一体两面: 硅异质结太阳电池的最佳双面系数

硅异质结(SHJ)太阳电池是天然双面性的，其前表面与背面的参数比(双面系数)可以通过前表面和背面的金属格栅图案轻易调整。本文同时在电池和组件两个层面，讨论了电池双面系数从典型值的90%增大到100%，或将其减小到单面电池(0%)时好处与缺点之间的平衡。
对于背面有额外光照的系统应用场景，我们估算了在电池效率和双面系数之间进行权衡时双面系统的有效性能。本文讨论了当将双面系数设计得很高时，是如何以降低(正面)转换效率为代价的，并讨论了每个电池中银浆使用量(电池成本的主要组成部分)如何密切影响电池双面系数和效率。
使用对称格栅图案是获得高电池双面系数的一种简单方法，但如果正反两面都使用典型正面图案的金属格栅，会带来高电阻率的代价。相反，如果正反两面都使用背面图案则可能导致阴影过多的情况。
此外，在双面系数非常高的情况下，如果在背面上使用较薄的非晶硅层来对称化电池的光吸收，会导致背面发射极电池效率的降低。因此，对于背面辐照度不变且系统设计运行也不变的情况下，可以找到最佳的折中方案。类似地，对于给定电池类型，可以对系统方案进行特殊设计以优化在特定双面系数下的性能收益。
当大部分光从背面入射且电池双面系数从85%到95%之间时，倾斜组件的功率输出是最大的。对金属格栅进行优化(正面金属格栅间距通常为1.2至2mm，背面金属间距为0.6至0.9mm)可以将相对功率输出提升3%。至于倾向于采用对称印刷网格的建筑一体化或垂直安装系统，最佳网格间距约为1.5mm。对于单面系统，双面电池也是更好的选择，因为玻璃背板组件中的内部反射增加了电池背面光吸收，同时也节省了背面金属化成本。

双面应用正在爆发

正如ITRPV预测的那样[1]，双面光伏系统正处于真正的快速部署阶段，预计在未来五年内将增长14倍。它不再是专为效率最高的电池而保留的利基技术，而是“降低每千瓦时成本的巨大飞跃” [2]，可适用于当前和未来的主要电池技术，包括PERC(钝化发射极和背面电池)、PERT (钝化发射极)背面完全扩散)、TOPCon (隧道氧化物钝化接触)、SHJ (硅异质结)和IBC (指叉背接触)。

因此，最近通过模拟仿真[4]和收集现场实验数据[5]的方式对单组件安装系统的双面收益以及LCOE (平均电力成本)[6,7]进行了深入研究[13]。这些基于特定电池和组件类型的研究，对于光伏安装公司在考虑特定项目的运营条件时如何选择最相关的技术并对其设计进行优化是非常有帮助的，如图1所示[8]。然而，在此之前，对电池双面系数进行修改的可行性尚未被充分考虑到。

图1：显示了一座位于比利时比尔贝克的一座果园上试验的农业光伏项目，表明了在高海拔地区的高透明度屋顶上使用双面组件的好处。

SHJ太阳电池由非常薄的氢化非晶硅层(a-Si:H)、透明导电氧化物(TCO)和沉积在硅片两面的金属化网格组成对称的结构，这种结构是天然双面性的[19]。通过使用不同金属化网格图案可以改变主栅和无主栅SHJ电池的双面系数(BFcell)，而本文是该系列研究[10]的延续工作；随后研究了对电池效率的影响，以便估算系统输出与背面辐照度之间的关系。此外，还将介绍正面和背面沉积薄膜的差异对双面系数的影响，并将讨论电池双面系数达到100%的可能性。

实验细节和方法

实验所用电池是在位于法国国家太阳能研究所INES的CEA SHJ中试线[11]上制造的，采用的是商用全尺寸n型Cz硅片(M2尺寸，244.3cm2，来自LONGi)制造背发射极双面接触(丝网印刷低温Ag浆)。在这里，每个I-V参数的双面系数是指在标准测试条件 (STC)下测得的前后比率。BFcell是其中最低的系数，通常是指功率的比值。

首先，可以通过改变无主栅(无BB:Busbar)和主栅(BB)网格图案上的子栅间距来改变电池的双面系数，本研究的图案设计范围包括从高密度背面网格(对应低双面系数)到正面(FS)/背面(BS)等距网格，后者可以实现高双面系数和对称的电池外观。子栅间距的实际变化范围在0.2到2.1mm之间。

