圖片來源：韓華 Q Cells
太陽能光伏正在迅速成為全球成本最低的電力來源。平準(zhǔn)化度電成本已達(dá)到約2ct/kWh。EDF/馬斯達(dá)爾在沙特阿拉伯招標(biāo)的一處項(xiàng)目的價格首次低于2USct/kWh[1]。
未來幾年, 這一數(shù)字會降至約1USct/kWh及以下，從而令每個人都能夠負(fù)擔(dān)用電。這也是高效率低成本新技術(shù)所取得的成就，例如像用在水平單軸跟蹤系統(tǒng)這種簡單跟蹤系統(tǒng)中的PERC、PERT和雙面組件。
然而, 如今許多太陽能電池和組件生產(chǎn)商都在過苦日子。
由于產(chǎn)能過剩，亞洲生產(chǎn)商有可能經(jīng)歷第二次大危機(jī)。首次產(chǎn)能過剩問題出現(xiàn)在2011年，第二次下行可歸因于現(xiàn)有生產(chǎn)線向PERC的升級。
2017年, 太陽能電池和組件產(chǎn)能約為125GW, 其中35GW是PERC技術(shù)。預(yù)計至2018年年底, 總產(chǎn)能將達(dá)到160-170GW, 其中60-70GW 為PERC[2]。
然而, 預(yù)計2018年的下游光伏需求將低于100GWp [3]。這意味著許多電池生產(chǎn)線或會處于閑置狀態(tài), 多個GW的組件也將堆放在倉庫中。
正如前文所述, 需要研發(fā)創(chuàng)新型產(chǎn)品以進(jìn)一步降低平準(zhǔn)化度電成本。然而, 向PERC轉(zhuǎn)型的進(jìn)展是如此迅速，以至于許多PERC生產(chǎn)商都未能把重心放在產(chǎn)品質(zhì)量上。
PERC是一項(xiàng)成熟的技術(shù), 工藝相對簡單, 因而持有成本也較低。2018年三月，隆基公司推出的無柵線金屬接觸設(shè)計PERC技術(shù)取得了23.6%的效率，創(chuàng)下紀(jì)錄。這一紀(jì)錄于2018年5月被晶科能源以23.95%的效率超越。
效率創(chuàng)下紀(jì)錄固然可喜，但起決定作用的是批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率以及工藝的長期穩(wěn)定性。“硅基組件超級聯(lián)盟”大型成員 (如韓華Q cells、晶澳太陽能、隆基、天合光能、晶科能源和阿特斯) 的平均轉(zhuǎn)換效率均達(dá)到了21.5%-22%。與Al-BSF標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)相比, 這是非常出色的記錄。Al-BSF標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)已占據(jù)市場數(shù)十年，而最佳平均效率幾乎未超過20%。
在談及衰減時, 我們不確定是否所有PERC生產(chǎn)商都了解設(shè)備可能會遭遇額外衰減效應(yīng)的挑戰(zhàn)。本篇博文介紹的就是這一方面的相關(guān)內(nèi)容：
了解PERC太陽電池的主導(dǎo)衰減機(jī)制
在參觀展會或拜訪業(yè)內(nèi)廠家時，我們常常會發(fā)現(xiàn)，那么多有責(zé)任心的PERC生產(chǎn)科學(xué)工作者竟從未聽說過PERC設(shè)備可能會出現(xiàn)嚴(yán)重衰減，尤其是熱輔助光致衰減(以下簡稱LeTID，又名電致衰減，簡稱CID)，這令人感到驚訝。
在“2018年第四屆PERC太陽能電池和雙面組件論壇” [4]大會上， LeTID也沒有成為一個真正的議題。
在談及LeTID時，通常聽到的回復(fù)是這樣的。
—“LeTID?沒有，我們不存在LID問題，我們一直在穩(wěn)定產(chǎn)品性能。”
