高輻照度對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電池的匹配性，通過測試輻照前后太陽電池的光電轉換效率、外量子效率（EQE）、反射率、柵線形貌，對比分析了高輻照度、超高輻照度與標準輻照度對高效太陽電池性能影響的差異，并通過與光伏組件戶外數據關聯分析高輻照度對光伏組件性能的影響。研究結果顯示：太陽電池在經受高輻照后，短路電流的下降幅度較為明顯，而其下降主要是因為柵線氧化及鈍化效果變差引起的復合損失；高輻照環境下最優的光伏組件類型建議選擇n型雙玻半片光伏組件。評估高效光伏組件在不同環境下的性能，有助于保證光伏組件成品性能的穩定可靠。

關鍵詞：高輻照度；超高輻照度；太陽電池；高效光伏組件；戶外性能

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0? 引言

隨著光伏行業的迅猛發展，隧穿氧化層鈍化接觸（TOPCon）太陽電池、背接觸太陽電池（XBC）等高效太陽電池的量產化進程加速，各種太陽電池技術的疊加使太陽電池的光電轉換效率大幅提升，但高效太陽電池的可靠性尚未得到充分驗證。在高效太陽電池技術快速發展的大背景下，光伏組件的應用場景也呈現多樣化，目前行業出現了通過加裝反光鏡來提高光伏組件發電量的設計方式。為了全面考量高效光伏組件在不同環境下的性能，保證此類光伏組件成品的性能穩定可靠，評估高效光伏組件在高輻照環境下的性能與常規輻照下性能的差異是必不可少的。

由于目前光伏行業無明確的方法和要求來評估高輻照度下高效光伏組件的性能，本文利用穩態太陽光模擬器加裝反光鏡的方式達到高輻照、超高輻照的效果，從而創造高輻照、超高輻照與標準輻照的測試環境，通過測試輻照前后太陽電池的光電轉換效率、外量子效率（EQE）、反射率，對比分析高輻照、超高輻照對太陽電池性能的影響，并通過與高效光伏組件戶外數據關聯分析高輻照度對光伏組件性能的影響。

1? 高輻照度下的光譜輻照度分析

利用穩態太陽光模擬器加裝反光鏡的方式形成的高輻照度主要是通過將光線先照射到反光鏡，再由反光鏡反射回太陽電池表面來實現，但需要測量并評估反射回的這部分光線的光譜輻照度分布與太陽電池光譜響應的匹配性?？紤]到不同波段光線在反射過程中的能量損失，分別對不同波長λ時，常規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行了測試，測試結果如圖1所示。

從圖1來看：在相同波長條件下高輻照度下的光譜輻照度明顯高于常規輻照度下的該值，且高輻照的環境是通過鏡面反射實現的，說明不同波長的光線均能通過反光鏡反射到太陽電池表面，光程損失率少；高輻照度下的光譜輻照度與常規輻照度下的光譜輻照度分布趨勢總體相同。

常規輻照度下的光譜輻照度與標準輻照度下的光譜輻照度的相對值如圖2a所示，高輻照度下的光譜輻照度與標準輻照度下的光譜輻照度的相對值如圖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準輻照度下的光譜輻照度的相對值較高，說明加裝反光鏡帶來光的增益在400～700 nm波段更突出。

結合常規太陽電池一般在500～700 nm波段的量子響應最優的情況，說明通過加裝反光鏡來增加輻照度有助于提高太陽電池的響應能力，并且此種情況下的太陽電池響應能力優于常規輻照度下的太陽電池響應能力，而且增加的輻照度對于提高太陽電池輸出功率的貢獻也較大。

雖然增加輻照度能顯著提高太陽電池輸出功率，但隨著輻照度的增加，太陽電池及光伏組件的工作溫度也都會增加，這一變化對二者的性能影響值得進一步關注。

2? 高輻照條件對太陽電池性能影響分析

不同輻照度對太陽電池性能影響的測試涉及到3個輻照度，分別為標準輻照度（1000 W/m2）、高輻照度（1300 W/m2）、超高輻照度（1500 W/m2）。其中，標準輻照度是穩態太陽光模擬器不加裝反光鏡的情況，高輻照度1300 W/m2是在穩態太陽光模擬器基礎上加裝1塊反光鏡實現的，超高輻照度1500 W/m2是在穩態太陽光模擬器基礎上加裝兩塊反光鏡實現的?？蓪崿F超高輻照度的裝置的實物圖如圖3所示，超高輻照度對太陽電池性能影響測試平臺如圖4所示。