所有I-V测试都是在AM1.5G STC条件下使用无背反射的I-V测试仪进行的，并通过FHG ISE CalLab和ISFHCalTec认证的参考电池进行校准。每个给定设计(无BB或BB)的双面实验都是使用CEA-INES 基准工艺流程对来自同一生产产线的电池进行组件封装的，并为每个丝网印刷批次随机选择一组电池样品，并根据FS和BS网格间距(mm)进行标记区分，如图2所示，展示了BB 设计的数据示例。

图2: BB电池的双面性实验，在保持丝网参数(网格、乳胶和开窗等)不变的情况下，改变前后两侧金属网格的间距(以mm为单位)。使用蓝色圆点绘制双面印刷不对称时电池到电池的主要I-V参数比，而用橙色菱形绘制对称印刷(即前后的子栅间距相等)时的结果。

接下来，类似于IEC 60904-1-2标准化工作[3,5]，使用无BB 和BB 电池效率与BFcell的函数关系(参见图3)来计算双面系统的品质因数。公式1表示倾斜的组件，其中BIFI是基于正面辐照度的百分比例计算得到的背面辐照度值。例如，当正面辐照度为1000W/m2时，BIFl20则表示背面辐照度值为200W/m2。

公式2表示垂直安装且东西朝向的组件(V-EW)，其直射阳光在正面照射一半时间，在背面照射一半时间，并且正背两面照射的光相同，即BIFI因子相同。换句话说，首先(即早上)，背面是组件的“真实”背面，然后(下午)，背面就成为了组件的正面，主要接收直射的光线。此处未考虑早晨和下午的平均BIFI之间可能存在的差异。

这项工作的目的不是为某些特定情况定义双面性系数。从文献[3-6]和CEA自己的SHJ系统的现场数据[7,12]中，可以简单提取出一个可以应用于全球范围内的实际BIFI范围：作为从0到40%的BIFI范围内BFcell的函数值，研究ηsystem可以确定在给定的组件技术下运行在特定双面因子时的最佳SHJ电池双面性。

无论采用何种实际参数来确定双面系数，都使用这种简单方法，例如系统设计 (组件倾斜安装、安装位置高于地面、组件数量、组件串行数和间距等)，系统朝向、地理位置、典型的气象年份、地面反照率和周围环境等，以及不同天气条件下BIFI的临时变化[13]。

BFmodule系数是针对有效网格阴影校正的实验BFcell数据: 空气中是95%，组件中是72%左右[14]；如Danel等人[10]所发表的，这一重要因素已在实践中得到验证。确实，组件中电池的有效双面性始终高于空气中裸电池的有效双面性，并且随着BFcell的减少，差异增大。

尽管这种方法可能不能严格代表所有应用(例如，为农业而专门设计的电池覆盖率极低但必须具有双面性的新系统，如图1[8]所示)，作为BFcell函数的ηsystem，有助于优化在给定系统项目下的最佳电池设计。

除实际数据外，还采用双二极管模型，用于模拟电池和组件在各种双面和BIFI条件下的效率和功率。假定仿真模型采用的关键电学和光学参数能够完全代表组件和电池的设计，包括材料特性和异质结特性。根据以下电阻率对金属电极的串联电阻(FS)进行建模:1)低温银浆; 2)导电胶; 和3)焊带。该模型还考虑了三种电阻率元素中每个元素的有效形状。

另外，还需要考虑晶体硅衬底和TCO层的体电阻，这涉及到当金属格栅图案发生变化时，电荷横向传输的变化[8]。该模型还考虑了半切和三切电池在切割后损失的电池性能。此外还考虑了格栅的有效形状(子栅和主栅的数量和形状)以及材料(电池、玻璃、密封剂、金属格栅和焊带)的反射率、吸收率和透射率，以评估组件的光学性能[15,16]。

电池效率与双面系数的关系

如图1所示，对电池每个I-V参数的双面系数都进行了测量，同时还进行了其他两个类似电池的测量，后者在保持FS网格设计不变的同时，改变了BS 网格中子栅的间距。其中BFcell指的是功率双面系数，它主要受短路电流(Isc)双面系数的影响。

图3：BB和无BB归一化电池效率与电池双面系数的关系。图中的点/圆代表平均值，而误差条则表示每个电池批次的标准差。其参考电池网格设计是2.1mm FS和0.6mm BS。在这里考虑了两种不同的TCOs。采用实线描绘了变化趋势。

