■ 中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)光伏專業(yè)委員會(huì)

2.3.1.4 光致衰減的研究進(jìn)展

由于p型硅襯底的太陽(yáng)電池含有硼、鐵、氧等元素，存在光輻照時(shí)不穩(wěn)定的特性。IEA對(duì)這些不穩(wěn)定性進(jìn)行了歸納，如圖22所示，由圖可知，大部分的不穩(wěn)定性是由組件封裝導(dǎo)致的，但是仍有0.5%～5%的不穩(wěn)定性屬于光照導(dǎo)致的衰減(LID)和電壓誘導(dǎo)衰減(PID)。圖中的p型電池是指全鋁背場(chǎng)常規(guī)太陽(yáng)電池，而對(duì)于PERC太陽(yáng)電池，人們發(fā)現(xiàn)了新的光致衰減現(xiàn)象。

圖22 p型硅襯底太陽(yáng)電池的穩(wěn)定性[34]

2012年，有研究發(fā)現(xiàn)，PERC多晶硅太陽(yáng)電池中除存在由硼-氧(B-O)對(duì)產(chǎn)生的光致衰減(LID)之外，還存在熱輔助光致衰減(LeTID)現(xiàn)象。這種LeTID現(xiàn)象會(huì)隨著測(cè)試時(shí)襯底溫度的不同而加強(qiáng)。經(jīng)過(guò)幾年有針對(duì)性的研究發(fā)現(xiàn)，這種LeTID與傳統(tǒng)的由B-O對(duì)引起的LID現(xiàn)象的特性不同。

LeTID的特性包括：1)光致衰減行為與光照時(shí)襯底溫度有關(guān)。2)PERC多晶硅太陽(yáng)電池的LeTID衰減量較Al-BSF多晶硅太陽(yáng)電池大(6%～10%)；LeTID衰減需要n×102kWh/m2的輻照量才能出現(xiàn)明顯變化。3)LeTID衰減不只與B-O對(duì)有關(guān)(摻Ga硅片仍有衰減)。4)LeTID衰減與體內(nèi)的復(fù)合有關(guān)，與表面鈍化特性關(guān)系不大。5)LeTID衰減在長(zhǎng)時(shí)間加溫光照后會(huì)恢復(fù)。6)LeTID衰減的特性與少數(shù)載流子注入濃度有關(guān)(Isc、FF、Voc)。7)LeTID衰減特性與電池的熱歷史有關(guān)。

Q-Cell和Solar World兩家公司曾宣布其擁有未公開(kāi)的多晶硅太陽(yáng)電池LeTID解決方案。國(guó)內(nèi)龍頭企業(yè)協(xié)鑫、阿特斯也報(bào)道已經(jīng)將PERC多晶硅太陽(yáng)電池的LeTID衰減率穩(wěn)定控制在1.5%以內(nèi)，但具體方案未公開(kāi)。

2017年國(guó)內(nèi)在LeTID方面的研究并不充分，主要是國(guó)際上一些研究單位開(kāi)展了相關(guān)研究[30-31]，一個(gè)比較重要的進(jìn)展是發(fā)現(xiàn)PERC單晶硅太陽(yáng)電池同樣存在LeTID現(xiàn)象。Q-Cell公司在2017年報(bào)道了其PERC單晶硅太陽(yáng)電池的LeTID結(jié)果，如圖23所示。雖然該電池使用常規(guī)的B-O對(duì)穩(wěn)定工藝可在25 ℃時(shí)使電池的衰減趨于穩(wěn)定，但是在75 ℃時(shí)其光致衰減仍會(huì)明顯增加。德國(guó)的Fraunhofer研究所也報(bào)道了PERC單晶硅太陽(yáng)電池的LeTID現(xiàn)象[32-33]。

