N型高效电池组件特性对比研究

刘陇刚，杨振英

（1.国家电投集团青海光伏产业创新中心，青海 西宁 810007；2.青海黄河公司太阳能电池及组件研发实验室，青海 西宁 810007）

0 引 言

随着能源危机和环境问题的日益加重，促使更多的研究机构及研发企业逐渐对清洁能源的应用开展了深入研究和探索。光伏发电主要是利用太阳电池的光生伏特效应，将太阳光转换为电能的新型发电技术，被认为是最有前途的清洁能源之一，尤其随着近年来冬春雾霾的大肆蔓延，其受到越来越多清洁能源建设者的关注和追捧。目前，市场主要以P型晶体硅电池发电应用为主，P型单晶硅电池的量产效率已达到22.5%，相比于火电和水电，度电成本依然较高。为降低光伏发电成本实现平价上网，提高电池及组件转换效率和降低制造成本成为当前光伏展业发展的两大主题[1]。

1 N型高效电池技术简介

从理论上讲，不管是硼掺杂的P型硅还是磷掺杂的N型硅均可以用来制备太阳电池，但全球应用较多的电池为掺硼的P型硅基太阳电池。P型硅基太阳电池量产转化效率现已达到22.5%以上，要在不增加成本的情况下继续提高电池及组件转换效率已非常困难，于是研究人员将研究的课题转向少子寿命较P型硅更高且光致衰减更低的N型硅，并取得了较大的进展。目前研究较多的N型硅材料太阳电池主要有N型双面电池（如PERT电池和TopCon电池）、HIT电池以及IBC电池。

N型双面电池是以N型硅片为基底，在硅片的正反面均进行发射极、减反射膜以及金属电极制备的太阳电池，其分为普通双面电池和N-PERT双面电池。其中，普通双面电池为双面全表面进行B或P的掺杂形成PN结，实现正反面均能发生光生伏特效应的N型电池，N-PERT电池是在普通双面电池上进行了优化，电池背面采用选择性发射极掺杂并结合局部钝化工艺，使得发射极的表面钝化，降低了表面态使反向饱和电流密度下降，同时减少了前表面的少数载流子复合使得光谱响应也得到改善，可有效提升电池的转换效率[2]。

TopCon电池是一种基于选择性载流子原理的隧穿氧化层钝化接触太阳电池，电池结构为N型硅衬底电池，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，二者共同形成了钝化接触结构，有效降低表面复合和金属接触复合，为N-PERT电池转换效率提升提供了更大的空间。

HIT电池采用异质结结构的N型硅太阳电池，在P型氢化非晶硅、N型氢化非晶硅以及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，降低太阳电池表面态密度，减小了复合电流，使得开路电压明显提高，从而具有较高的转换效率。

IBC电池是将PN结、基底以及发射区的接触电极以叉指状分布在电池背面，完全消除前表面栅线的遮光，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，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的吸收太阳光，增加电池的转换效率，且看上去更美观。

2 N型电池组件样本建立与选取

近几年，随着我国光伏产业技术的发展、电站建设规模扩大以及高质量电能需求的进一步提升，国内N型高效电池技术的研究和高功率N型组件的应用开始逐步推向市场，并取得了良好的发电效益，目前国内光伏电站建设应用较多的N型电池组件为TopCon组件、HIT组件以及IBC组件。

实验过程中选取了相同兆瓦数的P型PERC组件、HIT组件（包括单面组件和双面组件）以及IBC组件应用子阵作为对比样本，其中P型PERC组件子阵为基准子阵。这些组件均采用相同的安装倾角、跟踪方式、倾角传感器、旋转角度传感器、组件温度传感器、环境温度传感器以及风速风向传感器，电性能测量时使用相同的晶硅参考片、参考组件、日射强度计、组件在线IV测试仪、组串在线IV测试仪以及逆变器测量箱等测试设备[3]。

3 N型电池组件特性对比

3.1 N型高效组件温度特性对比

监测对比样本中各类组件同一天在不同辐照区间的运行温度（如表1所示），发现N型IBC组件的运行温度最低，N型HIT组件的运行温度次之，P型PERC单晶组件的运行温度最高。同时对比某月N型高效组件与常规单晶组件的日平均温度特性发现，N型高效组件明显低于单晶组件温度，其中P型PERC组件月平均运行温度为34.05 ℃，N型HIT组件月平均运行温度为32.56 ℃，N型IBC组件月平均运行温度为31.75 ℃。可见，N型高效组件运行温度比P型单晶组件运行温度更低，这与N型电池具有更低的温度系数的理论研究结果吻合。

3.2 弱光条件下N型高效组件的电流特性对比

对比分析N型高效组件在辐照度低于200 W/m2条件下的弱光特性，如下图1所示，发现在弱光条件下，随着辐照度的逐步升高，N型高效组件的工作电流升高更为明显。

表1 不同辐照条件下各类组件运行温度对比表

图1 弱光条件下N型高效组件工作电流与辐照关系图

3.3 N型高效组件发电量对比

监测P型PERC组件、HIT组件以及IBC组件对比样本某年1—11月的发电量，并剔除特殊天气和设备故障原因带来的外界影响因素，N型HIT组件和IBC组件单位兆瓦发电量与基准子阵单位兆瓦发电量对比结果如图2和图3所示。

图2 某年1—11月N型高效组件单位兆瓦发电量对比图

从图2中看出，N型IBC组件1—11月累计发电量较基准子阵（P型PERC组件）高2.97%，N型HIT组件1—11月累计发电量较基准子阵高2.38%。从图3中看出，与P型PERC组件单位兆瓦发电量相比，1—11月各月N型IBC组件和HIT组件单位兆瓦发电量均有增益，可见N型高效电池组件较P型PERC组件的单位兆瓦发电能力更高。

3.4 N型双面组件发电能力研究

监测P型PERC组件、HIT单面组件以及HIT双面组件，对比样本某年1—11月的发电量，同时剔除特殊天气和设备故障原因带来的外界影响因素，N型HIT单面组件和HIT双面组件单位兆瓦发电量与基准子阵单位兆瓦发电量对比结果如图4和图5所示。

图3 N型高效组件各月发电量及增益对比图

图4 某年1—11月N型双面组件单位兆瓦发电量对比图

从图4中看出，N型HIT双面组件1—11月累计发电量较基准子阵（P型PERC组件）和N型HIT单面组件分别高出11.83%和9.23%。从图5中看出，1—11月各月N型HIT双面组件单位兆瓦发电量比P型PERC组件和N型HIT单面组件均有增益，可见N型高效电池双面组件较P型PERC组件和N型HIT单面组件的单位兆瓦发电能力更高。双面组件发电量更高主要是因为正面电池接受光照的同时背面也接受辐照，有研究显示，在相同安装倾角条件下，双面组件的背面辐照与正面辐照基本呈线性关系[4-7]。

4 结 论

通过归纳N型高效电池技术，并设计对比N型高效电池组件的运行温度、弱光条件下N型高效组件的工作电流以及各类组件发电量发现，与P型PERC组件对照样本相比，在相同环境条件下N型高效组件运行温度比P型单晶组件运行温度更低，在弱光条件下随着辐照度的逐步升高，N型高效电池组件的工作电流升高更为明显，N型高效电池组件具有更高的发电能力，尤其是N型双面组件发电增益更加明显。随着对其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变得更高，对其应用前景更加重视，尤其是随着N型产品成本的逐步降低，N型组件发电系统的度电成本也将进一步下降，N型双面组件将成为未来光伏发电系统建设的首选产品。

图5 N型双面组件各月发电量及增益对比图