图3绘制了各批次电池的平均效率与BFcell的关系。可以看到，从单面设计到高度双面性设计，SHJ电池的效率逐步下降，而当FS和BS网格间距(在此研究中为分别2.1mm 和2.1mm，电池背面为铟锡氧化物(ITO))相等时电池双面性达到最高值，其对应的电池效率也显著下降。对于无BB和ITO BS的实验，通过物理气相沉积(PVD)对参考电池(间距2.1mm FS 和0.6mm BS)背面进行额外的金属化，从而形成单面电池。如图3和表1所示，这批电池的双面性为3.4%，比参考电池高0.16%abs。

BB和无BB 电池设计的效率衰减相似，并且主要与填充因子(FF)的降低和BS的增加有关，这主要受到BS网格电阻的影响(如图1所示)。背面通过PVD[17,18]对基于In2O3的TCO进行的测试表明，在间距扩大时，TCO的横向传导也可能成为重要的限制。实际上，有限的横向传导抵消了这种高透明性且在p型接触上能进行良好电荷收集带来的收益。对于该测试，故意降低了该材料的良好电性能以增强光学性能。因此，如果基于In2O3的TCO 在密集的网格BS上可以很好地工作，并且可以显着提高FS电池的效率，那么与使用ITO的情况相比，其在非常高的双面电池中的集成更为精细。

得一提的是,由于需要优化电池背发射极以获得最大的正面STC效率，对称印刷得到的双面性系数实际上<100%。这是通过在FS和BS 上使用不同的氢化非晶硅叠层 (a-Si:H)和TCO厚度以及电光特性来实现的，以确保在高少数载流子横向传导(19]和透明度之间取得良好平衡。

相反，单面设计可为SHJ电池的FS I-V数据带来额外的收益，但实验中看到的+0.16%abs带来的是额外的工艺步骤以及相关成本。此外，将单面电池用于单面应用是无意义的。在早前由CEA进行的工作中[10]，与真正的单面电池相比，使用白色密封材料和双面电池的玻璃背板组件也获得了相似的功率输出，这是因为使用了丝网印刷(90% BFcell)使其具有更高的CTM系数。该结果是由于“嵌入式”两面性而产生的，入射到组件之间的入射光和穿过电池的近红外光都很好地反射到密封剂和背板上。

表1总结了CEA的SHJ电池的典型I-V值，该电池两面都带有ITO，并且使用参考印刷进行了优化。从该表的横轴是不同系统应用下优化电池的参数，包括效率、双面性和成本(银浆的量)等。

表1:SHJ电池在不同金属网格设计情况下的主要I-V参数

走向100%的双面性: 优点和缺点

在FS和BS上使用对称的ITO和印刷设计，可获得约95%的BFcell。该“本征”的电池双面系数(图3中的最高值)与a-Si:H层之间的不对称有关，其BS有更厚和透明度更低的本征层(i)和p型掺杂叠层，而FS则为i和n型掺杂叠层。如Danel等人所研究[10]并如图4所示，可以使用非常薄的i和p型a-Si:H堆叠将BFcell提高至98%以上。

但是，厚度太薄会导致FF或Voc下降，如图4(a)所示。根据图4中将等离子体增强化学气相沉积(PECVD)厚度归一化处理数据(蓝色箭头)进行了分析以找到i和p层厚度之间的最佳平衡并调整电性能。其中，将背面堆叠厚度降低17%，可在确保95-96%的固有双面系数的同时，不会影响FS电池的效率(即图4中归一化值为0.83的点和灰色箭头所指)。

图4: i和p型a-Si:H堆叠优化以增强电池双面性:(a)基于CEA的中试线参考配方下归一化到1的I-V参数;(b)对应的电池双面系数。每个点都是每个批次多个电池的平均值，以及在图(b)中的误差条代表标准差。

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如果只是简单通过将FS间距设计成比BS间距大，或者通过在FS使用较厚的a-Si:H叠层来使BFcell > 8%，会牺牲电池的效率。因此，对于专用于诸如平面连接[16,20,21]或V-EW这类对电池双面系数要求特别高的应用场景，最好采用相似的电性能以避免电性不匹配，例如采用对称印刷以及改变子栅间距。

如图5中的曲线所示，使用密集的网格(通常是BS设计)会导致Isc受限而降低电池效率，而使用大间距(FS设计)则会导致FF受限，这主要与背面TCO中的网格RS和横向传导有关。针对CEA的印刷工艺，可以平衡Isc和FF限制结果的最佳间距约为1.5mm。值得注意的是，在图5的讨论中提到，受到a-Si:H叠层不对称性的影响，图5所有点的双面性约为95%。