2.1? 高輻照條件下太陽電池的光電轉換效率衰減測試

輻照度增強后太陽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，增強輻照度后，太陽電池工作溫度也會上升。結合溫度和輻照度條件，下文選用熱輔助光致衰減（LeTID）測試[2]，分別對TOPCon太陽電池在標準輻照度、高輻照度和超高輻照度時的光電轉換效率變化情況進行測試。

標準輻照度和高輻照度下TOPCon太陽電池的光電轉化效率變化趨勢如圖5所示。

選取光電轉換效率分別為21.84%、21.73%和21.76%的3組TOPCon太陽電池，每組太陽電池20片，測試超高輻照度下TOPCon太陽電池的光電轉化效率變化情況，測試結果如圖6所示。

結合圖5、圖6可以發現，高輻照條件下太陽電池在270 kWh/m2輻照量時出現了明顯的光電轉換效率衰減拐點，在超高輻照條件下太陽電池明顯的光電轉換效率衰減拐點出現在180～240 kWh/m2輻照量之間，超高輻照將太陽電池光電轉換效率的整體衰減趨勢縮短，說明高輻照條件將太陽電池光電轉換效率的變化拐點前移。

若目前光伏行業普遍認同n型TOPCon太陽電池的LeTID在較長時間后也會衰減的觀點[3]，那么高輻照環境下太陽電池的光電轉換效率衰減率將會比同期的常規輻照條件下的高，且光伏組件的輸出功率衰減率也會較高。

2.2? 高輻照環境對太陽電池柵線的影響

在高輻照環境下，輻照量達到240 kWh/m2后太陽電池柵線表面出現明顯的老化現象，利用3D顯微鏡觀察其表面形貌，發現柵線顏色由白色變為黃色，部分區域有發黑現象。這是因為柵線在燒結后成分只留下銀粉和玻璃粉，銀在空氣中很容易發生氧化反應，且高溫可以提高分子運動速率，分子運動速率越高，氧化反應越劇烈。

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

太陽電池在實際使用時會封裝成光伏組件，其表面會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，但依然會有氧氣和水氣滲透到封裝材料到達太陽電池表面，在高輻照的情況下會加快柵線的老化進程。鑒于此，如果光伏組件是用于高輻照地區，最好選擇水氣透過率低的封裝材料。對于雙玻和透明背板光伏組件而言，由于玻璃的水氣透過率幾乎為零，而透明背板的水氣透過率約為1.8 g/（m2· d），因此，雙玻光伏組件優于透明背板光伏組件。

2.3? 高輻照環境對太陽電池鈍化層的影響

為進一步了解經過較長時間的高輻照后太陽電池的鈍化層結構是否發生了變化，對標準輻照度、高輻照度、超高輻照度前后太陽電池在不同波長下的反射率和EQE進行了測試。

反射率可以反映光線照射至太陽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中經過太陽電池內部電子-空穴復合等過程后收集到的電子的比例。不同輻照條件下太陽電池的反射率對比如圖8所示。

從圖8可以看出：在短波段300～380 nm，高輻照、超高輻照度下太陽電池的反射率有所上升。但輻照會對太陽電池前表面結構產生一定程度的損傷，因此可以通過EQE來判斷不同輻照條件下太陽電池鈍化層結構的改變情況。

不同輻照度下太陽電池的EQE對比如圖9所示。

從圖9可以看出：在高和超高輻照度下，太陽電池在短波段（300～380 nm）的EQE均低于標準輻照度下的該值。由于短波長的光是在非常接近太陽電池表面的位置被吸收，若太陽電池前表面有相當多的電子-空穴復合，將會影響太陽電池在短波段附近的EQE，這說明高和超高輻照對太陽電池鈍化結構的影響主要是在太陽電池的前表面鈍化層。

對于TOPCon太陽電池而言，其減反射鈍化結構由SiNx層與Al2O3層復合形成。在輻照環境下，裸太陽電池的SiNx層會發生腐蝕老化，而對于由SiNx層與Al2O3層復合形成的鈍化結構，雖然Al2O3層表面有SiNx層作為保護層，但根據文獻[4]對LeTID的研究成果，太陽電池在高溫、輻照環境下會發生氫誘導衰減，而氫原子與其他雜質形成的缺陷對的價態變化是根源所在。對于TOPCon太陽電池內部結構而言，鈍化層SiNx/Al2O3是氫的來源。燒結工序可以讓鈍化層釋放的氫進入硅片，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，從而導致太陽電池光電轉換效率衰減。

