下一代电池技术：破纪录效率与背后的商业化现实！

文 | Xinxing Xu

摘要：从光伏产业诞生以来，打破电池效率纪录的新闻公告就一直伴随着其发展推陈出新。

在2015年以前，此类公告大多都是由光伏研究机构基于面积为2×2cm2的小型太阳能电池发布的，但在过去五年中，商用电池和组件制造商也开始越来越频繁地发布大面积商用电池和组件的破纪录效率公告。不过，这些效率公告背后使用的器件尺寸（部分与业界常用尺寸不同）以及测量条件方面存在差异。这些破记录电池效率的性能参数范围不断演进，从最近公布的LONGi硅异质结技术（HJT）太阳能电池的效率26.3%，填充因子（FF）测量值接近理论极限（超过86%），到天合光能（Trina solar）目前已大量量产的实际可商用组件的效率21.1%。本文讨论了这些公告背后的实质内容，以及光伏等正在快速演变的行业是如何在效率大幅提升的情况下变得具有革命性的。实际上，这些公告给人一种错误的印象：即光伏产业仍然需要保守，因为光伏组件必须同时具有低成本和长期稳定性。这就是为什么现在（以及未来）将创新技术概念转移到大规模生产总是需要一定的时间，而光伏技术将通过逐步引入创新概念的方式继续一步一个脚印地稳健发展。

引文

到2020年，太阳能光伏电池依靠双面钝化发射极与背面电池（PERC）技术已成为能源市场的新王者[1]，在中东和北非（MENA）国家，例如沙特阿拉伯，光伏电站投标价格极低，到2021甚至降到1USct/KWh[2]。由于PERC目前即将达到其效率极限，业界正在激烈争论下一代技术是什么？哪种电池技术将登上王座成为新的“国王”？此外，是否会出现从p型硅PERC到基于n型硅的新电池技术的快速转变，就像大约五年前光伏产业从Al BSF迅速转变为PERC那样？如图1所示，光伏行业的重要研究机构之一的PV-Tech Research [3]给出了肯定的观点。

“电池效率破记录的公告现在以稳步增加的频率发布。”

但下一代主流技术是什么？硅异质结技术（HJT）？隧道氧化物钝化触点（TOPCon）？在交叉指状背接触（IBC）结构中两者的结合？亦或是多叠层电池？目前行业的技术竞赛激战正酣，而现在电池效率破记录的公告也以稳定增长的频率发布。不过，一级制造商也同时在不断刷新PERC电池和组件的效率记录，表明这种技术仍有大幅度提高效率的潜力。另一方面，各种关于n型硅电池技术的公告正预示着其未来光明的前景。

商用太阳能电池的性能提升

如Martin Hermle[4]的报告所述，图2（a）以非常清晰和简单的方式描绘到：行业中电池效率以每年约为0.6%abs的速度线性增长。2016年，当Al-BSF技术达到其效率极限时，从Al-BSF到PERC的转移浪潮开始启动；而Al-BSF的瓶颈主要在于其对背面钝化受到了限制，如图2（b）中的剖面图所示。

“在过去，各个参与者努力推广各自的路线图，导致越来越多的“工业”记录电池和组件效率公告。”

通过在铝膏和铝BSF触点下方制备电介质叠层（AlOx/SiNx），可以实现更好的背面钝化，从而产生680mV的平均开路电压（Voc）和690mV的最大开路电压。如果要超过700mV，则必须使用TOPCon中的多晶硅钝化触点。而要超过720mV，需要在两个电极上使用钝化触点，或者必须采用HJT 技术中的非晶硅层。然后，在下一步中，为了克服俄歇极限甚至肖克利-奎瑟极限，必须要采用多叠层结构。因此，这条线性曲线的延续依靠的是采用钝化效果更好的先进电池结构来逐步提升电压值。

可以将这些技术与各种移动网络技术及其速度进行类比：3G（665mV的Al BSF）如今几乎已经过时，目前的网络平台是4G（685mV的PERC），而5G（700mV的钝化触点）已经到位。然而，对于大多数应用（如地面安装的公用事业规模的光伏系统），4G仍然是够用的，而且到目前为止，仅在某些应用中需要更昂贵的5G。然而，几年后，5G将成为所有应用的标准，然后进一步将为6G（多叠层）奠定基础。

考虑到过去几十年来在光伏产业中采用的各种技术，以及它们已经取得的主流市场份额，人们可以合理地得出结论，即光伏产业一直遵循着技术路线图演进的。另一方面，过去各个参与者努力推动其各自的路线图（一些是渐进式的，另一些则是破坏性的），导致越来越多的“商用”电池和组件效率记录被打破，而破记录者主要来自Tier 1制造商。