更加了解情況的人會這樣回答，“LeTID影響的僅僅是mc-Si PERC，但我們生產(chǎn)的是Cz-Si PERC。”
這些說法都是錯的。即使人們是在mc-Si PERC電池上首次觀察到LeTID現(xiàn)象，這也是會發(fā)生在Cz-Si PERC組件上的有害現(xiàn)象，會造成嚴(yán)重衰減。在LeTID加速衰減之后數(shù)周，有時功率衰減仍會超過10%。
因此, PI Berlin測試了許多市面上的PERC組件并進(jìn)行了持續(xù)的測試。在經(jīng)歷了為期六周的加速衰減輻照后，大多數(shù)不同被測組件的 (截止目前約有10個) 功率衰減達(dá)到5%或更高—而衰減曲線似乎并未飽和。
此外, 在運(yùn)行2-3年后，雖然許多PERC光伏系統(tǒng)仍然“還在那里”，但是組件衰減了近20%，這簡直是一個悲劇。
PI Berlin對一種商用單晶PERC組件進(jìn)行了為期六周的測試，用于評估組件參數(shù)對LeTID的影響。
圖 1 為PI Berlin測出的典型衰減曲線。2018年6月[7]，慕尼黑國際太陽能展舉辦的“組件測試”會議介紹了這一曲線。該會議是由PHOTON組織的LeTID和雙面專題研討會。
在75°C 、0.5A注入電流情況下，六周后這一市售Cz-Si PERC組件的功率相對衰減了5%，并且似乎仍在繼續(xù)衰減。數(shù)個團(tuán)體聲稱， nPERT組件也可能存在這類問題[8]。
我們目前正在進(jìn)行BiSoN (nPERT) 、MoSoN (nPERT背結(jié)式)和ZEBRA (IBC)電池加速LeTID衰減試驗(yàn)，目前為止沒有經(jīng)歷過如此嚴(yán)重的衰減問題。
PERC太陽能電池和組件中可能存在的衰減機(jī)制
PERC組件發(fā)生了什么?雖然人們認(rèn)為已經(jīng)了解了硼氧化合物的形成機(jī)制，甚至能控制這種效應(yīng)，那么為什么PERC太陽能電池仍然會出現(xiàn)衰減?更加先進(jìn)的設(shè)備的衰減機(jī)制變得更為復(fù)雜, 而簡單Al-BSF(背場)電池的衰減機(jī)制也是如此。
這種現(xiàn)象不僅限于不同水平下的效率。在更復(fù)雜的設(shè)備結(jié)構(gòu)中，衰減的可能性更大、更為明顯。就PERC而言，背面電介質(zhì)一方面提高了效率, 但如果無法滿足最高啟動效率和設(shè)備長期穩(wěn)定性需求，也會帶來麻煩。
表2為典型的PERC設(shè)備截面，總結(jié)了目前已知的三種最嚴(yán)重的衰減機(jī)制。
PERC在LeTID中經(jīng)歷的三種重要衰減機(jī)制為1) LID, 2) HID 及3) 背部電介質(zhì)去鈍處理。圖片來源：PI Berlin
光致衰減(LID)：光致衰減廣為人知、也是人們了解最多的衰減形式。這種衰減基于硼氧化合物形成的基礎(chǔ)之上。可以通過表一列舉的幾種措施部分消除這種現(xiàn)象。
氫致衰減(以下簡稱HID)：氫致衰減是LeTID測試的原因，首見于mc-Si PERC設(shè)備。[5]為相關(guān)報道。單晶PERC設(shè)備中也發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象[6]。已知的是這種衰減是由于設(shè)備中氫含量太高造成的，已故教授Stuart Wenham [10]提出的木桶理論比喻完美的總結(jié)了這一現(xiàn)象。
這是因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下, 背面鈍化是由相當(dāng)厚的 (相對于正面鈍化) 富氫電介質(zhì)實(shí)現(xiàn)的。釋放的氫進(jìn)入硅塊, 形成弱氫鍵，鈍化了缺陷部位。這些氫鍵很容易由于溫度和光照受到破壞, 以更快的速度釋放弱鍵氫, 從而導(dǎo)致衰減。
