近年隨著光伏電池新技術(shù)、新工藝和新結(jié)構(gòu)的開發(fā)和利用，光伏電池行業(yè)得到了迅猛發(fā)展，n型電池作為支撐新能源發(fā)展和智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，已成為全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)。
因n型隧穿氧化層鈍化接觸光伏電池(以下簡(jiǎn)稱“n型TOPCon電池”)比常規(guī)光伏電池具有顯著效率提升的性能優(yōu)勢(shì)，隨著增加成本可控、設(shè)備改造成熟，n型TOPCon電池的國(guó)內(nèi)產(chǎn)能進(jìn)一步擴(kuò)大，成為高效光伏電池主要發(fā)展方向。
n型TOPCon電池的標(biāo)準(zhǔn)化面臨現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)無法覆蓋、標(biāo)準(zhǔn)適用性有待改善等問題，本文將圍繞n型TOPCon電池的標(biāo)準(zhǔn)化展開研究與分析，并給出標(biāo)準(zhǔn)化建議。
n型TOPCon電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
常規(guī)光伏電池所用的p型硅基底材料構(gòu)造是n+pp+，受光面是n+面，利用磷擴(kuò)散形成發(fā)射極。
對(duì)于n型硅基底材料的同質(zhì)結(jié)光伏電池結(jié)構(gòu)主要有兩種，一種是n+np+，另一種是p+nn+。
相比p型硅，n型硅具有更好的少子壽命、更低的衰減，效率潛能更大。
由n型硅制成的n型雙面電池因其效率高、弱光響應(yīng)好、溫度系數(shù)低、雙面發(fā)電多等優(yōu)勢(shì)。
隨著產(chǎn)業(yè)對(duì)光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率的要求不斷提高，TOPCon、HJT、IBC等n型高效光伏電池逐步占據(jù)著未來的市場(chǎng)。
根據(jù)2021年國(guó)際光伏路線圖(ITRPV)全球光伏行業(yè)技術(shù)及市場(chǎng)預(yù)測(cè)，n型電池代表了國(guó)內(nèi)外光伏電池未來的技術(shù)及市場(chǎng)發(fā)展方向。
在3類n型電池的技術(shù)路線中，n型TOPCon電池憑借其對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的利用率高、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢(shì)，成為產(chǎn)業(yè)化規(guī)模最大的技術(shù)路線。
目前行業(yè)內(nèi)的n型TOPCon電池普遍基于LPCVD(低壓氣相化學(xué)沉積)技術(shù)進(jìn)行制備，其工序繁多，效率、良率都受到制約，且設(shè)備依賴進(jìn)口，產(chǎn)品在成本、關(guān)鍵技術(shù)突破、轉(zhuǎn)換效率等方面有待提升，n型TOPCon電池規(guī)?；a(chǎn)所面臨制造成本偏高、工藝復(fù)雜、良率偏低、轉(zhuǎn)換效率不夠高的技術(shù)難題。
行業(yè)對(duì)n型TOPCon電池的技術(shù)提升有著諸多嘗試，其中，在隧穿氧化層和摻雜多晶硅(n+-polySi)層的單工序沉積中應(yīng)用無繞鍍單面沉積原位摻雜多晶硅層技術(shù)；
使用鋁漿及銀漿的混合新技術(shù)制備n型TOPCon電池的金屬電極，降低成本的同時(shí)改善接觸電阻；采用正面選擇性發(fā)射極結(jié)構(gòu)和背面多層隧穿鈍化接觸結(jié)構(gòu)技術(shù)。
這些技術(shù)提升與工藝優(yōu)化為n型TOPCon電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展做出了一定貢獻(xiàn)。
n型TOPCon電池標(biāo)準(zhǔn)化研究
n型TOPCon電池在技術(shù)上與常規(guī)p型光伏電池存在一定的差異，而市場(chǎng)對(duì)于光伏電池的判定依據(jù)按照現(xiàn)行常規(guī)電池的標(biāo)準(zhǔn)，沒有明確的針對(duì)n型光伏電池的標(biāo)準(zhǔn)要求。
n型TOPCon電池具備低衰減、低溫度系數(shù)、高效率、高雙面系數(shù)、高開壓等特點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)方面與常規(guī)光伏電池有一定區(qū)別。
本節(jié)將從n型TOPCon電池標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)確定出發(fā)，圍繞彎曲度和電極抗拉強(qiáng)度、可靠性、初始光致衰減性能等方面開展相應(yīng)驗(yàn)證，并對(duì)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行討論。