在下面章节中，将尝试进一步剖析与各种记录效率公告相关的幕后技术。

高效电池公告

如图2（a）所示，大多数时候，高效率的公告只揭示了每种技术的实际局限性。然而，在可能的情况下—使用额外的工艺步骤或非商用工艺步骤，以及特定的、类似研发的测量条件—与能够以成本效益高的方式在大规模生产中实施的情况之间，往往存在至少1%abs的效率差距。因此，此类公告中有几个因素往往会引起公众（投资者、首席执行官、科学家和其他利益相关者）的一定程度的困惑： 

•  电池概念的命名法与实际宣布的电池命名法不同。例如，从2019的LONGi宣布的24.06%TOPCon电池已经在前表面制备了选择性的多晶硅，从而将开路电压提高至694mV，而2021年来自JinKoSolar的25.4% TopCon很可能也具有多晶硅钝化接触点，不仅在背面，而且在前表面也有，从而将VOC提高至720mV。

•  有时，甚至当“商用太阳能电池”的效率成为头条新闻时，实验室类型的工艺，例如双抗反射涂层（ARC），包括通过热蒸发沉积MgF2，也被用于制造此类电池。其中的许多工艺已为人们所知数十年，并用于研发，以证明某些材料或电池概念的潜力；然而，它们太复杂、太昂贵，无法大规模生产。

•  即使报告的效率已由独立校准实验室或认证机构进行测量，但直到最近为止I–V测量仍是在仅用于研发领域的条件下进行：

“在评估高组件效率在节省与区域相关的系统成本平衡方面的好处时，活动区域组件效率不相关。”

- 测量的是有效面积效率，而不是入射光面积效率（在电池层面和组件层面）。

- 通过多线接触进行电池效率测量，报告的效率值不考虑金属网格（或至少主栅线）的阴影。

-   使用的接触方法导致忽略金属栅极串联电阻（正面或背面，或两侧），导致测量的填充因子（FFs）非常接近伪填充因子（即零串联电阻和无限并联电阻的理论极限FF）。

- 此类类似研发的效率测量条件不能正确表征商用太阳能电池的特性，因为它们不能代表在组件级可以达到的效率：在组件层面，金属网格的阴影及其串联电阻将降低组件效率，从而增加了电池到组件的功率损耗。

•  如果报告的效率值基于室内测量，则存在过度乐观校准的风险，导致效率高估。

通常，在相关新闻稿中，上述与效率测量相关的特性仅在小字中说明，需要仔细阅读，才能正确评估报告的效率值。

最近一个误导性效率报告的例子是23.03%的组件效率记录，正如Trina[5]所报告的那样，这是一种“入射光面积效率”。标准组件效率是总面积效率，即电功率输出（标准试验条件–STC下的Pmpp）除以总面积上的辐照度除以组件总面积（组件长度乘以组件宽度），入射光面积组件效率不包括主栅焊带和接线盒所占的面积，以及外部太阳能电池和层压板边缘之间以及框架之间的强制性空隙。因此，入射光面积效率达到比总面积组件效率更高的值（接近电池效率）。因此，在评估高组件效率在节省与区域相关的系统成本平衡方面的好处时，有效区域组件效率并不相关。

最近有个案例与上述研发类测量条件相似，其在某些校准实验室测量出了令人惊讶的高FFs。例如，如果读到图3[6]所示的ISFH曲线下方插入的精细打印，那么在LONGi的26.3%高效HJT记录电池上测得的极高FF（接近理论极限）和高短路电流的原因就变得很明显：虽然电流得益于镀金卡盘的光反射，由于忽略了电池总串联电阻的很大一部分，FF得到了增强。然而，在工业电池生产线的情况下，引脚用于接触电池正面和背面的母线，从而模仿电池通过光伏组件内的带状物互连的方式，并且不向电池背面提供任何光线反射。

表1总结了创纪录效率的公告与报告的平均生产效率（包括内部测量的潜在高估）和市场上可用的组件效率，以及各种技术的潜在电压和效率。

光伏市场正在见证Al BSF（3G）的淡出，其中一个原因是它属于单面技术。其量产的平均电池效率高达20%，Voc约为665mV。几年前公布的一项创纪录的效率为20.29%[9]，但市场上的组件效率远低于20%。

