2018年中国光伏技术发展报告(5)

■ 中国可再生能源学会光伏专业委员会

2.3.1.4 光致衰减的研究进展

由于p型硅衬底的太阳电池含有硼、铁、氧等元素，存在光辐照时不稳定的特性。IEA对这些不稳定性进行了归纳，如图22所示，由图可知，大部分的不稳定性是由组件封装导致的，但是仍有0.5%～5%的不稳定性属于光照导致的衰减(LID)和电压诱导衰减(PID)。图中的p型电池是指全铝背场常规太阳电池，而对于PERC太阳电池，人们发现了新的光致衰减现象。

图22 p型硅衬底太阳电池的稳定性[34]

2012年，有研究发现，PERC多晶硅太阳电池中除存在由硼-氧(B-O)对产生的光致衰减(LID)之外，还存在热辅助光致衰减(LeTID)现象。这种LeTID现象会随着测试时衬底温度的不同而加强。经过几年有针对性的研究发现，这种LeTID与传统的由B-O对引起的LID现象的特性不同。

LeTID的特性包括：1)光致衰减行为与光照时衬底温度有关。2)PERC多晶硅太阳电池的LeTID衰减量较Al-BSF多晶硅太阳电池大(6%～10%)；LeTID衰减需要n×102kWh/m2的辐照量才能出现明显变化。3)LeTID衰减不只与B-O对有关(掺Ga硅片仍有衰减)。4)LeTID衰减与体内的复合有关，与表面钝化特性关系不大。5)LeTID衰减在长时间加温光照后会恢复。6)LeTID衰减的特性与少数载流子注入浓度有关(Isc、FF、Voc)。7)LeTID衰减特性与电池的热历史有关。

Q-Cell和Solar World两家公司曾宣布其拥有未公开的多晶硅太阳电池LeTID解决方案。国内龙头企业协鑫、阿特斯也报道已经将PERC多晶硅太阳电池的LeTID衰减率稳定控制在1.5%以内，但具体方案未公开。

2017年国内在LeTID方面的研究并不充分，主要是国际上一些研究单位开展了相关研究[30-31]，一个比较重要的进展是发现PERC单晶硅太阳电池同样存在LeTID现象。Q-Cell公司在2017年报道了其PERC单晶硅太阳电池的LeTID结果，如图23所示。虽然该电池使用常规的B-O对稳定工艺可在25 ℃时使电池的衰减趋于稳定，但是在75 ℃时其光致衰减仍会明显增加。德国的Fraunhofer研究所也报道了PERC单晶硅太阳电池的LeTID现象[32-33]。

通过对PERC太阳电池的研究发现，LeTID现象是由于硅片中存在金属杂质所导致的。Fraunhofer研究所研究了金属铜离子在硅片光致衰减前后的行为，给出了导致其光致衰减的机理。当硅片制备完成后，金属原子以团聚的形态出现，形成所谓的金属沉淀；电池制备过程中的高温使这些金属原子的沉淀物分解扩散，形成单体金属原子；单体金属原子可在电池使用过程中在较高温度和光照共同作用下被激活，形成复合中心，使电池效率下降。

图23 Q-Cell公司报道的PERC单、多晶硅太阳电池的LeTID[34]

关于LeTID的自我恢复过程有2种解释：一种是新南威尔士大学提出的氢钝化理论，即在长期加温和光照的作用下，氢离子会进入硅片中与金属离子结合，钝化了其带电特性；另一种是欧洲的研究团队认为在长期加温和光照作用后，金属离子会运动到晶界、位错和表面附近等能量低的区域，使其失去了捕获载流子的活性。

这2种机理都获得了一些实验结论的支持：1)Bredemeier等发现，使用较低的烧结温度(600℃)处理PERC太阳电池，其LeTID较低；而以较高烧结温度(900 ℃)处理PERC太阳电池则会产生较强的LeTID。2)电池制备完成后的低温退火(620～660 ℃)过程可以减少LeTID，这是因为低温退火可以导致金属原子(如Cu)沉淀的形成。3)Eberle等发现，在金属电极烧结过程中的快速冷却会导致较强的LeTID，而慢速冷却导致较弱的LeTID。这是因为慢速冷却可以形成较多的Cu沉淀。

图24显示了太阳电池电极烧结曲线对于电池LeTID的影响。由图可知，采用烧结曲线升降温较为平缓的工艺制备的太阳电池的LeTID较低，甚至没有，而采用较陡的烧结曲线工艺制备的太阳电池的LeTID较大。

图24 太阳电池金属电极烧结曲线对电池LeTID的影响[35]

目前，研究认为太阳电池的LeTID现象有3种类型：非金属杂质缺陷(B-O对)引起的光致衰减；金属杂质缺陷(Cu、Fe等过渡金属)引起的光致衰减；金属与非金属复合缺陷(Fe-B对)引起的光致衰减。

