双面异质结光伏组件：目前发电效率最高的商用组件及其测试方法
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作者｜ Eric Gerritsen，Elias Garcia Goma等
出品｜PV-Tech（ID:PVTechCN）
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近年来的技术进步和工业制造工艺优化使得硅异质结成为最具吸引力的光伏技术之一，这要得益于其固有的双面特性，提供了最高水平的双面增益。来自CEA-INES和Eternalsun Spire的研究人员探究了实际户外条件下双面异质结组件的性能稳定性和特性参数，并与本行业最广泛使用的技术—PERC组件进行比较。
相比于标准的钝化发射极和背局域接触(PERC)电池，硅异质结(SHJ)太阳能电池只需要更少的制造步骤(只有5到7步)，使之工艺控制更为简单(在均匀性和缺陷率方面)。近年来，SHJ技术在规模制造准备度方面迅速完善，例如组件效率超过了24%；可使用质量高且成本低的薄n型c-Si硅片；新的金属化和互连解决方案；以及用于PECVD沉积非晶硅和PVD沉积透明导电氧化物(TCO)层的低成本的大规模生产设备[1]。现在至少有20家研究机构和试验或生产线在6英寸硅片上实现了该电池效率高于23%(见图1)的成果。最后但并非最不重要的一点是，SHJ技术是一种天然的双面电池技术，其双面性能大约为90-95%，而PERC电池的双面性能只有70-80%[2]。
图一：SHJ制造的未来是受生态驱动的。
如何准确测量异质结效率
新技术及其效率可能需要使用新的测试设备。传统的短脉冲隧道闪光模拟器在SHJ的 IV测量时会出现较大的偏差。如图2所示，这是由于高效率、高Voc光伏组件中固有的电容效应。短脉冲隧道闪光测量得到的效率值会比实际值偏高或偏低(这取决于IV扫描的方向)[3]。即使是使用动态IV等校正方法，测量结果[4]也会存在±0.6%的不确定度，相当于400W组件的±2.4W。
不过，高性能(和高电容)SHJ组件的测量挑战可以通过使用长脉冲闪光(超过200ms)来解决。这些长脉冲可以通过Eternalsun Spire的SPI-SUN 5600 SLP台式太阳模拟器获得，如图3所示，该设备同时适用于研发、认证和制造。
图二：左图：展示了前表面（蓝色）和背面（红色）短脉冲扫描的IV曲线，并与稳态IV测量对比。右图：展示了PERC和SHJ组件的Pmax性能与Eternalsun Spire长脉冲太阳模拟器发出的脉冲长度之间的关系。该测试能覆盖200ms以上的脉冲长度，这是传统闪光太阳模拟器无法达到的。
SHJ在低辐照度和高温下的卓越性能
了解PV组件在低于标准STC辐照度1,000W/m2时的性能是非常重要的。图4显示了在Bourget-du-Lac(法国)的CEA-INES测试现场在一个月内对PERC组件和SHJ组件进行户外监测的结果。PERC组件来自一级供应商，而SHJ组件则是在CEA-INES的试验线上与Meyer Burger和3SUN/ENEL合作生产的。结果显示，在这些户外条件下，SHJ技术在整个辐照度范围内都比PERC表现出更高的效率。
图三： 左图：来自Eternalsun Spire的SPI-SUN 5600 SLP台式模拟器。右图：在左图设备基础上增加了顶部温度控制盒，用于单边双面测试。
图四：展示了组件温度校正效率与户外辐照度(W/m2)之间的关系，这是位于Bourget-du-Lac (France)的 CEA-INES发电场在2018年8月以每分钟一次的频率收集到的数据。同时以两块商用单面PERC组件(蓝色)作为由CEA-INES试制产线制造的两块异质结组件(绿色)的参照物。散点图上的效率数据是相对于室内标准效率做了归一化处理的。图上的红色实线是财务收支平衡线，表明SHJ组件表现优于PERC。
图五：分别展示了SHJ、PERC和Al-BSF组件在由Eternalsun Spire labflasher(带温度控制盒)生成的一个太阳能辐照度下PMAX与温度的关系。
图六：在图五显示的PMAX与温度关系测试中，测量到光伏组件上9个点的温度与时间的关系。值得注意的是，在精确PMAX测试中温度是稳定的。图三展示了Eternalsun Spire 装置的测试表现。
图4中的户外效率数据是基于室内STC条件下测量的效率进行归一化处理的。STC效率影响着光伏项目投资的组件成本。因此，对于红色“收支平衡”线以上的组件，项目在财务上的表现会优于估计值，如果低于此线，则说明表现更差。
