n型TOPCon-PERT双面太阳电池发电特性分析

汪 洋，吕 欣，侯少攀，崇 峰

(1.黄河上游水电开发有限责任公司，西安 710000；2.西安理工大学，西安 710048；3.国家电力投资集团公司陕西分公司，西安 710000)

0 引言

光伏产业是能源转型和落实能源生产与消费革命的决定力量之一，光伏产品的降本增效是我国实现光伏发电平价上网的基础，而研制新结构、开发新工艺一直是太阳电池生产制造中的重要环节[1]。在此形势下，n型硅片以高少子寿命、无光致衰减、对金属污染不敏感等优势引起了研究人员的关注[2-3]。目前研究最多的n型太阳电池技术有本征薄膜异质结(HIT)、全背电极接触(IBC)、 异质结背接触(HBC)及钝化发射极背表面全扩散(PERT)，其中，前3者与p型太阳电池制备工艺不兼容且较为复杂，制备成本较高；而n型PERT太阳电池除了兼容p型太阳电池制备工艺外，还同时兼顾了低成本和高效率[4]。隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)技术与n型PERT太阳电池的融合更是为n型太阳电池技术提供了新的研发方向。本文通过对比n型TOPCon-PERT双面太阳电池(以下简称“n型TOPCon-PERT电池”)正面和背面的内量子效率(IQE)、外量子效率(EQE)，以及n型TOPCon-PERT双面光伏组件(以下简称“n型TOPCon-PERT组件”)、n型PERT双面光伏组件(以下简称“n型PERT组件”)和p型PERC双面光伏组件(以下简称“p型PERC组件”)的户外发电特性及衰减率等情况，对n型TOPCon-PERT电池的发电特性进行了分析。

1 IQE和EQE的实测分析

选取n型PERT双面太阳电池(以下简称“n型PERT电池”)与n型TOPCon-PERT电池各1片，分别测试2种双面太阳电池正面的EQE，测试结果如图1所示。从图1可以看出，无论是在短波波段，还是在长波波段，n型TOPCon-PERT电池的EQE均比n型PERT电池的高。究其原因，n型TOPCon-PERT电池的EQE在短波波段内的提升主要是由于硼扩散工艺的优化降低了电池前表面复合速率；而其在长波波段的提升主要得益于TOPCon结构的优势，该结构使电池的整个背面均得到了更好的钝化，有效降低了电池背面尤其是金属接触区的复合速率，提高了电池对光的吸收率[5-6]。

图1 2种双面太阳电池的EQE曲线对比图Fig. 1 Comparison graph of EQE curves of two kinds of bifacial solar cells

为进一步研究n型TOPCon-PERT电池的光谱响应特性，分别测试了该电池正面和背面的IQE、EQE及反射率，测试结果如图2所示。

图2 n型TOPCon-PERT电池正面和背面的IQE、EQE和反射率曲线Fig. 2 EQE，IQE and reflectance curves of front and rear of n-TOPCon-PERT bifacial solar cell

由图2可知，n型TOPCon-PERT电池正面的光谱响应更好，而且正面的反射率较低，对入射光子的利用率更高。这主要是因为不同波段光子的穿透系数与能量分布存在差异，短波光子的穿透能力弱，更多地是在电池表面被吸收；而长波光子的穿透能力强，更多地是在电池内部被吸收。但随着波长变长，光子能量减少，在1000 nm之后电池正面的IQE和EQE也随之降低；同时由于n型硅片形成的p-n结掺杂浓度相对较高，p+发射极结深较深，俄歇复合比较严重，所以电池正面在300～400 nm短波波段的光谱响应相对较低。电池正面和背面反射率之间的差异是由双面电池结构决定的，由于双面太阳电池的硅片需要双面制绒，但在硼扩散时，正面扩散的硼原子会同时扩散到背面，因此需对扩散过界的部分进行刻蚀，而在此过程中会破坏硅片背面的绒面结构，使背面的陷光效果相对于正面而言有所减弱。

2 户外实证发电特性分析

在我国西北部同一荒漠地区，采用相同的光伏发电系统设计，对比装机容量均为1 MWp的n型TOPCon-PERT组件、n型PERT组件及p型PERC组件2019年的年发电量情况，结果如表1所示。从表中可以看出，n型TOPCon-PERT组件的年发电量比n型PERT组件的高0.7%，比p型PERC组件的高1.6%。由此可以看出，相较于p型PERC组件，n型TOPCon-PERT组件在发电量方面的增益明显；且相较于n型PERT组件，TOPCon结构为其带来了较好的发电量提升。

