點，會出現稍微偏離這個線性關系的現象，該現象產生的原因是在遲滯誤差較大時，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電壓的差值也較大。

根據實驗結果，提出了一個高效光伏器件測試參數優化方法，具體設置流程如圖4所示。根據該優化方法，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優化方法的設置流程[10]Fig. 4 Setting process of optimization method of high efficiency PV device test parameter

2 雙面特性

HJT太陽電池具有雙面對稱結構，其正面和背面能夠同時接收光照產生電流，因此其性能評估的測試標準與常規的單面太陽電池的測試標準不同，針對其的測試標準需要涵蓋其可以雙面接收太陽光照的本質特性。目前國際電工委員會(IEC)、國際半導體設備材料產業協會(SEMI)及中國光伏行業協會等都提出了針對雙面光伏器件的測試標準，給出的測試方法中，除了戶外測試方法外，常用的室內測試方法主要有等效輻照度法[11]和雙面光照法[12]。

2.1 等效輻照度法

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換為相應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行I-V測試，以獲得最終的測試結果，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，然后計算各參數的雙面系數，計算式如式(2)～式(4)所示。需要注意的是，在對雙面太陽電池任意一面進行單面測量時，需要用減反射材料遮擋非受光面，以滿足測試標準的要求，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。

計算雙面太陽電池的等效正面輻照度GEi，計算式可表示為：

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。

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作為該雙面太陽電池的電性能參數。

2.2 雙面光照法

雙面光照法是模擬雙面太陽電池實際使用條件，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，然后進行I-V測試，從而獲取雙面太陽電池的電性能參數。

以雙光源為例進行雙面光照法的介紹。在t1～t2時間段內，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；t3～t4時間段內，正面和背面光源同時開啟，測量STC條件下雙面太陽電池在雙面受光時的電性能參數；在t5～t6時間段內，背面光源關閉，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。根據這些電性能參數，結合式(6)，可計算得到雙面太陽電池的雙面系數。

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

2.3 測試臺的影響

常規單面太陽電池測試時，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行單面測試時，若采用鍍金銅測試臺，會導致透過太陽電池的光經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，鍍金銅測試臺的反射率相對較高。

圖7 不同波長時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。

為了研究HJT太陽電池采用雙面光照法時的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”)進行測試，其實物圖如圖9所示。

圖9 雙面測試臺的實物圖Fig. 9 Photo of bifacial test platform

將同一塊HJT太陽電池分別采用3種測試臺時得到的I-V曲線進行比較，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部采用水冷控溫，太陽電池與測試臺充分接觸，測試時可以精確控制太陽電池工作溫度在25 ℃；而雙面測試臺鏤空，測試時只能使用風扇對太陽電池進行降溫，控溫效果有限，因此測試時太陽電池工作溫度會升高，導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，黑色銅測試臺與鍍金銅測試臺的電導率不同，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行I-V測試時，應該綜合考慮上述因素，以便于提高雙面太陽電池I-V測試結果的準確性與合理性。

3 亞穩態特性

常規的p型晶體硅太陽電池在初期使用時，由于光照引起其功率衰減的現象稱為光致衰減(LID)，此現象的產生與太陽電池內部的B—O復合相關[13]。研究發現，在非晶硅薄膜太陽電池中，也存在光致衰減現象，該衰減也被稱為Steabler-Wronski效應[14]。然而研究發現，對于HJT太陽電池，進行持續光照(即光注入)后會出現光電轉換效率上升(即光注入增益)的現象，且靜置和暗態退火對光注入增益具有消退作用，HJT太陽電池光注入—暗態退火—二次光注入過程中的I-V測試結果如表2所示。

表2 HJT太陽電池光注入—暗態退火—二次光注入過程中的I-V測試結果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，與未光注入時相比，對HJT太陽電池進行光注入后，其Voc值增加了0.0038V，FF值增加了0.88%，η顯著提升了0.39%；而在隨后的暗態退火過程中，Voc值和FF值均又回落到初始水平。與Voc值和FF值相比，Isc值在整個光注入—暗態退火—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—暗態退火—二次光注入過程進行循環時，HJT太陽電池的增益—消退現象也循環發生，這表明光注入—暗態退火循環期間，HJT太陽電池光電轉換效率的增加和降低具有可逆性[15]。

除了上述可逆過程外，本研究發現HJT太陽電池還存在暗衰現象。將光注入后的HJT太陽電池放置在暗態環境下，定期監測HJT太陽電池的電性能參數，發現HJT太陽電池的光電轉換效率緩慢下降直至最終穩定，此現象稱為暗衰現象。在暗態環境下HJT太陽電池的電性能參數變化如表3所示。

表3 在暗態環境下不同靜置時間時HJT太陽電池的 電性能參數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，其光電轉換效率會迅速提升。暗衰現象與硅片的電阻率、非晶硅薄膜材料相關，但造成該現象的本質原因還有待進一步研究。

綜上所述可知，HJT太陽電池的亞穩態特性對現有測試標準提出了挑戰。而HJT太陽電池的穩定性判定條件、如何制作及保存標準HJT太陽電池，以及產線如何使用標準HJT太陽電池進行太陽模擬器校準等問題都需要進行研究討論，并制定相應的標準。

4 結論

標準測試條件下測得的電性能結果是制定光伏器件價格的基準，因此光伏器件電性能測試的測試標準對于光伏產業的發展具有重要意義。本文從遲滯效應、雙面特性及亞穩態特性3個方面分析總結了HJT太陽電池的電性能測試方法、研究進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，本文的研究內容對這些太陽電池同樣具有參考價值。