使用组件的温度系数将图4中的值校正到25°C的工作温度。该温度系数取决于技术，并且是户外发电性能的决定因素。正确确定此温度系数非常繁琐，需要严格的程序和设备，以将测量误差和不确定性降至最低。图5展示了SHJ、Al-BSF和PERC组件的温度系数示例。
图5显示了SHJ、PERC和Al-BSF组件的性能，用图3(右)所示的设置测量。可以看出，虽然购买的PERC和SHJ组件的额定功率均为295W，但在实际温度工作条件下(> 40°C)，SHJ实际上可以提供5%的功率增益。
最后，图6展示了任一技术PV组件在不同温度下准确表征一个太阳辐照度时的功率性能所需的测试程序。此过程可以在如图3中的设置中执行，并提供图5中所示的结果。
这款带温度控制盒的SPI-SUN 5600 SLP台式模拟器可以为整个组件提供非常高的温度均匀性。IEC标准建议整个组件内的温度差低于2°C。该设备的性能超出了此要求，因为它的温度差低于1°C，并适用于10°C至85°C区间内的所有温度。
双面增益与低风险(高精度)预测指导
双面性被描述为当双面都在1个太阳(1 SUN)辐照度下照射时，正面与背面的发电功率之比。虽然ISFH [5]提供的双面PERC +电池具有80%的双面性，但异质结(SHJ)电池却得益于于其对称结构而使其双面性更高(约95%)，如图7所示。
图七：分别展示了单面PERC(左)、双面PERC+电池(中间)和异质结电池(右)的结构图。
图八：展示了由Eternalsun Spire测试的两种双面表征方法。
电池和组件的双面性可被视为直接增益，通过背面反照率和利用创新光伏系统安装方式，可提供高达30%的发电输出增益。后者的一个例子是将组件垂直放置并东西朝向，这能最大限度地减少了污染损失并使土地利用(农业)最大化。Fraunhofer ISE [6]对这种垂直安装的研究表明，与PERC相比，异质结组件的双面性提高了20%，使其价格差异达到20%或30%(对于平衡电力成本(LCOE)而言)，分别为0.04欧元和0.06欧元/千瓦时。
为了强调这种发电增益，国际电工委员会(IEC)负责制定光伏组件的测试标准，决定在三种情况下标记双面光伏组件的性能。第一种，正面辐照度1,000W/m2，背面辐照度0W/m2；第二种，正面辐照度1,000W/m2，背面辐照度100W/m2；第三种是正面辐照度1,000W/m2和背面辐照度200W/m2。该标准标记为IEC 60904-1-2.
此外，该标准还描述了测试上述三种情况下发电性能的两种室内实验方法。这两种测试方法分别是双面法和单面法。
双面法是正反两面同时使用两种光源照射，设置了上述三种辐照度水平。而单面方法则分别依次照射前侧和背面，其中照射前表面时设置较高的辐照度，从而补偿缺少的背面辐照度。请注意，这两种方法都经过IEC认证，都可以用于双面光伏组件的研发测试和认证，因为它们产生的性能结果是相同的。
虽然看起来双面方法更加真实，但实际上它增加了测量的复杂性。这是因为两个光源之间存在不均匀的反射，如图8中的绿色箭头所示(顶部)。请注意，IEC 60904-1-2标准的要求之一是反射小于<3W/m2，这意味着一个太阳辐照度的0.3%。而单面方法使用带有抗反射涂层的空腔，可将反射降低至<3W/m2，这一点已经通过Eternalsun Spire的温度控制实验室闪光灯(TCLF)对IEC 60904-1-2规定的9个点进行验证和测试，如图6所示。
为了进一步证实单侧双面PV测试方法效果，CEA-INES采用了内部研发的测试方法，称为“Mother-PV” (Meteorogical, Optical and Thermal History for the Energy Rating of PhotoVoltaics) [7,8]。这种方法测量不同水平的总辐照度约1,000 W/m2的组件性能，在这种情况下适用于双面组件的两侧，用于模拟任何总(前/后)辐照度水平的性能。
该方法的主要方程是：
PMAX = ISC.(A + B.ISC + C.ISC²+ D.ln(ISC)+E.ln²(ISC))
其中A、B、C、D和E是模型的拟合参数。
总之，在将该方法应用于四种不同类型的双面组件之后，我们发现在Isc不变的情况下，如果只有正面或背面产生电流，则这些双面组件的表现都相似，因此没有任何寄生或协同效应[9]。
这个结论证明了双面组件的单面表征，这也是在2019年3月发布的IEC TS 60904-1-2测试标准中提出的。
电势诱导衰减组件的恢复能力