分析导致上述3种双面光伏组件发电量差异的原因认为，我国西北荒漠地区的短波光谱比AM1.5标准太阳光谱分布强，这对于n型TOPCon-PERT电池来说更具有发电优势；同时，不同类型双面光伏组件运行时的温度损失与衰减损失也是造成发电量差异的重要原因[7]。

表1 不同类型双面光伏组件的年发电量对比Table 1 Comparison of annual power generation of different types of bifacial PV modules

2.1 组件运行时的温度损失分析

温度损失由光伏组件的功率温度系数及运行温度共同决定。由于不同类型光伏组件的功率温度系数不同，导致组件功率随运行温度变化的速率不同，所以不同运行温度下光伏组件输出的电性能也不同。

太阳电池的输出功率由工作电流与工作电压共同决定，工作电压由半导体材料的禁带宽度与费米能级决定，随着温度升高，费米能级就会越靠近价带，工作电压会在一个较大范围内变小；而工作电流受温度影响的变化很小。当工作电流I基本不变，工作电压U大幅度变化时，由功率P的计算公式P=UI可知，功率的变化趋势与工作电压基本一致。因此，功率温度系数越大、运行温度越高，在相同条件下运行时，光伏组件发电量受温度的影响越大。由表1可知，2种n型双面光伏组件的功率温度系数与p型双面光伏组件相差的0.06%/℃，而组件在运行时的温度可达70℃。由于n型TOPCon-PERT组件的功率温度系数较低，因此其在夏季环境温度较高时的温度损失相对较小，而在冬季时与其他2种双面光伏组件的温度损失基本相当。

进一步收集夏季不同太阳辐照度(太阳辐照度>50 W/m2)下p型PERC组件和n型TOPCon-PERT组件的运行温度，具体如表2所示。从表中可以发现，n型TOPCon-PERT组件的运行温度整体低于p型PERC组件的，所以其温度损失相对较少。

表2 夏季不同太阳辐照度下2种类型双面光伏组件的运行温度Table 2 Operating temperature of two types of bifacial PV modules at different solar irradiance in summer

2.2 组件的衰减损失分析

衰减损失也是影响光伏组件发电量的重要因素之一，在电站运行过程中，光伏组件发电量随着组件的衰减而逐年降低。光伏组件的综合衰减率一般主要包括太阳电池的光致衰减和材料的老化衰减，而材料老化衰减是各类光伏组件普遍存在的现象。为了了解p型PERC组件和n型TOPCon-PERT组件的衰减特性，在组件支架上安装了在线式I-V测试仪，对2种组件的衰减特性进行了实证分析。通过I-V曲线与气象数据，将衰减率计算结果换算到同一条件下进行对比，具体如表3所示。

表3 2种双面光伏组件首年综合衰减率的计算结果Table 3 Calculation results of comprehensive degradations rate in first year of two types of bifacial PV modules

由于实验所用p型PERC组件的电池硅片采用的是掺B工艺，硅片内部存在B-O复合体，导致电池发生了光致衰减；但在光照条件下，此种电池的硅片内部的B-O复合对会变成激活态，从而形成缺陷能级，因此在进行预处理同时辅助光照的条件下，会进一步使B-O复合体从激活态重新失活，电池性能也能得以恢复。而n型TOPCon-PERT组件的电池硅片不含B-O复合体，因此基本不存在光致衰减现象。

从表3中可以看出，2种双面光伏组件的首年综合衰减率相差0.91%，这表明n型TOPCon-PERT组件的抗衰减特性优于p型PERC组件。电池的光致衰减主要发生在首年，同时伴随着较小的材料老化衰减，之后电池的光致衰减基本完成，衰减方式主要为材料老化衰减。由于这2种双面光伏组件所采用的主要原、辅材料相同，因此可认为二者的材料老化衰减率基本接近，从而也说明了n型TOPCon-PERT电池的整体抗衰减特性优于p型PERC电池。

3 结论

本文分析了n型TOPCon-PERT电池自身的IQE及EQE，并将n型TOPCon-PERT电池的EQE与n型PERT电池的进行了对比，最后分析了n型TOPCon-PERT组件与其他2种双面光伏组件的户外发电特性及衰减率等情况，得到以下结论：

1) n型TOPCon-PERT电池的EQE曲线整体优于n型PERT电池的，且在短波波段与长波波段均较为明显。

2)相较于n型PERT组件，n型TOPCon-PERT组件具有0.7%的年发电量增益，经济性更高。