標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)的確定
常規(guī)光伏電池所依據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)為GB/T29195—2012《地面用晶體硅太陽電池總規(guī)范》，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)光伏電池的特性參數(shù)提出了明確要求。
基于GB/T29195—2012的要求，結(jié)合n型TOPCon電池的技術(shù)特點(diǎn)逐項(xiàng)開展分析。
見表1，n型TOPCon電池在尺寸和外觀方面與常規(guī)電池基本一致；
表1 n型TOPCon電池與GB/T29195—2012的要求對(duì)比
在電性能參數(shù)和溫度系數(shù)方面分別依據(jù)IEC60904-1和IEC61853-2開展試驗(yàn)，測(cè)試方法與常規(guī)電池一致；力學(xué)性能的要求在彎曲度和電極抗拉強(qiáng)度兩個(gè)參數(shù)與常規(guī)電池有差異。
此外，根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用環(huán)境情況，增加濕熱試驗(yàn)作為可靠性要求。
基于上述分析，對(duì)n型TOPCon電池的力學(xué)性能和可靠性開展試驗(yàn)驗(yàn)證。
選取同類技術(shù)路線不同制造廠家的光伏電池產(chǎn)品作為實(shí)驗(yàn)樣品，樣品由泰州中來光電科技有限公司(以下簡(jiǎn)稱中來光電)和國(guó)家電投集團(tuán)西安太陽能科技有限公司(以下簡(jiǎn)稱西安國(guó)電投)提供。
實(shí)驗(yàn)在第三方實(shí)驗(yàn)室和企業(yè)實(shí)驗(yàn)室開展，分別就彎曲度和電極抗拉強(qiáng)度、熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)和濕熱試驗(yàn)、初始光致衰減性能等參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。
n型TOPCon電池的力學(xué)性能中的彎曲度和電極抗拉強(qiáng)度是對(duì)電池片本身的直接測(cè)試，試驗(yàn)方法的驗(yàn)證具體如下。
彎曲度指被測(cè)樣品中位面中心點(diǎn)與中位面基準(zhǔn)平面的偏離，通過光伏電池彎曲變形情況進(jìn)行試驗(yàn)，是評(píng)價(jià)電池受力下平整度的重要指標(biāo)。
其主要測(cè)試方法是使用低壓力位移指示器測(cè)量硅片中心偏離基準(zhǔn)平面的距離。
由中來光電和西安國(guó)電投各提供20片M10尺寸n型TOPCon電池，分別在表面平整度優(yōu)于0.01mm平臺(tái)，用分辨力優(yōu)于0.01mm的量具進(jìn)行電池彎曲度檢測(cè)。
電池彎曲度檢測(cè)按GB/T29195—2012中4.2.1的規(guī)定進(jìn)行。
表2 n型TOPCon電池彎曲度測(cè)試結(jié)果
中來光電和西安國(guó)電投的企業(yè)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)對(duì)彎曲度的要求均為不高于0.1mm，根據(jù)抽樣測(cè)試結(jié)果分析，中來光電和西安國(guó)電投的彎曲度平均值分別為0.056mm和0.053mm，最大值分別為0.08mm和0.10mm。
根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，提出n型TOPCon電池彎曲度不高于0.1mm的要求建議。
電極抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證
金屬焊帶通過焊接方式與光伏電池的柵線連接，起到傳導(dǎo)電流的作用，焊帶與電極之間應(yīng)是穩(wěn)定連接，盡可能減小接觸電阻，保證電流傳導(dǎo)效率。
為此，對(duì)電池的柵線進(jìn)行電極抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，可以評(píng)估電池的電極可焊性與焊接質(zhì)量，是光伏電池電機(jī)附著強(qiáng)度的常見測(cè)試方法。
由于n型TOPCon電池具備雙面發(fā)電的特點(diǎn)，在電池正面和背面均有柵線，因此分別對(duì)正面電極和背面電極進(jìn)行電極抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。