电势诱导衰减(PID)是过去十年光伏电站运行中遇到的难题之一。这个问题最初是1978年由JPL [10]报道的，并在2010年左右大规模爆发，这是因为组件的工作电压越来越高，远高于最初设计的600V。另外，在欧洲被广泛采用的低成本无变压器逆变器也使这种衰退情况进一步恶化。从物理学的角度来看，PID源于使用不允许接地的无变压器逆变器，使得接地组件框架和系统负极附近的光伏电池之间出现电压差。
该电压差将可移动的钠离子从玻璃驱动到在电池连接处并在不断累积，从而导致分流型(PID-s)的PID，降低FF和Rsh。当这些钠离子积聚在抗反射/钝化层中时，它们引起偏振型PID(PID-p)，降低Isc和Voc。
图九：Mother-PV方法：分别展示了测量与模拟方法得到的PMAX/ISC比值与ISC(25℃下)的关系。作为辐照度自参考的短路电流ISC描点。
对于前侧和背面都是采用玻璃封装的双面组件，电池的正面和背面可能都会出现PID问题。对于单面PERC电池，可能已经解决了前端的PID问题，但是一旦PERC电池变成双面，它们的背面，特别是AlOx / SiNx介电钝化层，可能成为CSP Halle[11]或SERIS Singapore[12]最近证明的弱点，即两者都证明来自背面的PID衰减速度是来自正面的四倍。尽管PERC前端受到分流型PID的影响，但是背面因极化类型的PID而退化：正电荷被吸引到AlOX / SiNX叠层并消除了层堆叠的场效应钝化。与PERC单元结构相反，SHJ结构是完全对称的，并且代替电介质钝化和抗反射层(Al2O3和SiN)，应用a-Si和ITO的超薄层。正如松下公布的商用HIT组件所报告的那样，这可以完全抵抗潜在的衰减[13]。
光和温度诱导组件衰减的恢复能力
光照和高温诱导的衰减(LeTID)是一种长期的衰减和再生现象，可能需要数年时间才能出现在发电现场。我们评估了一级供应商的商用PERC组件的LeTID机制，并将其与CEA-INES与Meyer Burger和3SUN / ENEL合作开发的SHJ组件进行了比较测试。
我们使用Eternalsun Spire公司提供的集成AAA太阳模拟器的专用气候室对LeTID衰减和再生的动力学进行了研究，如图10所示。该装置可用于测试任何光伏技术(如硅、薄膜或钙钛矿)的电池和组件的可靠性、衰减、再生和亚稳定性，并能控制IV测量时的辐射、温度和湿度。
图十：气候室太阳模拟器(CCSS)，能够对不同光伏技术组件进行加速温度、辐照度和湿度测试。
显然，是因为LETID机制的动态特征促使了在这个专门的气候室中进行这种现场测试。如果没有集成太阳模拟器，则间隔着进行IV测量，并且可能很容易漏掉重要节点的测试信息，例如最大衰退点和开始恢复点。图11展示了不同的市场上在售PERC组件的测试结果。
如图11所示，已经根据上述类似的方式在SHJ组件上测试了LeTID动力学。可以观察到LeTID测试条件不会引起SHJ组件的退化，反而使组件功率有效增加了几个百分点。这种改善似乎与Voc的增加密切相关，这有点类似于在SHJ组件的中等温度(32℃)下光照时出现的Voc增加[14,15]。这与PERC组件的LeTID衰减形成对比，因为PERC组件的Voc、Isc和FF都出现衰减。
图十一：对来自不同制造商的PERC组件进行现场LETID测试，显示这些组件可能出现高达5%的性能衰减，并在随后出现不同程度的恢复；而来自CEA-INES的异质结光伏组件则未发生任何的衰退，反而反向提升了约1%的性能。
图十二：对位于 Bourget-du-Lac (France)的CEA-INES发电场的组件在2016-2018年期间户外监控到的每天平均发电性能表现。红色散点代表单面PERC组件，蓝色散点代表单面SHJ组件。
图十三：组件在2016-2018年期间户外监控到的每天平均发电性能表现与每天辐照度的关系。
SHJ技术对LeTID的固有恢复特性要归因于有利的氢动力学性能(较低的饱和度和渗出)，因为与PERC(约800°C)相比，电池工艺温度相当低(<200°C)，同时与PERC技术的钝化层相比，a-Si:H钝化层更薄(<10nm)。此外，在基于n型硅片的SHJ电池中不存在硼元素，这有助于消除光照射时的Voc衰减。
这一切是如何影响户外工作的
图12显示了Bourget-du-Lac CEA-INES现场两年内的户外性能监测结果(见图14)，比较了由10块商用PERC组件组成的光伏系统，和在CEAINES的电池和组件试生产线上制造的另外10块SHJ组件组成的光伏系统。
