高效太陽能電池：PERC 和半切

關於高效太陽能電池：PERC 和半切

自 1954 年貝爾實驗室建立第一個主要矽電池以來，光伏技術一直在穩步改進。隨著研究和開發不斷推動太陽能電池技術向前發展（圖 1），我們經常看到這些進步在商業應用中的採用滯後. 如今，曾經只能在實驗室中看到的高效太陽能電池已在全球範圍內安裝。

圖 1：自 1976 年以來研究級太陽能電池的效率改進
來源：NREL

當這些創新已被證明在製造過程中具有可擴充套件性並且在現場可靠時，通常會進行商業採用。舉個例子，1980 年代在澳大利亞開發的鈍化發射器和背面電池 (PERC) 太陽能電池幫助建立了 20% 的基準效率。然而，它直到 2015 年才被確立為最具競爭力的晶體矽技術，2017 年銷售額超過 100 億美元，預計到 2040 年將超過 1 萬億美元。 PERC 電池已成為許多模組中的標準技術型別晶科、英利和天合等製造商正在取代鋁背表面場 (Al-BSF) 等舊電池結構。

半切電池是太陽能技術的另一項進步，最近已滲透到商業太陽能應用中並迅速成為標準。雖然不像 PERC 電池的發展那樣震動行業，但半切電池的用途和好處在商業意義上已經更加明顯。這導致該行業的採用率更快，120 和 144 節電池模組變得越來越普遍。

更高效率的電池可以提供多種效能和經濟利益。它們可以幫助降低系統成本的平衡，增加每平方米太陽能裝置的能量密度，並解決場地的潛在尺寸和陰影限制。

PERC 太陽能電池

與許多太陽能電池技術的發展一樣，PERC 技術背後的原理基於光伏材料在微觀層面的化學結構。本文為太陽能系統設計人員和安裝人員簡要介紹了 PERC 功能。

什麼是PERC？

鈍化發射極和背面電池 (PERC) 是一種高效太陽能電池架構，不同於其他傳統型別的單晶太陽能電池，例如鋁背表面場 (Al-BSF)，如圖 2 所示。在 Al-BSF 結構中，電池背面的金屬與矽基板直接接觸。這種全面積金屬/矽介面會導致大量損耗，從而限制了該設計的潛在效率。

在 PERC 電池中，在基底矽晶片和背面的金屬觸點之間引入了非常薄的鈍化層，層中的孔允許小面積的金屬與晶片直接接觸。

圖 2：與 PERC 電池相比，傳統 AI-BSF 電池中的太陽能電池結構

PERC 電池在三個主要方面提供了效率優勢：

減少重組損失

當光照射到細胞時，它會激發電子-空穴對，從而產生電子運動，從而產生電流。然而，在晶體結構突然停止的矽表面，有大量缺陷可以捕獲電子，這限制了電池的功率輸出。在 Al-BSF 設計中，背面完全被金屬覆蓋，因此背面的陷阱密度仍然很高。PERC 背面的薄鈍化層有助於顯著減少背面的缺陷數量，這意味著損失的電子更少。避免這些損失意味著 PERC 太陽能電池可以產生更高的電壓。

減少光損耗

電池背面的薄介電層允許透過矽到達電池背面的任何光再次有機會產生電流。透過從背面反射光，這增加了可能被電池吸收以產生電流的光的總百分比，這反過來又提高了效率。

降低溫度係數

當太陽能電池在屋頂或現場的高溫下執行時，效率會降低，主要是由於溫度升高時電壓下降。由於與 Al-BSF 相比，PERC 太陽能電池的載流子收集效率有所提高，因此它們在高溫下表現更好。此外，背面沒有金屬意味著 PERC 電池吸收更少的紅外光，這有助於減少熱量。

PERC 考慮因素

隨著 PERC 技術提供的效率提高，也有一些問題需要警惕。

蓋

光致退化是太陽能模組在陽光下的最初幾天內可能經歷的一種不可避免的退化形式。這是一個有據可查的問題，會導致模組生命週期的第一年出現初始功率損失——通常在模組製造商的保修中考慮在內。

