高輻照度對(duì)高效光伏組件性能影響的研究

姜倩 唐蘭蘭 王琪

摘 要：研究了高輻照度下的光譜輻照度分布及其與太陽(yáng)電池的匹配性，通過(guò)測(cè)試輻照前后太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率、外量子效率（EQE）、反射率、柵線形貌，對(duì)比分析了高輻照度、超高輻照度與標(biāo)準(zhǔn)輻照度對(duì)高效太陽(yáng)電池性能影響的差異，并通過(guò)與光伏組件戶外數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析高輻照度對(duì)光伏組件性能的影響。研究結(jié)果顯示：太陽(yáng)電池在經(jīng)受高輻照后，短路電流的下降幅度較為明顯，而其下降主要是因?yàn)闁啪€氧化及鈍化效果變差引起的復(fù)合損失；高輻照環(huán)境下最優(yōu)的光伏組件類型建議選擇n型雙玻半片光伏組件。評(píng)估高效光伏組件在不同環(huán)境下的性能，有助于保證光伏組件成品性能的穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：高輻照度；超高輻照度；太陽(yáng)電池；高效光伏組件；戶外性能

中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0? 引言

隨著光伏行業(yè)的迅猛發(fā)展，隧穿氧化層鈍化接觸（TOPCon）太陽(yáng)電池、背接觸太陽(yáng)電池（XBC）等高效太陽(yáng)電池的量產(chǎn)化進(jìn)程加速，各種太陽(yáng)電池技術(shù)的疊加使太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率大幅提升，但高效太陽(yáng)電池的可靠性尚未得到充分驗(yàn)證。在高效太陽(yáng)電池技術(shù)快速發(fā)展的大背景下，光伏組件的應(yīng)用場(chǎng)景也呈現(xiàn)多樣化，目前行業(yè)出現(xiàn)了通過(guò)加裝反光鏡來(lái)提高光伏組件發(fā)電量的設(shè)計(jì)方式。為了全面考量高效光伏組件在不同環(huán)境下的性能，保證此類光伏組件成品的性能穩(wěn)定可靠，評(píng)估高效光伏組件在高輻照環(huán)境下的性能與常規(guī)輻照下性能的差異是必不可少的。

由于目前光伏行業(yè)無(wú)明確的方法和要求來(lái)評(píng)估高輻照度下高效光伏組件的性能，本文利用穩(wěn)態(tài)太陽(yáng)光模擬器加裝反光鏡的方式達(dá)到高輻照、超高輻照的效果，從而創(chuàng)造高輻照、超高輻照與標(biāo)準(zhǔn)輻照的測(cè)試環(huán)境，通過(guò)測(cè)試輻照前后太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率、外量子效率（EQE）、反射率，對(duì)比分析高輻照、超高輻照對(duì)太陽(yáng)電池性能的影響，并通過(guò)與高效光伏組件戶外數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析高輻照度對(duì)光伏組件性能的影響。

1? 高輻照度下的光譜輻照度分析

利用穩(wěn)態(tài)太陽(yáng)光模擬器加裝反光鏡的方式形成的高輻照度主要是通過(guò)將光線先照射到反光鏡，再由反光鏡反射回太陽(yáng)電池表面來(lái)實(shí)現(xiàn)，但需要測(cè)量并評(píng)估反射回的這部分光線的光譜輻照度分布與太陽(yáng)電池光譜響應(yīng)的匹配性。考慮到不同波段光線在反射過(guò)程中的能量損失，分別對(duì)不同波長(zhǎng)λ時(shí)，常規(guī)輻照度下的光譜輻照度與高輻照度下的光譜輻照度情況進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

從圖1來(lái)看：在相同波長(zhǎng)條件下高輻照度下的光譜輻照度明顯高于常規(guī)輻照度下的該值，且高輻照的環(huán)境是通過(guò)鏡面反射實(shí)現(xiàn)的，說(shuō)明不同波長(zhǎng)的光線均能通過(guò)反光鏡反射到太陽(yáng)電池表面，光程損失率少；高輻照度下的光譜輻照度與常規(guī)輻照度下的光譜輻照度分布趨勢(shì)總體相同。

常規(guī)輻照度下的光譜輻照度與標(biāo)準(zhǔn)輻照度下的光譜輻照度的相對(duì)值如圖2a所示，高輻照度下的光譜輻照度與標(biāo)準(zhǔn)輻照度下的光譜輻照度的相對(duì)值如圖2b所示。

從圖2可以看出：400～700 nm波段下，高輻照度下的光譜輻照度與標(biāo)準(zhǔn)輻照度下的光譜輻照度的相對(duì)值較高，說(shuō)明加裝反光鏡帶來(lái)光的增益在400～700 nm波段更突出。