通過(guò)對(duì)PERC太陽(yáng)電池的研究發(fā)現(xiàn)，LeTID現(xiàn)象是由于硅片中存在金屬雜質(zhì)所導(dǎo)致的。Fraunhofer研究所研究了金屬銅離子在硅片光致衰減前后的行為，給出了導(dǎo)致其光致衰減的機(jī)理。當(dāng)硅片制備完成后，金屬原子以團(tuán)聚的形態(tài)出現(xiàn)，形成所謂的金屬沉淀；電池制備過(guò)程中的高溫使這些金屬原子的沉淀物分解擴(kuò)散，形成單體金屬原子；單體金屬原子可在電池使用過(guò)程中在較高溫度和光照共同作用下被激活，形成復(fù)合中心，使電池效率下降。

圖23 Q-Cell公司報(bào)道的PERC單、多晶硅太陽(yáng)電池的LeTID[34]

關(guān)于LeTID的自我恢復(fù)過(guò)程有2種解釋：一種是新南威爾士大學(xué)提出的氫鈍化理論，即在長(zhǎng)期加溫和光照的作用下，氫離子會(huì)進(jìn)入硅片中與金屬離子結(jié)合，鈍化了其帶電特性；另一種是歐洲的研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為在長(zhǎng)期加溫和光照作用后，金屬離子會(huì)運(yùn)動(dòng)到晶界、位錯(cuò)和表面附近等能量低的區(qū)域，使其失去了捕獲載流子的活性。

這2種機(jī)理都獲得了一些實(shí)驗(yàn)結(jié)論的支持：1)Bredemeier等發(fā)現(xiàn)，使用較低的燒結(jié)溫度(600℃)處理PERC太陽(yáng)電池，其LeTID較低；而以較高燒結(jié)溫度(900 ℃)處理PERC太陽(yáng)電池則會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的LeTID。2)電池制備完成后的低溫退火(620～660 ℃)過(guò)程可以減少LeTID，這是因?yàn)榈蜏赝嘶鹂梢詫?dǎo)致金屬原子(如Cu)沉淀的形成。3)Eberle等發(fā)現(xiàn)，在金屬電極燒結(jié)過(guò)程中的快速冷卻會(huì)導(dǎo)致較強(qiáng)的LeTID，而慢速冷卻導(dǎo)致較弱的LeTID。這是因?yàn)槁倮鋮s可以形成較多的Cu沉淀。

圖24顯示了太陽(yáng)電池電極燒結(jié)曲線對(duì)于電池LeTID的影響。由圖可知，采用燒結(jié)曲線升降溫較為平緩的工藝制備的太陽(yáng)電池的LeTID較低，甚至沒(méi)有，而采用較陡的燒結(jié)曲線工藝制備的太陽(yáng)電池的LeTID較大。

圖24 太陽(yáng)電池金屬電極燒結(jié)曲線對(duì)電池LeTID的影響[35]

目前，研究認(rèn)為太陽(yáng)電池的LeTID現(xiàn)象有3種類型：非金屬雜質(zhì)缺陷(B-O對(duì))引起的光致衰減；金屬雜質(zhì)缺陷(Cu、Fe等過(guò)渡金屬)引起的光致衰減；金屬與非金屬?gòu)?fù)合缺陷(Fe-B對(duì))引起的光致衰減。

B-O對(duì)與Fe-B對(duì)引起的光致衰減均為L(zhǎng)ID，在室溫光照下即可出現(xiàn)，并且在較低的太陽(yáng)輻照量和較低的退火溫度處理時(shí)即可恢復(fù)。而金屬雜質(zhì)缺陷引起的LeTID在室溫下和短時(shí)間的太陽(yáng)輻照時(shí)無(wú)法顯現(xiàn)出來(lái)，需在較高的溫度(＞50℃)結(jié)合更長(zhǎng)時(shí)間的太陽(yáng)輻照量(＞100kWh/m2)才會(huì)出現(xiàn)，而且其恢復(fù)的條件也較為苛刻，常需要較高的溫度(＞50℃)和較大的輻照量(＞500kWh/m2)。

