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摘要：從光伏產(chǎn)業(yè)誕生以來，打破電池效率紀(jì)錄的新聞公告就一直伴隨著其發(fā)展推陳出新。

在2015年以前，此類公告大多都是由光伏研究機構(gòu)基于面積為2×2cm2的小型太陽能電池發(fā)布的，但在過去五年中，商用電池和組件制造商也開始越來越頻繁地發(fā)布大面積商用電池和組件的破紀(jì)錄效率公告。不過，這些效率公告背后使用的器件尺寸（部分與業(yè)界常用尺寸不同）以及測量條件方面存在差異。這些破記錄電池效率的性能參數(shù)范圍不斷演進，從最近公布的LONGi硅異質(zhì)結(jié)技術(shù)（HJT）太陽能電池的效率26.3%，填充因子（FF）測量值接近理論極限（超過86%），到天合光能（Trina solar）目前已大量量產(chǎn)的實際可商用組件的效率21.1%。本文討論了這些公告背后的實質(zhì)內(nèi)容，以及光伏等正在快速演變的行業(yè)是如何在效率大幅提升的情況下變得具有革命性的。實際上，這些公告給人一種錯誤的印象：即光伏產(chǎn)業(yè)仍然需要保守，因為光伏組件必須同時具有低成本和長期穩(wěn)定性。這就是為什么現(xiàn)在（以及未來）將創(chuàng)新技術(shù)概念轉(zhuǎn)移到大規(guī)模生產(chǎn)總是需要一定的時間，而光伏技術(shù)將通過逐步引入創(chuàng)新概念的方式繼續(xù)一步一個腳印地穩(wěn)健發(fā)展。

(資料圖)

引文

到2020年，太陽能光伏電池依靠雙面鈍化發(fā)射極與背面電池（PERC）技術(shù)已成為能源市場的新王者[1]，在中東和北非（MENA）國家，例如沙特阿拉伯，光伏電站投標(biāo)價格極低，到2021甚至降到1USct/KWh[2]。由于PERC目前即將達到其效率極限，業(yè)界正在激烈爭論下一代技術(shù)是什么？哪種電池技術(shù)將登上王座成為新的“國王”？此外，是否會出現(xiàn)從p型硅PERC到基于n型硅的新電池技術(shù)的快速轉(zhuǎn)變，就像大約五年前光伏產(chǎn)業(yè)從Al BSF迅速轉(zhuǎn)變?yōu)镻ERC那樣？如圖1所示，光伏行業(yè)的重要研究機構(gòu)之一的PV-Tech Research [3]給出了肯定的觀點。

“電池效率破記錄的公告現(xiàn)在以穩(wěn)步增加的頻率發(fā)布?！?/strong>

但下一代主流技術(shù)是什么？硅異質(zhì)結(jié)技術(shù)（HJT）？隧道氧化物鈍化觸點（TOPCon）？在交叉指狀背接觸（IBC）結(jié)構(gòu)中兩者的結(jié)合？亦或是多疊層電池？目前行業(yè)的技術(shù)競賽激戰(zhàn)正酣，而現(xiàn)在電池效率破記錄的公告也以穩(wěn)定增長的頻率發(fā)布。不過，一級制造商也同時在不斷刷新PERC電池和組件的效率記錄，表明這種技術(shù)仍有大幅度提高效率的潛力。另一方面，各種關(guān)于n型硅電池技術(shù)的公告正預(yù)示著其未來光明的前景。

商用太陽能電池的性能提升

如Martin Hermle[4]的報告所述，圖2（a）以非常清晰和簡單的方式描繪到：行業(yè)中電池效率以每年約為0.6%abs的速度線性增長。2016年，當(dāng)Al-BSF技術(shù)達到其效率極限時，從Al-BSF到PERC的轉(zhuǎn)移浪潮開始啟動；而Al-BSF的瓶頸主要在于其對背面鈍化受到了限制，如圖2（b）中的剖面圖所示。