由中來光電和西安國(guó)電投分別提供5組和10組M10尺寸n型TOPCon電池，并根據(jù)工藝要求進(jìn)行焊接：用相同規(guī)格的涂錫焊帶，將其浸入助焊劑溶液中10min，取出后在加熱平臺(tái)直至焊帶表面無助焊劑藥液殘留。
將涂錫焊帶手工焊接在電池片的正背面主柵上，有效焊接距離貫穿整個(gè)電池主柵表面。對(duì)焊接后的涂錫焊帶與電池片進(jìn)行180剝離試驗(yàn)，如圖1所示。
圖1 電極抗拉強(qiáng)度剝離試驗(yàn)示意圖
電池片放置拉力測(cè)試平臺(tái)需使用固片夾進(jìn)行固定。涂錫焊帶通過上夾板的開槽引出(開槽的寬度應(yīng)略大于涂錫焊帶的寬度)。
在試驗(yàn)機(jī)上以500mm/min的速度進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)的測(cè)力系統(tǒng)準(zhǔn)確度應(yīng)為1級(jí)或優(yōu)于1級(jí)，取剝離曲線中相對(duì)峰值曲線段記錄平均剝離強(qiáng)度(平均剝離力與涂錫焊帶寬度的比值)。
電極抗拉測(cè)試需監(jiān)控到主柵每個(gè)焊點(diǎn)位置，測(cè)試結(jié)果見表3和表4所示。
表3 中來光電n型TOPCon電池電極抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果
表4 西安國(guó)電投n型TOPCon電池電極抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果
根據(jù)抽樣測(cè)試結(jié)果分析，中來光電和西安國(guó)電投的正面電極拉伸強(qiáng)度平均值分別為9.4N/mm和5.80N/mm，背面電極拉伸強(qiáng)度分別為10.9N/mm和5.23N/mm。
由于電流傳輸效率由同一條柵線上的焊接點(diǎn)共同決定，焊接合格率超過80%即可滿足電流傳輸要求，根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果分布，提出n型TOPCon電池電極拉伸強(qiáng)度大于等于1.25N/mm，單點(diǎn)合格率不低于80%的要求建議。
光伏組件將在戶外長(zhǎng)期運(yùn)行25年之久，光伏電池的可靠性是產(chǎn)品的一個(gè)重要特性。
從熱應(yīng)力導(dǎo)致的半導(dǎo)體衰減機(jī)理來看，通常針對(duì)光伏電池的可靠性試驗(yàn)方法有熱循環(huán)試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)、濕凍試驗(yàn)等；而光輻照應(yīng)力主要影響pn結(jié)界面的符合效率，通常以光致衰減的方式開展試驗(yàn)。
其中濕凍試驗(yàn)主要考驗(yàn)光伏組件封裝性能，與光伏電池的衰減機(jī)理關(guān)聯(lián)性不大，在此文中不展開探討。
熱循環(huán)試驗(yàn)通過在實(shí)驗(yàn)箱中的高低溫交替循環(huán)模擬戶外運(yùn)行晝夜循環(huán)的溫度變化，是評(píng)估光伏產(chǎn)品可靠性的一種常用的試驗(yàn)手段。
對(duì)光伏電池進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)，一方面可以快速驗(yàn)證電池印刷質(zhì)量和電極附著強(qiáng)度，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和材料導(dǎo)入提供參考；另一方面可以減少電池和組件段的失效，提高總體質(zhì)量可靠性。
由中來光電提供20片M10尺寸n型TOPCon電池，將經(jīng)初始光衰減穩(wěn)定后，在實(shí)驗(yàn)室開展熱循環(huán)試驗(yàn)。
圖2 熱循環(huán)試驗(yàn)溫濕度控制曲線
將電池樣品間隔地放置在環(huán)境試驗(yàn)箱(相對(duì)濕度小于60%)中，按照?qǐng)D2的溫度分布，使電池的溫度在-40℃±2℃和85℃±2℃之間循環(huán)，低溫端和高溫端之間的溫度變化率不得超過100℃/h；在兩個(gè)極端溫度的保持時(shí)間不少于10min一次循環(huán)時(shí)間不超過6h，循環(huán)次數(shù)5次。
試驗(yàn)前后分別對(duì)電池的外觀、力學(xué)性能和電性能參數(shù)中的最大功率進(jìn)行檢測(cè)，并按照式(1)計(jì)算衰減率。
表5 n型TOPCon電池?zé)嵫h(huán)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果
式(1)中：η——功率衰減率；Pmax,before——實(shí)驗(yàn)前STC最大輸出功率；Pmax,after——實(shí)驗(yàn)后STC最大輸出功率。
根據(jù)測(cè)試結(jié)果，熱循環(huán)試驗(yàn)前后的效率差值平均值分別為0.08%和0.06%。