该图显示了典型的季节性影响，冬季由于低于STC温度而具有更高的性能比。由于SHJ组件的温度系数低于PERC组件的温度系数，季节性温度无法解释SHJ和PERC在冬季的较大性能偏差。为了更好地将这些监测数据与图4中的户外数据进行比较，我们将结果重新绘制为每日辐照度的函数(以kWh /天为单位)。我们还在图中添加了一个双面SHJ组件(绿色)。
图13中的结果显示单面SHJ组件的平均性能比其单面PERC组件高8%。对于双面组件，这种差异更是高达14%。图13还显示了SHJ组件在低辐照度水平下的更好性能。这解释了在图12中观察到的冬季PERC和SHJ组件之间的较高偏差，因此冬季更频繁地出现低辐照度天气。
上述SHJ组件的有利结果也可以从NREL [16]报告的已经超过10年以上的异质结组件的年度组件退化率结果得到证实。他们报告每年下降0.67±0.18%(线性化)，这在统计上与基于c-Si的光伏系统相似。他们得出结论，由于电池中复合的增加以及少数载体寿命降低了两倍，衰减主要是VOC的降低。TUV Rheinland在四种不同的气候条件下对SHJ组件进行了为期两年的户外评估，也得出了类似的结论[17]。
图十四：Bourget-du-Lac (France)的CEA-INES测试场一角。
结论/展望
硅异质结组件在加速环境室内的IV测试结果表明它们对LeTID衰减不敏感，与在类似条件下测试的商用PERC组件相反。同样，没有检测到SHJ组件的PID衰退迹象。使用单长脉冲闪光对于异质结组件的精确IV测量至关重要。关于低光性能和温度稳定性方面，SHJ组件的性能也优于PERC组件。最后，在扩展户外监测期间对单面SHJ和PERC组件的比较表明SHJ组件具有优越的性能。
作者简介
Eric Gerritsen于1985年加入飞利浦研究实验室(荷兰埃因霍温)从事离子注入研究，并在荷兰特文特大学(荷兰)学习工程物理学，获得博士学位。他于1990年在格罗宁根大学工作。随后，在他2008年加入CEA-INES从事组件技术及其应用的相关工作之前，他还在德国、荷兰和法国的飞利浦(照明、半导体)担任过多个职位。
Elias Garcia Goma拥有荷兰代尔夫特理工大学PVMD集团的太阳能专业硕士学位。自2016年起，他开始在Eternalsun Spire从事创新光伏组件表征方法的研究工作，并且是IEC TC82 WG2的活跃成员。他的最新研究课题包括：SHJ组件、双面PV、LeTID和钙钛矿等。
Guillaume Razongles 2007年毕业于法国斯特拉斯堡工程学院的“电信物理学”专业，并于2009年加入CEA-INES。在那里，他一直在从事光伏组件在户外条件下的性能研究、光伏市场调研和分析光伏的LCOE和生命周期评估。
Stefan Roest是Eternalsun Spire的联合创始人和首席技术官，该公司通过对光伏组件的效率和可靠性进行最高精度的测量，促进了太阳能产业的发展和增长。Sefan Roest是IEC TC82 WG2的活跃成员，参与了多个不同技术的光伏组件测试相关项目团队。
Lionel Sicot 于1999年获得法国奥赛大学材料物理学博士学位，主修有机太阳能电池。从2000年到2007年，他在CEA的有机成分实验室从事这一领域的工作。2007年，他加入了CEA-INES的光伏系统实验室，自2017年以来一直致力于双面异质结技术的产业化。
Benjamin Commault于2011年作为一名材料工程师毕业于Polytech Nantes公司，此后一直在法国太阳能研究所（INES）从事光伏领域的研究工作。在CEA-INES，他在异质结太阳能电池的开发和生产方面积累了两年多的经验，自2014年以来，他一直致力于C-Si光伏组件的研发。
Aude Derrier在巴黎矿业技术公司的CEMEF实验室获得了材料、加工和建模方面的高级硕士学位。她在所罗门和埃默运动鞋公司工作了15年，担任研发项目经理和功能性聚合物和复合材料专家。2017年，她加入了CEA-INES，目前担任光伏组件实验室负责人。
Yannick Veschetti在斯特拉斯堡大学获得了晶体硅光伏领域的物理学博士学位。他于2005年加入CEA-INES，从事高效硅晶体太阳能电池研发工作。2013年至2015年，他在同质结硅太阳能电池实验室负责n型硅方面研发工作。他目前负责领导CEA-INES的光伏组件部门。
注：原文刊发于《PV-Tech PRO》中文版杂志
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责任编辑：肖蓓
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