PID

潛在誘導退化是一種由於漏電流從玻璃板透過封裝材料和抗反射塗層 (ARC) 到達電池而發生的現象。這是系統元件中相對於地球的負電位的結果，導致某些電池效能呈指數級下降。

在製造方面，可以考慮玻璃、封裝材料和 ARC 的材料選擇，以幫助減輕 PID 的影響。將系統的負極接地也可以防止 PID 的發生，但是大多數太陽能發電系統使用無變壓器逆變器，因此無法進行功能接地。

萊特ID

光和高溫引起的退化在面板退化方面具有更深遠的影響。在 LID 和 LeTID 之間，後者不太瞭解。2016 年記錄的一些 PERC 模組在 3 年的測試中顯示出超過 10% 的模組功率衰減。

雖然這些是潛在的關注領域，但已經投入了大量的研究和開發，以幫助最大限度地減少這些退化問題。2020 年 2 月，新南威爾士大學的研究人員公佈了新技術，聲稱它可以幫助減少 LID 和 LeTID。

使用 PERC 技術的好處

PERC 等效率更高的太陽能電池帶來的明顯好處是，它可以在可用區域有限的地方提供幫助——允許安裝更多能量密集的裝置。

透過減少實現任何給定容量所需的模組數量，整體系統成本可能會降低。這直接關係到系統成本 (BOS) 的平衡，例如機架和佈線，並有助於減少安裝時間。

半切太陽能電池

太陽能電池技術的另一項創新是半切電池。REC 在 2014 年推出了第一個商用半切電池。從那時起，這些型別的太陽能電池已迅速被行業採用，因為它們能夠增加太陽能系統的功率輸出，而在製造過程中所需的改動最少。

半切電池模組由被切成兩半的電池組成，在一個模組中總共有 120 或 144 個電池——與傳統太陽能模組相比，總數增加了一倍。每個半切電池產生與標準電池相同的電壓，但電流僅為一半，因此它們以並聯方式排列（圖 3）以模擬傳統模組的電壓和電流額定值。這種型別的電池有很多好處，其中許多使用 PERC 技術。最突出的好處是減少了每個電池的電流，降低了電阻損耗，從而導致每平方米功率增加。

圖 3：半切電池模組中的電池排列

建立半切割電池的製造過程確實包括一些額外的步驟——透過鐳射或線鋸切割，並增加電池串接的複雜性。這兩個過程的自動化幫助製造商克服了這一障礙，減少了出錯的機會和相關成本。這導致了許多大型太陽能模組製造商的高度採用，半切技術在全球範圍內佔據越來越大的市場份額。晶科太陽能是將其工藝轉向主要專注於半電池生產的製造商之一——預計 2021 年的產量為 20 吉瓦，其中 16 吉瓦將由半切電池組成。

半切電池元件與傳統元件相比具有三個主要優點：

減少電阻損耗

將單元大小減半會在兩半之間分配總電流。這在半切電池減少電阻損耗的能力中起著至關重要的作用，包括電池的串聯電阻和連線帶的串聯電阻。由於電流和功率之間的二次關係，其中 P = I 2 x R，與全電池相比，電流減半，因此功率損耗是全電池的 1/4。因此，當有兩串半切電池時，電阻功率損耗是全電池模組的 1/2，有助於提高整體模組效能。

在陰影條件下表現更好

在遇到某些陰影條件時，半切割電池技術有可能比全電池元件表現得更好。這可以歸因於由於每個模組的電池數量加倍而導致的所需串接配置。

圖 4：半切電池模組優於傳統模組的“縱向”陰影示例

如圖 4 所示，半切電池串聯並連線到旁路二極體，類似於全電池模組的配置。不同之處在於每個旁路二極體都與兩串電池並聯。當模組的一半被部分遮蔽時，模組的另一半能夠繼續發電並且旁路二極體保持不活動狀態。這允許在經歷陰影的地點增加模組佈置的靈活性。

減少熱點影響

當模組被部分遮蔽時，由於遮蔽電池中的功率耗散，可能會出現熱點。這會導致陰影單元過熱。使用半切電池的模組產生的電流比全電池的電流小，這反過來又有助於減少陰影電池中的耗散功率——減輕熱點退化。