由于n型光伏電池純度較高、晶向一致性好，其穩(wěn)定性優(yōu)于常規(guī)p型光伏電池，根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果分布，同時(shí)考慮最大功率測(cè)試系統(tǒng)的不確定度約為2%，提出n型TOPCon電池的熱循環(huán)可靠性不超過3%的要求建議。
濕度和溫度的共同作用，對(duì)光伏產(chǎn)品戶外運(yùn)行的衰減起到顯著的影響。
濕熱試驗(yàn)通過在實(shí)驗(yàn)箱中設(shè)置溫度85℃和相對(duì)濕度85%的條件，對(duì)樣品同時(shí)施加熱應(yīng)力和濕度的苛刻條件，可以評(píng)估光伏產(chǎn)品戶外耐濕熱的能力。
對(duì)封裝的光伏電池進(jìn)行濕熱試驗(yàn)，既可以快速驗(yàn)證電池耐水耐熱程度，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和材料導(dǎo)入提供參考，也可以考驗(yàn)封裝效果，評(píng)估組件封裝可靠性。
由中來光電和西安國(guó)電投分別提供20片和10片M10尺寸n型TOPCon電池，樣品采用背板+電池片+玻璃的封裝結(jié)構(gòu)，并做用膠帶做封邊處理，并經(jīng)初始光衰減穩(wěn)定。
將樣品間隔地放置在環(huán)境試驗(yàn)箱中，試驗(yàn)箱溫度設(shè)置為85℃±5℃，保持相對(duì)濕度(85±5)%。
待電池溫度維持穩(wěn)定后開展24h測(cè)試。
試驗(yàn)前后分別對(duì)電池的外觀、力學(xué)性能和電性能參數(shù)中的最大功率進(jìn)行檢測(cè)，并按照式(1)計(jì)算衰減率，測(cè)試結(jié)果見表6，分析電池衰減情況。
表6 n型TOPCon電池濕熱試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果
根據(jù)測(cè)試結(jié)果，熱循環(huán)試驗(yàn)前后的效率差值平均值分別為0.02%、0.13%和0.50%。
由于n型光伏電池純度較高、晶向一致性好，其穩(wěn)定性優(yōu)于常規(guī)p型光伏電池，根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果分布，同時(shí)考慮最大功率測(cè)試系統(tǒng)的不確定度約為2%，提出n型TOPCon電池的濕熱可靠性不超過3%的要求建議。
光伏電池在接收光照射后，其pn結(jié)界面會(huì)產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)，使光電轉(zhuǎn)換效率下降，直到內(nèi)建電場(chǎng)與復(fù)合效率達(dá)到平衡。
通常在光伏電池接收光照的初期出現(xiàn)，并隨著時(shí)間推移達(dá)到穩(wěn)定，這種衰減被稱為初始光致衰減。
在實(shí)驗(yàn)室條件模擬開展初始光致衰減試驗(yàn)，可以評(píng)估光伏電池進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)電的真實(shí)效率，同樣可以作為經(jīng)過衰減后評(píng)價(jià)本征穩(wěn)定性的一個(gè)重要手段。
由中來光電和西安國(guó)電投分別提供10片M10尺寸n型TOPCon電池，按照IEC63202-1的規(guī)定進(jìn)行初始光致衰減試驗(yàn)，并按照式(1)計(jì)算衰減率。測(cè)試結(jié)果見表7。
表7 n型TOPCon電池初始光致衰減試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果
根據(jù)測(cè)試結(jié)果，初始光致衰減試驗(yàn)的衰減率平均值分別為0.89%和0.47%。由于n型光伏電池純度較高、晶向一致性好，其穩(wěn)定性優(yōu)于常規(guī)p型光伏電池，根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果分布，同時(shí)考慮最大功率測(cè)試系統(tǒng)的不確定度約為2%，提出n型TOPCon電池的濕熱可靠性不超過3%的要求建議。
n型TOPCon電池技術(shù)憑借其轉(zhuǎn)化效率高、對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的利用率高等優(yōu)勢(shì)，成為產(chǎn)業(yè)化規(guī)模最大的新一代高效光伏技術(shù)。
來源：中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，泰州中來光電科技有限公司，國(guó)家電投集團(tuán)西安太陽能科技有限公司，《n 型 TOPCon 光伏電池標(biāo)準(zhǔn)化研究》
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