研究將LeTID歸因于金屬離子引起的光致衰減，特別是在PERC單晶硅太陽(yáng)電池中也發(fā)現(xiàn)LeTID之后，人們開(kāi)始認(rèn)為L(zhǎng)eTID是一種更為普遍的光致衰減現(xiàn)象，因?yàn)闊o(wú)論是在單晶硅片還是多晶硅片中都存在金屬離子，因此都會(huì)出現(xiàn)LeTID現(xiàn)象；進(jìn)而由于無(wú)論是PERC太陽(yáng)電池還是BSF太陽(yáng)電池，也都存在金屬離子，因此也都會(huì)出現(xiàn)LeTID現(xiàn)象。如此可以進(jìn)一步推斷，在n型硅片中也存在金屬離子，那是否也存在LeTID現(xiàn)象？但這些問(wèn)題有待進(jìn)一步開(kāi)展研究。由于這種光致衰減與金屬離子有關(guān)，但是具體是哪種金屬雜質(zhì)起作用尚無(wú)明確的研究結(jié)論；有研究表明，光致衰減與Cu有很大關(guān)系[36-37]，但也有Al可能參與其中的報(bào)道[38]。因此，進(jìn)一步降低太陽(yáng)能級(jí)硅材料金屬離子的含量和電池制備過(guò)程中金屬離子的沾污，都將有助于降低LeTID。表6將LID與LeTID現(xiàn)象進(jìn)行了比較。

表6 LID與LeTID現(xiàn)象的比較

到2017年年底為止，還未見(jiàn)到國(guó)內(nèi)電池企業(yè)或研究單位對(duì)PERC太陽(yáng)電池的光致衰減進(jìn)行系統(tǒng)的研究報(bào)道，而許多報(bào)道仍將LID和LeTID現(xiàn)象混淆，在測(cè)試時(shí)未按照較為嚴(yán)格的LeTID條件進(jìn)行測(cè)試，即在太陽(yáng)輻照時(shí)保持襯底溫度較高，并且進(jìn)行充分、長(zhǎng)時(shí)間的輻照實(shí)驗(yàn)，因此所得出的結(jié)論往往比較混亂。此外，在國(guó)內(nèi)安裝有PERC太陽(yáng)電池的光伏發(fā)電系統(tǒng)，一般僅有1～2年的運(yùn)營(yíng)時(shí)間，還無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)的積累，但相信隨著研究的深入和光伏發(fā)電系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，這一問(wèn)題會(huì)被更加清晰的認(rèn)識(shí)。此前協(xié)鑫、阿特斯相繼對(duì)外報(bào)道了PERC多晶硅太陽(yáng)電池LeTID的最新研究進(jìn)展，在高溫長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試條件下衰減率可穩(wěn)定控制在1.5%以內(nèi)，但具體技術(shù)細(xì)節(jié)未公開(kāi)。

2.3.2 n型硅PERT太陽(yáng)電池

2.3.2.1 發(fā)展概況

與PERC太陽(yáng)電池相比，n型硅雙面鈍化(PERT)太陽(yáng)電池使用n型硅襯底代替p型硅，同時(shí)制成了雙面都能受光的太陽(yáng)電池。相對(duì)于p型硅電池，n型硅電池效率的LID極低；此外n型硅對(duì)某些金屬雜質(zhì)的敏感性低，在相同的雜質(zhì)濃度下，n型硅比p型硅有更高的少數(shù)載流子壽命。這些特性導(dǎo)致了n型硅電池比p型硅電池具有壽命長(zhǎng)和效率高的特點(diǎn)，使產(chǎn)業(yè)化的高效率電池開(kāi)始從p型硅轉(zhuǎn)移到n型硅[25-26,39-40]。由于n型硅電池在制備過(guò)程中采用磷擴(kuò)散(注入)背場(chǎng)代替了傳統(tǒng)p型硅電池的鋁漿背場(chǎng)，因此其適合制備雙面電池，可提高單位電池面積的發(fā)電量，降低發(fā)電成本。

從2010年起，PERT太陽(yáng)電池逐漸進(jìn)入量產(chǎn)和擴(kuò)展階段。我國(guó)是最早的n型硅PERT太陽(yáng)電池和組件產(chǎn)業(yè)化的推動(dòng)者，英利從2009年開(kāi)始致力于高效n型硅PERT太陽(yáng)電池的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化；2010年其將高效PERT太陽(yáng)電池推向了國(guó)際市場(chǎng)[41-42]，產(chǎn)業(yè)化和實(shí)驗(yàn)室效率分別達(dá)到了18.5%和19%；2013年實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)證效率達(dá)到了20.5%；2017年提升至22.5%。圖25為英利的n型硅PERT雙面電池效率提升過(guò)程。

