不同类型组件发电性能对比研究

赵邦桂 李 博 杨振英 常洛嘉 付生军

（1.青海黄河上游水电开发有限责任公司西宁太阳能电力分公司，青海 西宁 810007；2.国家电力投资集团有限公司，北京 100029；3.青海黄河上游水电开发有限责任公司太阳能电池及组件研发实验室，青海 西宁 810007）

0 引言

太阳能电力是传统能源向绿色能源转变的主力军和新型发电技术，其主要原理是利用太阳电池的光生伏特效应，将太阳辐照转换为电能，被认为是最有发展潜力的清洁能源之一，尤其随着我国提出“3060”双碳目标以来，太阳能电力受到更多清洁能源建设者的热捧。目前太阳能电力市场主要以p型PERC电池组件应用为主，p型PERC电池的量产效率已达到理论极限，其度电成本已基本与火电上网电价持平，但随着近几年多晶硅价格飙涨和封装材料的价格上升，太阳能电力价格依然居高不下。为降低太阳能电力成本、实现平价上网、早日实现我国碳达峰、碳中和的双碳目标，提高电池及组件转换效率、降低度电成本仍是未来光伏产业技术发展的两大课题。提升电池及组件转换效率的最有效途径是开发新型高效电池技术并大幅提升其转换效率[1]。

1 新型电池技术

太阳能电力市场应用较多、较为成熟的电池技术为掺硼的p型电池，目前正面制备有选择性发射结、背面沉积AlOX/SiNX的p型PERC电池，结构如图1所示，量产效率已达到22.5%。要在不增加单瓦成本的基础上，继续通过工艺改造和材料性能优化来提高PERC电池效率几乎已无上升空间。研究人员将突破的重点转为新型电池技术的研究，并取得了卓有成效的突破。目前国内外研究较多的新型太阳电池主要有MWT电池和n型HJT电池、TOPCon电池、IBC电池等。

图1 PERC电池结构示意图

MWT电池结构示意图如图2所示。MWT电池采用激光打孔、背面布线的技术消除正面电极的主栅，正面电极细栅收集的电流通过孔洞中的银浆引到电池背面[2]。电池的正负电极均分布在电池背面，有效减少了正面栅线的遮光面积，提高了电池转换效率，同时也降低了银浆耗量和金属电极-发射极界面的少子复合损失。这种电池封装时无须焊带互联，避免了焊接应力和微裂纹导致的功率衰减。目前国内MWT电池转换效率已达到23%以上，组件转换效率达到21.8%。

图2 MWT电池结构示意图

HJT电池是采用异质结的N型太阳电池，结构如图3所示。它在p型氢化非晶硅、和n型氢化非晶硅与n型硅衬底之间增加一层本征氢化非晶硅薄膜，形成异质结，以降低电池表面态密度并减少复合损失，使开路电压明显提升，进而得到更高的转换效率[3]。目前HJT电池的量产效率已达到24.6%，组件转换效率达到22.7%，双面率高达85%。

图3 HJT电池结构示意图

TOPCon电池是一种基于选择性载流子的隧穿氧化层钝化接触技术，其结构是在电池背面制备一层超薄氧化硅层，然后再沉积一层掺杂硅薄层，二者共同形成钝化接触结构，可有效降低表面复合和金属接触复合[4]。TOPCon电池的概念最早由德国Fraunhofer ISE于2013年提出，结构如图4所示。目前TOPCon电池的研发效率已达到26.1%，组件转换效率达到24.24%，双面率为80%~85%。

图4 TOPCon电池结构示意图

IBC电池是将p-n结、基底与发射区的接触电极以叉指状分布在电池背面，完全消除了前表面栅线对太阳光的遮挡，为前表面陷光结构和实现更低反射率提供了更大的优化空间和提升潜力，同时无须考虑前表面减反射结构对电极接触的影响。该结构能够使电池正面最大限度吸收太阳光，提高电池转换效率，且外表更美观，结构如图5所示。目前国内IBC电池的研发转化效率已达到25%，组件转换效率达到22.3%，双面率在65%以上。

图5 IBC电池结构示意图

2 不同类型组件发电性能对比

为验证各种不同类型组件的发电性能，为光伏电站建设提供数据支撑和选型参考，该文设计了不同类型组件对比试验方案，搭建了户外实证平台。选取了p型PERC组件（M2）、MWT组件（M6）、n型HJT组件、IBC组件（M6）和TOPCon组件阵列作为对比样本，并以p型PERC组件（M2）阵列为基准参照样本。这些阵列的组件均采用相同的功率测试仪、安装支架和安装倾角、温度传感器、微型逆变器、数据传输模块等。