能源市场之王双面PERC（4G）太阳能电池的平均量产效率约为23%。市场上的PERC组件效率大多低于21%，但最高可达21.1%（例如Trina[9]）。LONGi通过在正面使用选择性多晶硅，2019年已经实现了24.06%的创纪录PERC电池效率[10]；该电池还使用了其他尚未在工业生产中实现的结构，使其需要额外的工艺步骤，成本更高。

基于PERC的技术—如TOPCon和基于PERC的IBC—得益于PERC技术进步带来的成本降低，以及PERC大规模生产带来的设备和材料规模经济。与几乎所有的n型技术一样，主要的挑战是降低金属触点的银消耗，这是目前一个非常重要的研发课题。

TOPCon（5G）电池在大规模量产中的平均效率约为23.5%，而JinkoSolar最近将该电池效率提升至破纪录的25.4%[11]。在这种情况下，Jinko既没有发布确切的工艺流程和电池结构，也没有发布单一的I–V参数（Isc、Voc、FF）。然而，考虑到需要非常高的Voc才能达到25%以上的效率，可以假设，除了其他非商用特性外，最有可能使用选择性多晶硅（B），这比当前的商用TOPCon工艺更复杂，且尚未准备好进行商用大规模生产。根据当前的白银价格，标准TOPCon电池的COO（拥有成本）目前比PERC（例如[17]）高出约15–30%。

但是，由于具有更高的效率、更高的双面性、更低的退化和更低的Pmpp温度系数，使得TOPCon组件不仅对屋顶应用具有吸引力，而且对地面安装的公用事业规模太阳能电站，以及炎热地区和地面反照率高的光伏系统也同样具有吸引力。

基于PERC的IBC（5G）（Jolywood、SPIC、Trina、ValoeCell）的最高效率可达到25.04%(由Trina[12]实现)，其商业化生产的平均效率约为24%，并有潜力提升到25%。目前，这种电池大多适用于屋顶光伏应用。随着银金属材料使用量的不断减少，其双面版也可以在未来应用在公用事业规模的电站上。

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“目前有许多破记录电池效率的公告，但都不能与目前（或即将）投入使用的各种技术进行直接比较。”

Maxwell[13]已经将低成本HJT（5G）（REC、Meyer Burger、Maxwell）技术的效率提升到了25.26%，而复杂HJT（5G）（(Panasonic, Kaneka, LONGi）的效率也由LONGi [17]实现了创纪录的26.3%。另外，复杂IBC（5G）电池由SunPower和LG两家公司生产。在实验室水平上，ISFH在多晶硅氧化物（POLO）结构[15]上实现了26.1%的效率，而Kaneka在HJT-IBC结构[16]上将效率提升至26.6%。

将非商用电池工艺和研发型测试结果用于“商用”效率记录公告

表2总结了一系列修改商用太阳能电池工艺的方法，或如何以不同于标准技术的方式进行测试，以大幅度提高电池效率，但这会以牺牲商用可行性和成本效益为代价。

总结与展望

总之，有许多破记录电池效率发布的新闻—甚至来自商用电池制造商—展示了各自研发部门在使用实验室和先进试验线时的能力，但不能与目前（或即将）投入使用的各种技术进行直接比较，因此很难从这些公告中推断相关技术将在何时（如果有的话）以及以何种生产成本在工业生产中以类似的效率实施。

这就是说，创纪录的电池效率让我们得以一瞥中期未来可能会带来什么。最终，如果有机会确定某一特定电池技术目前在商业生产中可获得的最高电池效率，最实用、最可靠的方法是寻找在STC（特定组件面积）具有最高Pmpp的相应组件，该组件可在商业上获得，以及—考虑到总电池面积以及实际电池到组件Pmpp比率—以确定相关电池效率。

一直以来，c-Si光伏产业都是以渐进式提升的方式发展，平均每年效率提升的速度大概在0.3-0.6%abs。在未来十年内，这种情况仍然会延续，直到达到26–27%的实际效率极限。之后会发生什么，没人能说得清楚。而多叠太阳能电池器件的成功在很大程度上取决于钙钛矿结构和相应的多叠结构是否能成功解决稳定性、反向偏置电压等方面的问题。

商用PERC太阳能电池的平均效率将保持在22.5%-23.5%之间，商用n型设备的平均效率在一到两年内远高于24%，在三到五年内将超过25%。而在组件层面，可用PERC组件的效率将达到约21%，而n型组件的效率将从2022年起超过22%，最有可能从2025年起超过23%。最后，在c-Si达到其26–27%的实际效率极限后会发生什么仍不确定。

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