B-O对与Fe-B对引起的光致衰减均为LID，在室温光照下即可出现，并且在较低的太阳辐照量和较低的退火温度处理时即可恢复。而金属杂质缺陷引起的LeTID在室温下和短时间的太阳辐照时无法显现出来，需在较高的温度(＞50℃)结合更长时间的太阳辐照量(＞100kWh/m2)才会出现，而且其恢复的条件也较为苛刻，常需要较高的温度(＞50℃)和较大的辐照量(＞500kWh/m2)。

研究将LeTID归因于金属离子引起的光致衰减，特别是在PERC单晶硅太阳电池中也发现LeTID之后，人们开始认为LeTID是一种更为普遍的光致衰减现象，因为无论是在单晶硅片还是多晶硅片中都存在金属离子，因此都会出现LeTID现象；进而由于无论是PERC太阳电池还是BSF太阳电池，也都存在金属离子，因此也都会出现LeTID现象。如此可以进一步推断，在n型硅片中也存在金属离子，那是否也存在LeTID现象？但这些问题有待进一步开展研究。由于这种光致衰减与金属离子有关，但是具体是哪种金属杂质起作用尚无明确的研究结论；有研究表明，光致衰减与Cu有很大关系[36-37]，但也有Al可能参与其中的报道[38]。因此，进一步降低太阳能级硅材料金属离子的含量和电池制备过程中金属离子的沾污，都将有助于降低LeTID。表6将LID与LeTID现象进行了比较。

表6 LID与LeTID现象的比较

到2017年年底为止，还未见到国内电池企业或研究单位对PERC太阳电池的光致衰减进行系统的研究报道，而许多报道仍将LID和LeTID现象混淆，在测试时未按照较为严格的LeTID条件进行测试，即在太阳辐照时保持衬底温度较高，并且进行充分、长时间的辐照实验，因此所得出的结论往往比较混乱。此外，在国内安装有PERC太阳电池的光伏发电系统，一般仅有1～2年的运营时间，还无法进行数据的积累，但相信随着研究的深入和光伏发电系统的长时间运行，这一问题会被更加清晰的认识。此前协鑫、阿特斯相继对外报道了PERC多晶硅太阳电池LeTID的最新研究进展，在高温长时间测试条件下衰减率可稳定控制在1.5%以内，但具体技术细节未公开。

2.3.2 n型硅PERT太阳电池

2.3.2.1 发展概况

与PERC太阳电池相比，n型硅双面钝化(PERT)太阳电池使用n型硅衬底代替p型硅，同时制成了双面都能受光的太阳电池。相对于p型硅电池，n型硅电池效率的LID极低；此外n型硅对某些金属杂质的敏感性低，在相同的杂质浓度下，n型硅比p型硅有更高的少数载流子寿命。这些特性导致了n型硅电池比p型硅电池具有寿命长和效率高的特点，使产业化的高效率电池开始从p型硅转移到n型硅[25-26,39-40]。由于n型硅电池在制备过程中采用磷扩散(注入)背场代替了传统p型硅电池的铝浆背场，因此其适合制备双面电池，可提高单位电池面积的发电量，降低发电成本。

从2010年起，PERT太阳电池逐渐进入量产和扩展阶段。我国是最早的n型硅PERT太阳电池和组件产业化的推动者，英利从2009年开始致力于高效n型硅PERT太阳电池的研发及产业化；2010年其将高效PERT太阳电池推向了国际市场[41-42]，产业化和实验室效率分别达到了18.5%和19%；2013年实验室的认证效率达到了20.5%；2017年提升至22.5%。图25为英利的n型硅PERT双面电池效率提升过程。

图25 英利n型硅PERT双面电池效率提升过程

同期国际方面，荷兰的国家能源研究中心(ECN)、德国的Fraunhofer研究所、比利时的IMEC研究所、澳大利亚新南威尔士大学也在开展高效PERT双面电池的研究；韩国LG公司，德国Bosch Solar、Q-cell等公司也开始了PERT双面电池的研发与产业化。2013年以后，PERT太阳电池得到了较快的发展。2014年德国的Fraunhofer研究所的PERT太阳电池效率达到了22.7%[43]；2015年IMEC发布了n型背面结大面积PERT太阳电池的最新进展，在6英寸n型硅片上实现了22.5%的转换效率[44]。2016年，IMEC在背面结上进一步提高效率，达到了22.6%[45]。