結(jié)合常規(guī)太陽(yáng)電池一般在500～700 nm波段的量子響應(yīng)最優(yōu)的情況，說(shuō)明通過(guò)加裝反光鏡來(lái)增加輻照度有助于提高太陽(yáng)電池的響應(yīng)能力，并且此種情況下的太陽(yáng)電池響應(yīng)能力優(yōu)于常規(guī)輻照度下的太陽(yáng)電池響應(yīng)能力，而且增加的輻照度對(duì)于提高太陽(yáng)電池輸出功率的貢獻(xiàn)也較大。

雖然增加輻照度能顯著提高太陽(yáng)電池輸出功率，但隨著輻照度的增加，太陽(yáng)電池及光伏組件的工作溫度也都會(huì)增加，這一變化對(duì)二者的性能影響值得進(jìn)一步關(guān)注。

2? 高輻照條件對(duì)太陽(yáng)電池性能影響分析

不同輻照度對(duì)太陽(yáng)電池性能影響的測(cè)試涉及到3個(gè)輻照度，分別為標(biāo)準(zhǔn)輻照度（1000 W/m2）、高輻照度（1300 W/m2）、超高輻照度（1500 W/m2）。其中，標(biāo)準(zhǔn)輻照度是穩(wěn)態(tài)太陽(yáng)光模擬器不加裝反光鏡的情況，高輻照度1300 W/m2是在穩(wěn)態(tài)太陽(yáng)光模擬器基礎(chǔ)上加裝1塊反光鏡實(shí)現(xiàn)的，超高輻照度1500 W/m2是在穩(wěn)態(tài)太陽(yáng)光模擬器基礎(chǔ)上加裝兩塊反光鏡實(shí)現(xiàn)的。可實(shí)現(xiàn)超高輻照度的裝置的實(shí)物圖如圖3所示，超高輻照度對(duì)太陽(yáng)電池性能影響測(cè)試平臺(tái)如圖4所示。

2.1? 高輻照條件下太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率衰減測(cè)試

輻照度增強(qiáng)后太陽(yáng)電池的鈍化缺陷部位的弱氫鍵很容易因溫度和光照而遭到破壞[1]，引起氫鈍化衰減；同時(shí)，增強(qiáng)輻照度后，太陽(yáng)電池工作溫度也會(huì)上升。結(jié)合溫度和輻照度條件，下文選用熱輔助光致衰減（LeTID）測(cè)試[2]，分別對(duì)TOPCon太陽(yáng)電池在標(biāo)準(zhǔn)輻照度、高輻照度和超高輻照度時(shí)的光電轉(zhuǎn)換效率變化情況進(jìn)行測(cè)試。

標(biāo)準(zhǔn)輻照度和高輻照度下TOPCon太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)化效率變化趨勢(shì)如圖5所示。

選取光電轉(zhuǎn)換效率分別為21.84%、21.73%和21.76%的3組TOPCon太陽(yáng)電池，每組太陽(yáng)電池20片，測(cè)試超高輻照度下TOPCon太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)化效率變化情況，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

結(jié)合圖5、圖6可以發(fā)現(xiàn)，高輻照條件下太陽(yáng)電池在270 kWh/m2輻照量時(shí)出現(xiàn)了明顯的光電轉(zhuǎn)換效率衰減拐點(diǎn)，在超高輻照條件下太陽(yáng)電池明顯的光電轉(zhuǎn)換效率衰減拐點(diǎn)出現(xiàn)在180～240 kWh/m2輻照量之間，超高輻照將太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率的整體衰減趨勢(shì)縮短，說(shuō)明高輻照條件將太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率的變化拐點(diǎn)前移。

若目前光伏行業(yè)普遍認(rèn)同n型TOPCon太陽(yáng)電池的LeTID在較長(zhǎng)時(shí)間后也會(huì)衰減的觀點(diǎn)[3]，那么高輻照環(huán)境下太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率衰減率將會(huì)比同期的常規(guī)輻照條件下的高，且光伏組件的輸出功率衰減率也會(huì)較高。

2.2? 高輻照環(huán)境對(duì)太陽(yáng)電池柵線的影響

在高輻照環(huán)境下，輻照量達(dá)到240 kWh/m2后太陽(yáng)電池柵線表面出現(xiàn)明顯的老化現(xiàn)象，利用3D顯微鏡觀察其表面形貌，發(fā)現(xiàn)柵線顏色由白色變?yōu)辄S色，部分區(qū)域有發(fā)黑現(xiàn)象。這是因?yàn)闁啪€在燒結(jié)后成分只留下銀粉和玻璃粉，銀在空氣中很容易發(fā)生氧化反應(yīng)，且高溫可以提高分子運(yùn)動(dòng)速率，分子運(yùn)動(dòng)速率越高，氧化反應(yīng)越劇烈。