图5: 对称性电池的转换效率。

系统输出的估算

基于图3中的实验电池数据，使用品质因数(公式1和2)根据以下两个假设来估算系统能量输出随电池双面系数的变化：

1. 双面玻璃商用SHJ组件的CTM固定为0.98(损失2%)[22]，与BFcell的值无关(两个小型组件的实验数据验证了这一假设)。

2. 双面系数从0到40%可以覆盖任何实际的系统设计和运行场景。

3. 电池效率(STC值)不随双面系数而改变。这个简单的假设忽略了在上午和下午组件温度变化或BIFI变化时可能的平均效率变化。对于系统等效效率的精确估计也可能无效，因为当BIFI增加时，电流增加一个因子(1+BIFIx BFmodule)，因此电阻损耗可能变得很重要。然而，由于组件模拟考虑到了这一点，并且为确定给定的双面系数的最佳BFcell，可以认为该假设是有效的。

图6显示了系统输出的估算结果，即(a)倾斜安装和(b)V-EW系统在各种BIFI下的等效效率，对于具有ITO FS和BS 和“本征”双面系数约96%的电池，图表上的箭头突出显示了对于给定双面因子的最佳电池估计。对于倾斜组件的情况(图6(a))，BIFI越高，电池的双面系数越高。当BIFI较低时，最佳BFcell发生快速变化：最佳BFcell从BIFI5的约80%到BIFI20的91%。然后，有趣的是，从实际的角度来看，在BIFI较高时，最佳BFcell的增长速度较慢，并趋于饱和，约为92%。这通常对应于FS印刷间距为2.1mm、BS印刷间距在0.6到0.9mm之间的结果。

图6: 对于不同背面辐射相对于前表面辐射的比例(BIFI)下，系统输出功率与电池双面系数(BF_cell)的关系: 倾斜系统(公式1)；(b)V-EW系统(公式2)。添加的实线是用来描绘变化趋势的。箭头代表不同BIFI下最佳电池双面系数值。

与图6 (a) 中的倾斜系统相比，V-EW系统(图6(b))的最佳BFcell更高，为93%，并且几乎恒定，无论BIFI的值如何变化。对称印刷为垂直组件提供最高的电池双面性和良好的美观性，在本例中，对于间距为2.1 mm的系统输出来说，这不是最佳选择。然而，如Danel等人[10]所述，并如图5所示，利用约1.5mm 的中间间距来优化的FS电池效率，可以通过对称印刷获得非常好的V-EW组件等效效率。

最佳双面性的模拟

为了更准确地了解最佳电池双面性如何随BIFI变化，如图7 (a)所示，对图6 (a)中的数据进行归一化，以找出每个BIFI值的最大等效效率。图7(b) 中根据BIFI绘制了最佳电池双面性，然后可用于在电池制造期间选择最佳印刷设计，以优化系统输出。

图7：显示了无背面辐照度下(BIFI₁₀)的电池效率和对等效系统效率的估算(从图6(a))，对作为电池双面系数函数的BIFI进行归一化。图(a)的内插线帮助计算最优的SHJ电池双面系数，由黑色星状符号表示。图(b)描绘了该最优电池双面系数与相对背面辐照度的关系。

值得注意的是，对于高BIFI(本例中为92%)，最佳BFcell几乎保持不变，而当使用非最佳电池双面系时，相对损失迅速增加。而低双面系数时情况则相反。例如，对于BIFI5，最佳BFcell为82%，这与BIFI40的92%非常不同。然而，如果使用非最佳BFcell，相对损失在低BIFI应用中是中等的，但在高BIFI应用中是显著的。有鉴于此，单一设计(或只有少数设计)批量生产的最佳选择显然倾向于高双面性，或者更准确地说，高BIFI下的最佳值。此外，这一点与降低成本密切相关，如表1所示，其背面网格上使用的银膏更少。

除了电池实验外，内部开发的组件模拟也应用于一些实际情况。图8总结了144块半切片电池(采用6主栅M2电池)组件的主要输出参数。对于没有光线照射电池背面的应用(BIFI=0)，忽略银膏成本问题，FS电池效率越高，STC的标称功率越好。如图8所示，在BIFI0处的最佳网格图案为1.5mmFS和0.1mm BS，可以得到439.5Wp输出功率和68.6%的组件双面系数。组件背面光照为300W/m2（BIFI30)时，最佳电池设计为1.2mm网格FS和0.7mm BS。这相当于提供554.5Wp输出功率和92.1%双面系数。这种设计的前表面网格非常密集，保证能获得合适的FF值。而电流能保持在一个良好的值是因为：1)这里采用了45um宽的子栅；2)组件内部电池网格阴影较低；3)背面光照因子BIFI30带来的显著贡献。