2.1 不同类型组件初始功率测试

使用同一测试仪，采用与测试组件同类型标准组件校准测试仪后，在标准测试条件下（光谱AM1.5、辐照度1000W/m2、测试温度25±2℃）[5]测试各组件电性能，结果见表1。

表1 不同类型组件初始功率测试

2.2 不同类型组件运行温度对比

监测对比样本中p型PERC组件、n型HJT组件、IBC组件和TOPCon组件同一天在不同辐照区间的运行温度，结果见表2。由此发现TOPCon组件和IBC组件的运行温度相对较低，HJT组件的运行温度较高，p型PERC组件运行温度最高。同时对比某月n型组件与常规PERC组件的日平均运行温度，发现n型组件运行温度明显低于p型PERC组件运行温度。

表2 不同辐照条件下各类组件运行温度对比表

2.3 不同类型单玻组件单瓦发电量对比

监测p型PERC组件（M2）、MWT组件（M6）、IBC组件（M6）对比样本5月~9月的发电量，并剔除受天气因素和设备故障影响的异常数据[6-7]，不同类型组件单瓦发电量与基准对照阵列单瓦发电量对比结果如图6所示。

从图6可看出，和基准对照组件阵列（p型PERC组件）相比，n型IBC组件累计单瓦发电量高2.4%，MWT组件累计单瓦发电量低0.43%。由此可见，n型IBC组件比p型PERC组件和MWT组件累计单瓦发电量更高。主要原因是IBC组件弱光性能更好，在早晚辐照较低时启动时间更早，停发时间更晚，发电增益更多，温度系数低，在正午辐照量较高、环境温度较高条件下电性能变化幅度更小，发电量更稳定。

图6 不同类型组件累计单瓦发电量对比图

2.4 双玻组件单瓦发电量对比

监测p型PERC双玻组件、n型TOPCon双玻组件和IBC双玻组件对比样本5月~9月累计发电量，n型TOPCon双玻组件和IBC双玻组件累计单瓦发电量与基准对照子阵累计单瓦发电量对比结果如图7所示。

从图7可看出，n型TOPCon双玻组件和IBC双玻组件累计单瓦发电量比基准对照阵列（p型PERC组件）分别高13.96%、7.31%，可见n型双玻组件比p型PERC双玻组件的累计单瓦发电能力更高，且TOPCon双玻组件比IBC双玻组件累计单瓦发电量高。主要原因是TOPCon双玻组件双面率更高，组件背面接收地面反射的太阳辐射和周围散射光辐射产生的发电增益更多。由于IBC组件中电池细栅和主栅均设计在背面，对地面反射和周围散射的太阳辐射有遮挡现象，因此双玻IBC组件双面率比TOPCon双玻组件双面率低，发电增益不够明显。

图7 不同类型双玻组件累计单瓦发电量对比图

3 结语

该文详细分析了太阳能电力市场上几种新型电池结构特点及研究进展，设计试验并搭建户外实证平台，对比了不同类型电池组件的运行温度、单玻组件累计单瓦发电量、双玻组件累计单瓦发电量。研究表明，在相同环境条件下，n型IBC单玻组件比p型PERC单玻组件和MWT单玻组件累计单瓦发电量更高；n型双玻组件比p型PERC双玻组件累计单瓦发电能力更高，且TOPCon双玻组件比IBC双玻组件累计单瓦发电量更高，这得益于TOPCon组件比IBC组件的双面率更高。随着对不同类型组件发电性能研究的不断深入，国内外对n型高效电池组件的认可度和接受度将变得更高，尤其随着n型电池效率的不断跃升和组件单瓦成本的逐步降低，n型组件光伏发电系统的度电成本也将逐步与火力发电成本接轨[8]。加之HJT电池技术与IBC电池技术、TOPCon电池技术与IBC电池技术的耦合，HBC电池、TBC电池的研究和创新突破以及双面双玻组件技术的推广应用，n型双玻组件必将成为未来光伏发电系统建设的主流产品，也将成为我国如期实现碳达峰、碳中和目标的绿色低碳能源的中流砥柱。