利用3D顯微鏡觀察到的高輻照與常規(guī)輻照條件下的太陽(yáng)電池柵線表面情況，具體如圖7所示。

太陽(yáng)電池在實(shí)際使用時(shí)會(huì)封裝成光伏組件，其表面會(huì)有玻璃和膠膜等封裝材料，封裝材料只是減緩了氧氣和水氣的滲透，但依然會(huì)有氧氣和水氣滲透到封裝材料到達(dá)太陽(yáng)電池表面，在高輻照的情況下會(huì)加快柵線的老化進(jìn)程。鑒于此，如果光伏組件是用于高輻照地區(qū)，最好選擇水氣透過(guò)率低的封裝材料。對(duì)于雙玻和透明背板光伏組件而言，由于玻璃的水氣透過(guò)率幾乎為零，而透明背板的水氣透過(guò)率約為1.8 g/（m2· d），因此，雙玻光伏組件優(yōu)于透明背板光伏組件。

2.3? 高輻照環(huán)境對(duì)太陽(yáng)電池鈍化層的影響

為進(jìn)一步了解經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的高輻照后太陽(yáng)電池的鈍化層結(jié)構(gòu)是否發(fā)生了變化，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)輻照度、高輻照度、超高輻照度前后太陽(yáng)電池在不同波長(zhǎng)下的反射率和EQE進(jìn)行了測(cè)試。

反射率可以反映光線照射至太陽(yáng)電池表面后被吸收的綜合比例，而EQE則可以反映所有入射的光子數(shù)中經(jīng)過(guò)太陽(yáng)電池內(nèi)部電子-空穴復(fù)合等過(guò)程后收集到的電子的比例。不同輻照條件下太陽(yáng)電池的反射率對(duì)比如圖8所示。

從圖8可以看出：在短波段300～380 nm，高輻照、超高輻照度下太陽(yáng)電池的反射率有所上升。但輻照會(huì)對(duì)太陽(yáng)電池前表面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定程度的損傷，因此可以通過(guò)EQE來(lái)判斷不同輻照條件下太陽(yáng)電池鈍化層結(jié)構(gòu)的改變情況。

不同輻照度下太陽(yáng)電池的EQE對(duì)比如圖9所示。

從圖9可以看出：在高和超高輻照度下，太陽(yáng)電池在短波段（300～380 nm）的EQE均低于標(biāo)準(zhǔn)輻照度下的該值。由于短波長(zhǎng)的光是在非常接近太陽(yáng)電池表面的位置被吸收，若太陽(yáng)電池前表面有相當(dāng)多的電子-空穴復(fù)合，將會(huì)影響太陽(yáng)電池在短波段附近的EQE，這說(shuō)明高和超高輻照對(duì)太陽(yáng)電池鈍化結(jié)構(gòu)的影響主要是在太陽(yáng)電池的前表面鈍化層。

對(duì)于TOPCon太陽(yáng)電池而言，其減反射鈍化結(jié)構(gòu)由SiNx層與Al2O3層復(fù)合形成。在輻照環(huán)境下，裸太陽(yáng)電池的SiNx層會(huì)發(fā)生腐蝕老化，而對(duì)于由SiNx層與Al2O3層復(fù)合形成的鈍化結(jié)構(gòu)，雖然Al2O3層表面有SiNx層作為保護(hù)層，但根據(jù)文獻(xiàn)[4]對(duì)LeTID的研究成果，太陽(yáng)電池在高溫、輻照環(huán)境下會(huì)發(fā)生氫誘導(dǎo)衰減，而氫原子與其他雜質(zhì)形成的缺陷對(duì)的價(jià)態(tài)變化是根源所在。對(duì)于TOPCon太陽(yáng)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)而言，鈍化層SiNx/Al2O3是氫的來(lái)源。燒結(jié)工序可以讓鈍化層釋放的氫進(jìn)入硅片，形成弱氫鍵，鈍化缺陷部位。這些氫鍵很容易因高溫和光照而受到破壞，釋放弱鍵氫，從而導(dǎo)致太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率衰減。

2.4? 高輻照測(cè)試后太陽(yáng)電池電性能參數(shù)變化

高輻照度下，不同輻照量時(shí)太陽(yáng)電池的電性能參數(shù)變化情況如表1所示。

由于開(kāi)路電壓和短路電流是衡量太陽(yáng)電池性能的主要參數(shù)，從表1可以看出，在經(jīng)受高輻照后，太陽(yáng)電池的短路電流的下降幅度較大，而短路電流的降低主要是因?yàn)闁啪€氧化及鈍化效果變差引起的復(fù)合損失。