“在過去，各個參與者努力推廣各自的路線圖，導(dǎo)致越來越多的“工業(yè)”記錄電池和組件效率公告?！?/strong>

通過在鋁膏和鋁BSF觸點下方制備電介質(zhì)疊層（AlOx/SiNx），可以實現(xiàn)更好的背面鈍化，從而產(chǎn)生680mV的平均開路電壓（Voc）和690mV的最大開路電壓。如果要超過700mV，則必須使用TOPCon中的多晶硅鈍化觸點。而要超過720mV，需要在兩個電極上使用鈍化觸點，或者必須采用HJT技術(shù)中的非晶硅層。然后，在下一步中，為了克服俄歇極限甚至肖克利-奎瑟極限，必須要采用多疊層結(jié)構(gòu)。因此，這條線性曲線的延續(xù)依靠的是采用鈍化效果更好的先進電池結(jié)構(gòu)來逐步提升電壓值。

可以將這些技術(shù)與各種移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其速度進行類比：3G（665mV的Al BSF）如今幾乎已經(jīng)過時，目前的網(wǎng)絡(luò)平臺是4G（685mV的PERC），而5G（700mV的鈍化觸點）已經(jīng)到位。然而，對于大多數(shù)應(yīng)用（如地面安裝的公用事業(yè)規(guī)模的光伏系統(tǒng)），4G仍然是夠用的，而且到目前為止，僅在某些應(yīng)用中需要更昂貴的5G。然而，幾年后，5G將成為所有應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，然后進一步將為6G（多疊層）奠定基礎(chǔ)。

考慮到過去幾十年來在光伏產(chǎn)業(yè)中采用的各種技術(shù)，以及它們已經(jīng)取得的主流市場份額，人們可以合理地得出結(jié)論，即光伏產(chǎn)業(yè)一直遵循著技術(shù)路線圖演進的。另一方面，過去各個參與者努力推動其各自的路線圖（一些是漸進式的，另一些則是破壞性的），導(dǎo)致越來越多的“商用”電池和組件效率記錄被打破，而破記錄者主要來自Tier 1制造商。

在下面章節(jié)中，將嘗試進一步剖析與各種記錄效率公告相關(guān)的幕后技術(shù)。

高效電池公告

如圖2（a）所示，大多數(shù)時候，高效率的公告只揭示了每種技術(shù)的實際局限性。然而，在可能的情況下—使用額外的工藝步驟或非商用工藝步驟，以及特定的、類似研發(fā)的測量條件—與能夠以成本效益高的方式在大規(guī)模生產(chǎn)中實施的情況之間，往往存在至少1%abs的效率差距。因此，此類公告中有幾個因素往往會引起公眾（投資者、首席執(zhí)行官、科學(xué)家和其他利益相關(guān)者）的一定程度的困惑：

電池概念的命名法與實際宣布的電池命名法不同。例如，從2019的LONGi宣布的24.06%TOPCon電池已經(jīng)在前表面制備了選擇性的多晶硅，從而將開路電壓提高至694mV，而2021年來自JinKoSolar的25.4% TopCon很可能也具有多晶硅鈍化接觸點，不僅在背面，而且在前表面也有，從而將VOC提高至720mV。

有時，甚至當(dāng)“商用太陽能電池”的效率成為頭條新聞時，實驗室類型的工藝，例如雙抗反射涂層（ARC），包括通過熱蒸發(fā)沉積MgF2，也被用于制造此類電池。其中的許多工藝已為人們所知數(shù)十年，并用于研發(fā)，以證明某些材料或電池概念的潛力；然而，它們太復(fù)雜、太昂貴，無法大規(guī)模生產(chǎn)。

即使報告的效率已由獨立校準(zhǔn)實驗室或認證機構(gòu)進行測量，但直到最近為止I–V測量仍是在僅用于研發(fā)領(lǐng)域的條件下進行：

“在評估高組件效率在節(jié)省與區(qū)域相關(guān)的系統(tǒng)成本平衡方面的好處時，活動區(qū)域組件效率不相關(guān)?！?/p>

測量的是有效面積效率，而不是入射光面積效率（在電池層面和組件層面）。

通過多線接觸進行電池效率測量，報告的效率值不考慮金屬網(wǎng)格（或至少主柵線）的陰影。

使用的接觸方法導(dǎo)致忽略金屬柵極串聯(lián)電阻（正面或背面，或兩側(cè)），導(dǎo)致測量的填充因子（FFs）非常接近偽填充因子（即零串聯(lián)電阻和無限并聯(lián)電阻的理論極限FF）。