隨著時間的推移, 恢復(fù)進(jìn)程被激活，然后達(dá)到飽和狀態(tài)。釋放的氫又會形成氫鍵，穩(wěn)定的氫鍵會鈍化缺陷部位。在LeTiD測試工況下，穩(wěn)定的氫鍵不受影響。表一總結(jié)了能夠?qū)ID效應(yīng)降至最低的措施。
裸硅片鈍化衰減: 很難找出造成衰減的真正主導(dǎo)原因。最近康斯坦茨大學(xué)的A. Herguth和他的團(tuán)隊發(fā)現(xiàn), PERC太陽能電池的衰減部分是由于背面電介質(zhì)去鈍效應(yīng)造成的[11]。IBC太陽能電池正面也發(fā)現(xiàn)了這種衰減效應(yīng)。
就IBC電池而言，至少需要一個淺FSF(正面場; 例如n型Cz-Si電池磷擴(kuò)散涂層)才能不產(chǎn)生這種效應(yīng)。
下圖3a和3b為不同部位的測試示例, 頂部是mc-Si PERC組件，底部是Cz-Si組件，如圖所示，出現(xiàn)了嚴(yán)重衰減。
3a和3b為不同部位的測試示例, 頂部是mc-Si PERC組件，底部是Cz-Si組件，如圖所示，出現(xiàn)了嚴(yán)重衰減。圖片來源：eternal sun
在LeTID測試期間, 所有三種 (或兩種) 描述的效應(yīng)都可能會被激活, 必須對所有有問題的組件進(jìn)行更詳細(xì)的檢查, 以便找到設(shè)備中最關(guān)鍵的衰減機(jī)制。確定之后就可以測試降低衰減的解決方案。
Eternal sun的LeTID試驗(yàn) (左) [12] 和Frauhofer CSP 的 mc-和 Cz-PERC組件LeTID試驗(yàn) (右) [13]。在Fraunhofer CSP試驗(yàn)中，所有組件就LID而言都實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定。右圖所示的Pmpp下降未包含由于硼氧化合物形成而導(dǎo)致的衰減。圖片來源：eternal sun
PERC太陽能電池和組件衰減機(jī)制的可行解決方案
如前所述, PERC 太陽能電池和組件的衰減非常復(fù)雜, 不能輕易用一種衰減機(jī)制來理解。PERC組件似乎在高溫下受到的影響更大。在質(zhì)量測試程序中，TÜV也確定了這種測試。表I (見下文) 總結(jié)了最嚴(yán)重的衰減影響以及為了通過TÜV測試而降低衰減影響的可行解決方案。
PERC衰減和可行解決方案小結(jié)。圖片來源：Fraunhofer CSP
當(dāng)然還有必須加以控制的電勢誘發(fā)衰減(以下簡稱PID), 但這種衰減與所有組件都相關(guān)。此時鈉和其他雜質(zhì)從玻璃向太陽能電池表面遷移，造成分流或去鈍[14]。
在電池、組件和系統(tǒng)層面，這種衰減可以降至最低。通過為組件選擇高質(zhì)量的封裝劑，例如合適的EVA或切換至聚烯烴薄膜(多見于雙玻組件)也可以處理這個問題。
希望我們喚起了對mc-Si以及Cz-Si PERC太陽能電池新衰減機(jī)制的充分意識。
通過本篇博文, 我們希望鼓勵PERC太陽能電池和組件生產(chǎn)商更好地改造設(shè)備、降低衰減, 并同時警示小型屋頂安裝商以及大型公用事業(yè)EPC公司選擇正確的光伏系統(tǒng)(對所選組件進(jìn)行正確測試)。
為了避免因光伏系統(tǒng)性能不佳而引發(fā)的大量索賠，主要參與方，即電池和組件制造商以及系統(tǒng)安裝商對于這一問題的意識非常重要, 同時這也會避免對整個光伏行業(yè)可信度造成潛在嚴(yán)重負(fù)面影響。
祝人人好運(yùn), 做出明智的選擇, 繼續(xù)減少二氧化碳排放以拯救我們偉大的藍(lán)色星球。裝機(jī)總量很快就會達(dá)到1TWp，我們希望只會出現(xiàn)極少數(shù)的衰減問題。