當(dāng)太陽(yáng)電池長(zhǎng)期處于高輻照環(huán)境下時(shí)，其柵線的老化進(jìn)程將會(huì)加快，鈍化層也會(huì)發(fā)生腐蝕老化，同時(shí)也會(huì)發(fā)生氫誘導(dǎo)衰減。太陽(yáng)電池的性能變化主要體現(xiàn)在短路電流的降低上。

3? 高輻照環(huán)境對(duì)光伏組件應(yīng)用的影響

光伏組件在高輻照環(huán)境下使用時(shí)，其輸出功率和光電轉(zhuǎn)換效率主要受輻照度和溫度的影響。

3.1? 不同輻照度和溫度條件下光伏組件的性能表現(xiàn)

在光伏組件工作溫度為40 ℃的條件下，對(duì)不同太陽(yáng)輻照度時(shí)光伏組件的輸出功率進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

從圖10和圖11可以看出：太陽(yáng)輻照度越高，光伏組件輸出功率也越高，而太陽(yáng)輻照度越高，光伏組件的工作溫度也會(huì)相對(duì)升高，隨著光伏組件工作溫度的升高，其光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)有一定程度的下降。從實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，相較于標(biāo)準(zhǔn)輻照度1000 W/m2時(shí)，高輻照度1300 W/m2下光伏組件的工作溫度會(huì)升高6 ℃左右，而輸出功率會(huì)提高10%以上。由此可知，高輻照帶來(lái)的輸出功率增益大于溫度上升對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率的影響。

高輻照環(huán)境下選用更低溫度系數(shù)的n型光伏組件綜合效益會(huì)更高，對(duì)比整片光伏組件的溫度系數(shù)（-0.327%/℃）與半片光伏組件的溫度系數(shù)（-0.313%/℃），半片光伏組件的優(yōu)勢(shì)更大。因此，高輻照環(huán)境下最優(yōu)的光伏組件類型建議選擇n型雙玻半片光伏組件。

3.2? 不同地區(qū)實(shí)現(xiàn)高輻照環(huán)境的條件不同

不同于實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試太陽(yáng)電池性能時(shí)創(chuàng)造的高輻照度環(huán)境，針對(duì)實(shí)際光伏電站運(yùn)行中的光伏組件，由于不同地區(qū)的光伏組件最佳安裝傾角不同，因此在不同地區(qū)實(shí)現(xiàn)高輻照環(huán)境時(shí)反光鏡的安裝角度各不相同。

反光鏡安裝示意圖如圖12 所示。圖中：φ1為光伏組件與水平面的夾角；φ2、φ4均為反光鏡與水平面的夾角；φ3為太陽(yáng)高度角；φ5為太陽(yáng)反射光線與水平面的夾角；H1為光伏組件頂點(diǎn)離地距離；H2為光伏組件頂點(diǎn)與反光鏡頂點(diǎn)距離；H3為反光鏡頂點(diǎn)離地距離；L1為光伏組件長(zhǎng)度；L2為反光鏡長(zhǎng)度。

tanφ5+L2sinφ2–L2sinφ1=0，進(jìn)一步求解得到：（L1+ L2cosφ1+L2cosφ2）tan（φ3–2φ2）+L2sinφ2–L2sinφ1=0。φ1、φ3、L1、L2已知，從而可求出φ2。

在中國(guó)，一年中正午太陽(yáng)高度角最大值在夏至日、最小值在冬至日。以冬至日為例，經(jīng)計(jì)算得到中國(guó)部分區(qū)域的反光鏡最佳安裝角度，具體如表2所示。

從冬至日至夏至日，正午太陽(yáng)高度角不斷變大，從夏至日至冬至日，正午太陽(yáng)高度角不斷變小，因此反光鏡安裝后角度若可以隨時(shí)間變化及時(shí)調(diào)整，光伏組件輸出功率的增益將會(huì)不斷增大。

4? 結(jié)論

本文研究了高輻照度下的光譜輻照度分布及其與太陽(yáng)電池的匹配性，通過(guò)測(cè)試輻照前后太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率、外量子效率（EQE）、反射率、柵線形貌，對(duì)比分析了高輻照度、超高輻照度與標(biāo)準(zhǔn)輻照度對(duì)高效太陽(yáng)電池性能影響的差異，并通過(guò)與光伏組件戶外數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析高輻照

度對(duì)光伏組件性能的影響。研究結(jié)果顯示：太陽(yáng)電池在經(jīng)受高輻照后，短路電流的下降幅度較大，而其下降主要是因?yàn)闁啪€氧化及鈍化效果變差引起的復(fù)合損失；高輻照環(huán)境下最優(yōu)的光伏組件類型建議選擇n型雙玻半片光伏組件。

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