此類類似研發(fā)的效率測量條件不能正確表征商用太陽能電池的特性，因為它們不能代表在組件級可以達到的效率：在組件層面，金屬網(wǎng)格的陰影及其串聯(lián)電阻將降低組件效率，從而增加了電池到組件的功率損耗。

如果報告的效率值基于室內(nèi)測量，則存在過度樂觀校準(zhǔn)的風(fēng)險，導(dǎo)致效率高估。

通常，在相關(guān)新聞稿中，上述與效率測量相關(guān)的特性僅在小字中說明，需要仔細閱讀，才能正確評估報告的效率值。

最近一個誤導(dǎo)性效率報告的例子是23.03%的組件效率記錄，正如Trina[5]所報告的那樣，這是一種“入射光面積效率”。標(biāo)準(zhǔn)組件效率是總面積效率，即電功率輸出（標(biāo)準(zhǔn)試驗條件–STC下的Pmpp）除以總面積上的輻照度除以組件總面積（組件長度乘以組件寬度），入射光面積組件效率不包括主柵焊帶和接線盒所占的面積，以及外部太陽能電池和層壓板邊緣之間以及框架之間的強制性空隙。因此，入射光面積效率達到比總面積組件效率更高的值（接近電池效率）。因此，在評估高組件效率在節(jié)省與區(qū)域相關(guān)的系統(tǒng)成本平衡方面的好處時，有效區(qū)域組件效率并不相關(guān)。

最近有個案例與上述研發(fā)類測量條件相似，其在某些校準(zhǔn)實驗室測量出了令人驚訝的高FFs。例如，如果讀到圖3[6]所示的ISFH曲線下方插入的精細打印，那么在LONGi的26.3%高效HJT記錄電池上測得的極高FF（接近理論極限）和高短路電流的原因就變得很明顯：雖然電流得益于鍍金卡盤的光反射，由于忽略了電池總串聯(lián)電阻的很大一部分，F(xiàn)F得到了增強。然而，在工業(yè)電池生產(chǎn)線的情況下，引腳用于接觸電池正面和背面的母線，從而模仿電池通過光伏組件內(nèi)的帶狀物互連的方式，并且不向電池背面提供任何光線反射。

表1總結(jié)了創(chuàng)紀(jì)錄效率的公告與報告的平均生產(chǎn)效率（包括內(nèi)部測量的潛在高估）和市場上可用的組件效率，以及各種技術(shù)的潛在電壓和效率。

光伏市場正在見證Al BSF（3G）的淡出，其中一個原因是它屬于單面技術(shù)。其量產(chǎn)的平均電池效率高達20%，Voc約為665mV。幾年前公布的一項創(chuàng)紀(jì)錄的效率為20.29%[9]，但市場上的組件效率遠低于20%。

能源市場之王雙面PERC（4G）太陽能電池的平均量產(chǎn)效率約為23%。市場上的PERC組件效率大多低于21%，但最高可達21.1%（例如Trina[9]）。LONGi通過在正面使用選擇性多晶硅，2019年已經(jīng)實現(xiàn)了24.06%的創(chuàng)紀(jì)錄PERC電池效率[10]；該電池還使用了其他尚未在工業(yè)生產(chǎn)中實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，使其需要額外的工藝步驟，成本更高。

基于PERC的技術(shù)—如TOPCon和基于PERC的IBC—得益于PERC技術(shù)進步帶來的成本降低，以及PERC大規(guī)模生產(chǎn)帶來的設(shè)備和材料規(guī)模經(jīng)濟。與幾乎所有的n型技術(shù)一樣，主要的挑戰(zhàn)是降低金屬觸點的銀消耗，這是目前一個非常重要的研發(fā)課題。

TOPCon（5G）電池在大規(guī)模量產(chǎn)中的平均效率約為23.5%，而JinkoSolar最近將該電池效率提升至破紀(jì)錄的25.4%[11]。在這種情況下，Jinko既沒有發(fā)布確切的工藝流程和電池結(jié)構(gòu)，也沒有發(fā)布單一的I–V參數(shù)（Isc、Voc、FF）。然而，考慮到需要非常高的Voc才能達到25%以上的效率，可以假設(shè)，除了其他非商用特性外，最有可能使用選擇性多晶硅（B），這比當(dāng)前的商用TOPCon工藝更復(fù)雜，且尚未準(zhǔn)備好進行商用大規(guī)模生產(chǎn)。根據(jù)當(dāng)前的白銀價格，標(biāo)準(zhǔn)TOPCon電池的COO（擁有成本）目前比PERC（例如[17]）高出約15–30%。