圖25 英利n型硅PERT雙面電池效率提升過(guò)程

同期國(guó)際方面，荷蘭的國(guó)家能源研究中心(ECN)、德國(guó)的Fraunhofer研究所、比利時(shí)的IMEC研究所、澳大利亞新南威爾士大學(xué)也在開(kāi)展高效PERT雙面電池的研究；韓國(guó)LG公司，德國(guó)Bosch Solar、Q-cell等公司也開(kāi)始了PERT雙面電池的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化。2013年以后，PERT太陽(yáng)電池得到了較快的發(fā)展。2014年德國(guó)的Fraunhofer研究所的PERT太陽(yáng)電池效率達(dá)到了22.7%[43]；2015年IMEC發(fā)布了n型背面結(jié)大面積PERT太陽(yáng)電池的最新進(jìn)展，在6英寸n型硅片上實(shí)現(xiàn)了22.5%的轉(zhuǎn)換效率[44]。2016年，IMEC在背面結(jié)上進(jìn)一步提高效率，達(dá)到了22.6%[45]。

在n型硅和雙面電池優(yōu)勢(shì)的持續(xù)推動(dòng)下，近幾年我國(guó)的n型硅PERT太陽(yáng)電池從研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化到市場(chǎng)應(yīng)用出現(xiàn)了大發(fā)展的勢(shì)頭。n型雙面電池效率不斷突破，技術(shù)的發(fā)展方向也各不相同，雙面熱擴(kuò)散、摻雜漿料、離子注入等方式都有產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用案例[46-48]。我國(guó)的天合、航天機(jī)電、中來(lái)股份、林洋光伏、協(xié)鑫集成、中科院半導(dǎo)體所、上海交通大學(xué)、中科院微電子所、中山大學(xué)等單位都開(kāi)展了n型硅PERT太陽(yáng)電池的研發(fā)。2014年，天合光能第三方認(rèn)證的n型硅PERT太陽(yáng)電池在5英寸n型硅片上實(shí)現(xiàn)了21.98%的轉(zhuǎn)換效率；2016年，上海交通大學(xué)的n型硅PERT太陽(yáng)電池效率達(dá)到了21.3%。

在產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)方面，n型硅PERT雙面電池是一種已被市場(chǎng)認(rèn)可且有產(chǎn)品銷售的高轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)品。從2010年英利推出首個(gè)n型硅雙面電池(熊貓)開(kāi)始，n型硅雙面電池就已經(jīng)嶄露頭角。其突出的優(yōu)點(diǎn)就是背面的發(fā)電增益，小型系統(tǒng)模擬的現(xiàn)實(shí)背面發(fā)電貢獻(xiàn)為10%～30%。增益基于雙面光伏組件的封裝方式，其差別來(lái)自于應(yīng)用安裝導(dǎo)致的地面光反射率的不同。目前，國(guó)內(nèi)外比較知名的雙面電池產(chǎn)業(yè)化公司包括：英利、中來(lái)、航天機(jī)電、林洋、臺(tái)灣英穩(wěn)達(dá)、韓國(guó)LG等。2017年，PERT太陽(yáng)電池的產(chǎn)業(yè)化平均效率約為21%，電池效率的雙面比為0.85～0.9。2016年，中來(lái)在江蘇泰州開(kāi)工建設(shè)的2.1 GW的n型硅雙面電池項(xiàng)目一期完工，2017年啟動(dòng)了二期建設(shè)。2016年，林洋光伏也宣布在江蘇啟東開(kāi)展2 GW雙面電池項(xiàng)目，并于2017年8月宣布建成了400 MW的n型硅PERT太陽(yáng)電池生產(chǎn)線，開(kāi)始了高效n型雙面電池的量產(chǎn)。