在n型硅和双面电池优势的持续推动下，近几年我国的n型硅PERT太阳电池从研发、产业化到市场应用出现了大发展的势头。n型双面电池效率不断突破，技术的发展方向也各不相同，双面热扩散、掺杂浆料、离子注入等方式都有产业化应用案例[46-48]。我国的天合、航天机电、中来股份、林洋光伏、协鑫集成、中科院半导体所、上海交通大学、中科院微电子所、中山大学等单位都开展了n型硅PERT太阳电池的研发。2014年，天合光能第三方认证的n型硅PERT太阳电池在5英寸n型硅片上实现了21.98%的转换效率；2016年，上海交通大学的n型硅PERT太阳电池效率达到了21.3%。

在产业化和市场方面，n型硅PERT双面电池是一种已被市场认可且有产品销售的高转换效率产品。从2010年英利推出首个n型硅双面电池(熊猫)开始，n型硅双面电池就已经崭露头角。其突出的优点就是背面的发电增益，小型系统模拟的现实背面发电贡献为10%～30%。增益基于双面光伏组件的封装方式，其差别来自于应用安装导致的地面光反射率的不同。目前，国内外比较知名的双面电池产业化公司包括：英利、中来、航天机电、林洋、台湾英稳达、韩国LG等。2017年，PERT太阳电池的产业化平均效率约为21%，电池效率的双面比为0.85～0.9。2016年，中来在江苏泰州开工建设的2.1 GW的n型硅双面电池项目一期完工，2017年启动了二期建设。2016年，林洋光伏也宣布在江苏启东开展2 GW双面电池项目，并于2017年8月宣布建成了400 MW的n型硅PERT太阳电池生产线，开始了高效n型双面电池的量产。

目前，n型硅PERT双面组件由于高双面比、良好的弱光响应与超低的光致衰减率等诸多优势，在我国企业的推动下开始批量进入市场，应用方式也趋于多样化。在我国大型地面电站应用方面，大同“领跑者”示范项目中，世界上最大的英利50 MW的n型硅PERT双面光伏电站的月发电量的背面增益可达16%。中来n型双面双玻4 kW宁夏户外光伏系统测试显示，n型双面双玻光伏组件每kW发电量较p型常规单晶硅光伏组件的增益最高可达29.1%。图26为英利在保定户外组件实验基地时，熊猫n型硅双面光伏组件与常规晶硅光伏组件的全年发电量对比情况。从图中可以看出，熊猫n型硅双面光伏组件的全年发电量比常规晶硅光伏组件的高21%。

图26 熊猫n型硅双面光伏组件与常规晶硅光伏组件的全年发电量对比

我国的英利、天合等企业积极主导和参与了国际IEC、SEMI标准组织，中国光伏行业协会标准委员会、中国质量认证中心、建衡认证等起草制定了双面光伏组件的测试标准，综合这些标准草案，在综合功率计算方面取得一致，支持背面辐照度按照100 W/m2来计算综合功率。按100 W/m2的辐照度计算，双面率70%～90%的组件的正面增益可折算为7%～9%。由英利、天合、阿特斯、晶科等企业共同起草的SEMI双面组件测试标准和光伏行业团体标准已完成标准编制工作，在2018年下半年发布。

2.3.2.2 技术及产业化进展

英利n型PERT双面太阳电池的结构如图27所示。其技术特点包括：1)使用n型衬底硅片；2)在前表面进行硼掺杂制备p型发射区；3)在背表面进行磷掺杂制备n++背场；4)前表面钝化p型区不宜直接使用SiNx膜，因此有2种选择，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膜钝化；6)前电极使用Ag/Al电极；7)背表面使用Ag电池。

图27 英利n型PERT双面太阳电池的结构

表7列出了目前制备n型PERT太阳电池的各种工艺方法与提供这些工艺方法所需设备的供应商，以及我国生产厂家采用这些工艺的情况。

表7 n型PERT太阳电池的技术解决方案

英利公司2017年报道了其n型PERT双面电池的最高效率为22.01%，Voc为666.8 mV，Jsc为40.01 mA/cm2，FF为82.5%，面积为244.3 cm2；背表面的效率为20.17%，Voc为662.6 mV，Jsc为36.82 mA/cm2，FF为82.67%，双面率大于90%。

林洋公司报道了其双面电池的最高效率区间为21.2%～21.4%，采用最简单的n型PERT技术，即双面均扩散且均使用SiO2/SiNx钝化膜，组件的最高功率为305 W。

2017年，航天机电公司报道了其n型PERT双面单晶硅太阳电池的效率为21.34%，Voc为655.9 mV，Jsc为40.74 mA/cm2，FF为80.24%，采用离子注入磷制备背场。同年，该公司的一个新进展是研究了铸锭制备n型PERT单晶硅太阳电池，该类电池的最高效率为20.74%，Voc为643.4 mV，Jsc为40.31 mA/cm2，FF为79.99%，小批量的平均值为20.47%。这种探索为此类电池找到了一种新的降低成本的路线。 (待续)