但是，由于具有更高的效率、更高的雙面性、更低的退化和更低的Pmpp溫度系數(shù)，使得TOPCon組件不僅對屋頂應(yīng)用具有吸引力，而且對地面安裝的公用事業(yè)規(guī)模太陽能電站，以及炎熱地區(qū)和地面反照率高的光伏系統(tǒng)也同樣具有吸引力。

基于PERC的IBC（5G）（Jolywood、SPIC、Trina、ValoeCell）的最高效率可達到25.04%(由Trina[12]實現(xiàn))，其商業(yè)化生產(chǎn)的平均效率約為24%，并有潛力提升到25%。目前，這種電池大多適用于屋頂光伏應(yīng)用。隨著銀金屬材料使用量的不斷減少，其雙面版也可以在未來應(yīng)用在公用事業(yè)規(guī)模的電站上。

“目前有許多破記錄電池效率的公告，但都不能與目前（或即將）投入使用的各種技術(shù)進行直接比較?！?/p>

Maxwell[13]已經(jīng)將低成本HJT（5G）（REC、Meyer Burger、Maxwell）技術(shù)的效率提升到了25.26%，而復(fù)雜HJT（5G）（(Panasonic, Kaneka, LONGi）的效率也由LonGi [17]實現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的26.3%。另外，復(fù)雜IBC（5G）電池由SunPower和LG兩家公司生產(chǎn)。在實驗室水平上，ISFH在多晶硅氧化物（POLO）結(jié)構(gòu)[15]上實現(xiàn)了26.1%的效率，而Kaneka在HJT-IBC結(jié)構(gòu)[16]上將效率提升至26.6%。

將非商用電池工藝和研發(fā)型測試結(jié)果用于“商用”效率記錄公告

表2總結(jié)了一系列修改商用太陽能電池工藝的方法，或如何以不同于標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的方式進行測試，以大幅度提高電池效率，但這會以犧牲商用可行性和成本效益為代價。

總結(jié)與展望

總之，有許多破記錄電池效率發(fā)布的新聞—甚至來自商用電池制造商—展示了各自研發(fā)部門在使用實驗室和先進試驗線時的能力，但不能與目前（或即將）投入使用的各種技術(shù)進行直接比較，因此很難從這些公告中推斷相關(guān)技術(shù)將在何時（如果有的話）以及以何種生產(chǎn)成本在工業(yè)生產(chǎn)中以類似的效率實施。

這就是說，創(chuàng)紀(jì)錄的電池效率讓我們得以一瞥中期未來可能會帶來什么。最終，如果有機會確定某一特定電池技術(shù)目前在商業(yè)生產(chǎn)中可獲得的最高電池效率，最實用、最可靠的方法是尋找在STC（特定組件面積）具有最高Pmpp的相應(yīng)組件，該組件可在商業(yè)上獲得，以及—考慮到總電池面積以及實際電池到組件Pmpp比率—以確定相關(guān)電池效率。

一直以來，c-Si光伏產(chǎn)業(yè)都是以漸進式提升的方式發(fā)展，平均每年效率提升的速度大概在0.3-0.6%abs。在未來十年內(nèi)，這種情況仍然會延續(xù)，直到達到26–27%的實際效率極限。之后會發(fā)生什么，沒人能說得清楚。而多疊太陽能電池器件的成功在很大程度上取決于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的多疊結(jié)構(gòu)是否能成功解決穩(wěn)定性、反向偏置電壓等方面的問題。

商用PERC太陽能電池的平均效率將保持在22.5%-23.5%之間，商用n型設(shè)備的平均效率在一到兩年內(nèi)遠高于24%，在三到五年內(nèi)將超過25%。而在組件層面，可用PERC組件的效率將達到約21%，而n型組件的效率將從2022年起超過22%，最有可能從2025年起超過23%。最后，在c-Si達到其26–27%的實際效率極限后會發(fā)生什么仍不確定。