目前，n型硅PERT雙面組件由于高雙面比、良好的弱光響應(yīng)與超低的光致衰減率等諸多優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)企業(yè)的推動(dòng)下開(kāi)始批量進(jìn)入市場(chǎng)，應(yīng)用方式也趨于多樣化。在我國(guó)大型地面電站應(yīng)用方面，大同“領(lǐng)跑者”示范項(xiàng)目中，世界上最大的英利50 MW的n型硅PERT雙面光伏電站的月發(fā)電量的背面增益可達(dá)16%。中來(lái)n型雙面雙玻4 kW寧夏戶外光伏系統(tǒng)測(cè)試顯示，n型雙面雙玻光伏組件每kW發(fā)電量較p型常規(guī)單晶硅光伏組件的增益最高可達(dá)29.1%。圖26為英利在保定戶外組件實(shí)驗(yàn)基地時(shí)，熊貓n型硅雙面光伏組件與常規(guī)晶硅光伏組件的全年發(fā)電量對(duì)比情況。從圖中可以看出，熊貓n型硅雙面光伏組件的全年發(fā)電量比常規(guī)晶硅光伏組件的高21%。

圖26 熊貓n型硅雙面光伏組件與常規(guī)晶硅光伏組件的全年發(fā)電量對(duì)比

我國(guó)的英利、天合等企業(yè)積極主導(dǎo)和參與了國(guó)際IEC、SEMI標(biāo)準(zhǔn)組織，中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)、中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心、建衡認(rèn)證等起草制定了雙面光伏組件的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，綜合這些標(biāo)準(zhǔn)草案，在綜合功率計(jì)算方面取得一致，支持背面輻照度按照100 W/m2來(lái)計(jì)算綜合功率。按100 W/m2的輻照度計(jì)算，雙面率70%～90%的組件的正面增益可折算為7%～9%。由英利、天合、阿特斯、晶科等企業(yè)共同起草的SEMI雙面組件測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和光伏行業(yè)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)已完成標(biāo)準(zhǔn)編制工作，在2018年下半年發(fā)布。

2.3.2.2 技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

英利n型PERT雙面太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)如圖27所示。其技術(shù)特點(diǎn)包括：1)使用n型襯底硅片；2)在前表面進(jìn)行硼摻雜制備p型發(fā)射區(qū)；3)在背表面進(jìn)行磷摻雜制備n++背場(chǎng)；4)前表面鈍化p型區(qū)不宜直接使用SiNx膜，因此有2種選擇，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膜鈍化；6)前電極使用Ag/Al電極；7)背表面使用Ag電池。

圖27 英利n型PERT雙面太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)

表7列出了目前制備n型PERT太陽(yáng)電池的各種工藝方法與提供這些工藝方法所需設(shè)備的供應(yīng)商，以及我國(guó)生產(chǎn)廠家采用這些工藝的情況。

表7 n型PERT太陽(yáng)電池的技術(shù)解決方案

英利公司2017年報(bào)道了其n型PERT雙面電池的最高效率為22.01%，Voc為666.8 mV，Jsc為40.01 mA/cm2，F(xiàn)F為82.5%，面積為244.3 cm2；背表面的效率為20.17%，Voc為662.6 mV，Jsc為36.82 mA/cm2，F(xiàn)F為82.67%，雙面率大于90%。

林洋公司報(bào)道了其雙面電池的最高效率區(qū)間為21.2%～21.4%，采用最簡(jiǎn)單的n型PERT技術(shù)，即雙面均擴(kuò)散且均使用SiO2/SiNx鈍化膜，組件的最高功率為305 W。

2017年，航天機(jī)電公司報(bào)道了其n型PERT雙面單晶硅太陽(yáng)電池的效率為21.34%，Voc為655.9 mV，Jsc為40.74 mA/cm2，F(xiàn)F為80.24%，采用離子注入磷制備背場(chǎng)。同年，該公司的一個(gè)新進(jìn)展是研究了鑄錠制備n型PERT單晶硅太陽(yáng)電池，該類電池的最高效率為20.74%，Voc為643.4 mV，Jsc為40.31 mA/cm2，F(xiàn)F為79.99%，小批量的平均值為20.47%。這種探索為此類電池找到了一種新的降低成本的路線。 (待續(xù))