图8: 144半切片电池(M2)组件的仿真数据，电池采用6主栅印刷和不同子栅间距(子栅宽度都是45um)，主要显示了在前表面STC和背面(左边纵轴)额外BIFI下的功率输出，和组件双面系数(右纵轴)。在本次仿真中使用的参考电池采用了PECVD和ITO堆叠工艺，最优本征双面系数达到96.3%，以及2.1/0.7mm印刷宽度，得到平均I-V性能为: η = 22.55%，V_oc =739mV，I_sc = 9.342A，FF = 79.8%和BF_cell = 91.2%。

在考虑背面有光照的系统时，如果BS网格不使用0.1mm间距，则对于BIFI10和BIFI30，最佳和最差网格图案之间的差异相当于STC下组件功率Wp乘以(1+BIFI)的3%左右。如图8所示，在BIFI30处，使用1.2mm FS/0.7mm BS网格对应的功率输出为554Wp，使用2.4/1.3mm网格对应538Wp。BIFI10在1.5/0.4mm或1.2/0.4mm 网格下获得的最佳输出功率为477Wp，在2.4/1.3mm网格下降至464Wp。

结论与展望

SHI电池是天然双面性的，它们的双面系数(BFcell)可以很容易地调整，从单面电池的0%到双面电池的90%，甚至100%，但会以牺牲正面效率为代价。

对于背面有额外光照的室外场景(BIFI因子)，如果效率下降仍然有限，则双面系统的有效性能随着电池双面系数(BFcell)的增加而增加。当电池双面系数达到本文工作中的90%时，其系数的精确值主要决定于a-Si:H叠层的不对称性。对于这种双面系数非常高的电池，其下降速率也更快，因为由于前表面(FS:Front-Side)电池效率随着Rs的增加而下降(与TCO中较长的横向传导和背面(BS:Back-Side)金属网格的电阻率增加有关)，或者与FS网格的遮光有关。

因此，当背面和正面辐照度比例一定时，可以找到一个最佳的BFcell值。从实际的电池和组件数据来看，当系统的双面系数因丝网印刷金属网格不对称而改变时，BFcell在85%和95%之间，BIFI5和BIFI30的系统输出功率最大。这通常对应于1.2到2mm的FS金属网格网格间距和0.4到1mm的BS金属网格间距。通过对前后两面金属网格的适当优化，可以将相对功率输出提高1.5%。

而对于V-EW应用，最佳电池双面性则可以做得更高，约为95%，且几乎恒定，与BIFI无关。当考虑对称印刷时，最佳栅距为1.5mm左右，电池的双面性主要由非晶层的不对称性影响。

对于单面系统，使用双面电池同样也可以因为玻璃背板的反射而提高组件发电性能。本研究并未对单面系统下双面SHJ电池的优化进行实验探索，但双面系统的模拟仿真模型也同样可用于单面系统评估。

尽管银丝网印刷是影响BFcell的关键因数，但值得注意的是，在前后两层的对称性方面的任何进展，主要是a-Si:H叠层(但也有小部分的TCO)，无论实现的类型或条件如何(双面倾斜、V-EW、可变BIFI、平面连接、单面应用等)，也都可以提升整个系统的性能。

最后但并非最不重要的是，电池双面系数(BFcell)在有背面辐照(BIFI)时的优化趋势是通过减少银浆的使用[23]来增加双面系数。例如（见表1)，对于使用2.1/0.6mm间距网格优化的电池，银的平均消耗量为127mg/片电池。如果间距改为2.1/0.9mm，电池的双面系数可增加约2%abs，每块电池的银耗量减少到86mg，节省了26%。对于V-EW系统，通过使用优化的1.5/1.5mm网格设计，电池双面性达到96.1%，银消耗量减少到56mg/电池，节省了225%!

致谢

作者要感谢CEA-INES的电池和组件研发团队以及试验生产线的贡献(以及Joni Mtchell对本文标题的启发)。

作者

Adrien Danel、Julien Eymard 、Vincent Barth 、Mathieu Tomassini、Eric Gerritsen、Armand Bettinelli、Charles Roux。

责任编辑：肖蓓

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