2.4? 高輻照測試后太陽電池電性能參數變化

高輻照度下，不同輻照量時太陽電池的電性能參數變化情況如表1所示。

由于開路電壓和短路電流是衡量太陽電池性能的主要參數，從表1可以看出，在經受高輻照后，太陽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為柵線氧化及鈍化效果變差引起的復合損失。

當太陽電池長期處于高輻照環境下時，其柵線的老化進程將會加快，鈍化層也會發生腐蝕老化，同時也會發生氫誘導衰減。太陽電池的性能變化主要體現在短路電流的降低上。

3? 高輻照環境對光伏組件應用的影響

光伏組件在高輻照環境下使用時，其輸出功率和光電轉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

在光伏組件工作溫度為40 ℃的條件下，對不同太陽輻照度時光伏組件的輸出功率進行測試，測試結果如圖10所示。

從圖10和圖11可以看出：太陽輻照度越高，光伏組件輸出功率也越高，而太陽輻照度越高，光伏組件的工作溫度也會相對升高，隨著光伏組件工作溫度的升高，其光電轉換效率會有一定程度的下降。從實際監測數據來看，相較于標準輻照度1000 W/m2時，高輻照度1300 W/m2下光伏組件的工作溫度會升高6 ℃左右，而輸出功率會提高10%以上。由此可知，高輻照帶來的輸出功率增益大于溫度上升對光電轉換效率的影響。

高輻照環境下選用更低溫度系數的n型光伏組件綜合效益會更高，對比整片光伏組件的溫度系數（-0.327%/℃）與半片光伏組件的溫度系數（-0.313%/℃），半片光伏組件的優勢更大。因此，高輻照環境下最優的光伏組件類型建議選擇n型雙玻半片光伏組件。

3.2? 不同地區實現高輻照環境的條件不同

不同于實驗室中測試太陽電池性能時創造的高輻照度環境，針對實際光伏電站運行中的光伏組件，由于不同地區的光伏組件最佳安裝傾角不同，因此在不同地區實現高輻照環境時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為太陽高度角；φ5為太陽反射光線與水平面的夾角；H1為光伏組件頂點離地距離；H2為光伏組件頂點與反光鏡頂點距離；H3為反光鏡頂點離地距離；L1為光伏組件長度；L2為反光鏡長度。

tanφ5+L2sinφ2–L2sinφ1=0，進一步求解得到：（L1+ L2cosφ1+L2cosφ2）tan（φ3–2φ2）+L2sinφ2–L2sinφ1=0。φ1、φ3、L1、L2已知，從而可求出φ2。

在中國，一年中正午太陽高度角最大值在夏至日、最小值在冬至日。以冬至日為例，經計算得到中國部分區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，正午太陽高度角不斷變大，從夏至日至冬至日，正午太陽高度角不斷變小，因此反光鏡安裝后角度若可以隨時間變化及時調整，光伏組件輸出功率的增益將會不斷增大。

4? 結論

本文研究了高輻照度下的光譜輻照度分布及其與太陽電池的匹配性，通過測試輻照前后太陽電池的光電轉換效率、外量子效率（EQE）、反射率、柵線形貌，對比分析了高輻照度、超高輻照度與標準輻照度對高效太陽電池性能影響的差異，并通過與光伏組件戶外數據關聯分析高輻照

度對光伏組件性能的影響。研究結果顯示：太陽電池在經受高輻照后，短路電流的下降幅度較大，而其下降主要是因為柵線氧化及鈍化效果變差引起的復合損失；高輻照環境下最優的光伏組件類型建議選擇n型雙玻半片光伏組件。

[參考文獻]

[1] CHEN D， HAMER P G，KIM M，et al. Hydrogen induced degradation：a possible mechanism for light- and elevated temperature-induced degradation in n-type silicon[J]. Solar energy materials and solar cells，2018，185：1-9.

[2] DUONG T W，WU Y L，PENG H P，et al.Light and elevated temperature induced degradation （LeTID） in perovskite solar cells and development of stable semi-transparent cells[J]. Solar energy materials and solar cells，2018，188：27-36.

[3] 于琨，王占友，鄭海陸，等.晶硅光衰LID/LeTID研究進展綜述[J].科技與創新，2018（24）：7-12.

[4] KERSTEN F，HEITMANN J，MULLER J W. Influence of Al2O3 and SiNx passivation layers on LeTID[J]. International conference on crystalline silicon photovoltaics，2016，2：989.