鉅大LARGE | 點擊量：6144次 | 2021年04月21日
詳解雙面太陽電池的結(jié)構(gòu) 工作原理以及發(fā)展趨勢
雙面太陽電池因具有更高的等效轉(zhuǎn)換效率可降低25%以上的系統(tǒng)成本和更廣泛的應(yīng)用等優(yōu)點引起了人們的廣泛關(guān)注介紹了雙面太陽電池的工作原理，重點總結(jié)了鈍化發(fā)射極及背表面完全擴(kuò)散(PEＲT)雙面太陽電池鈍化發(fā)射極及背表面接觸(PEＲC)雙面太陽電池異質(zhì)結(jié)型雙面太陽電池等硅基雙面太陽電池的結(jié)構(gòu)及發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了銅銦鎵硒(CIGS)雙面太陽電池CdTe薄膜雙面太陽電池及鈣鈦礦雙面太陽電池等的新型結(jié)構(gòu)及研究進(jìn)展詳細(xì)分析了雙面太陽電池的發(fā)展優(yōu)勢與現(xiàn)階段出現(xiàn)的重要問題最后說明了雙面太陽電池今后的努力方向，為更好地提高雙面太陽電池的效率，背部結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及制備工藝的優(yōu)化和創(chuàng)新是未來雙面電池發(fā)展的趨勢。
0引言
從E．Becquerel發(fā)現(xiàn)光生伏特效應(yīng)［1］，到光電轉(zhuǎn)換效率為6%的第一塊實驗室單晶太陽電池的誕生［2］，至目前投入生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為20.2%的多晶硅電池21.6%的單晶硅電池［3］和年裝機(jī)達(dá)76GW的光伏產(chǎn)業(yè)，太陽電池已成為綠色發(fā)展的重要器件但常規(guī)單結(jié)太陽電池已逼近肖克利奎伊瑟(S-Q)效率極限［4］，占市場份額最大的晶硅電池效率難于突破［5］，進(jìn)一步提升太陽電池的性價比愈加艱難。
雙面電池從正面和背面同時收集太陽光［6］，不多占用額外的土地資源。在盡量保持成本的同時，雙面電池的發(fā)電量較單面電池能提高20%［7］。由于正面和背面入射光的強(qiáng)度不同，兩面的輸出功率也不同［8］。其背面收集的太陽光一般是正面收集效率的10%～30%。理論上，雙面電池比傳統(tǒng)電池具有更高的功率與質(zhì)量比、更小的安裝方向限制［9］、更少的鋁材料投入［10］及更高的輸出功率［11］。雙面太陽電池可使用在建筑物上，如屋頂，停車場等［12］。
近年來一流制造廠商競相推出雙面太陽電池［13］。中來光電科技有限公司在國內(nèi)率先投產(chǎn)2.1GWn型單晶硅雙面電池項目［14］。英利綠色能源控股有限公司研制了熊貓n型雙面發(fā)電光伏組件。歐洲最大的雙面發(fā)電光伏項目全部采用該熊貓雙面發(fā)電組件(60片)，實際發(fā)電功率超過380W，等效組件效率達(dá)到24.5%，可降低25%以上的系統(tǒng)成本［15－16］。2016年，美國Sunpreme太陽能公司在美國東部建成裝置規(guī)模達(dá)12.8MW的雙面太陽能電站，采用自家生產(chǎn)的GxB370W雙面組件，轉(zhuǎn)換效率為21.5%，每年預(yù)估可發(fā)電8GWh［17］。根據(jù)國際光伏技術(shù)路線圖(internatio-naltechnologyroadmapforphotovoltaic，ITＲPV)預(yù)測，到2019年，雙面電池技術(shù)的市場份額能達(dá)到15%［18］。2015年，蘇州市西環(huán)高架雙面光伏發(fā)電聲屏障實驗項目屬國內(nèi)的首個雙面發(fā)電項目嘗試，長度約為100km，月發(fā)電量穩(wěn)定在8000GWh左右［19］。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
由此可見，雙面電池市場關(guān)注度高，潛力巨大。
1雙面太陽電池的結(jié)構(gòu)及工作原理
1.1雙面太陽電池的工作原理
雙面太陽電池是指正反兩面都能吸收太陽光并轉(zhuǎn)換成電能的太陽電池，但這類電池在材料結(jié)構(gòu)和工作原理等方面與傳統(tǒng)單面電池有很大差別，工作原理如圖1所示。雙面太陽電池結(jié)構(gòu)從上到下依次是:上電極、鈍化/減反射膜、吸收層、鈍化/減反射膜及背電極。硅基雙面太陽電池采用高透過率的鈍化/減反射膜、金屬柵線替換單面電池中的完全覆蓋的不透光的金屬背電極，并通過電池的n+-p-p+結(jié)構(gòu)中的高低結(jié)或n+-p-n+結(jié)構(gòu)中新增的pn結(jié)來增強(qiáng)反面入射光的光生電子空穴的分離，從而對電池的光電流和效率出現(xiàn)貢獻(xiàn)。而CuInxGa1－xSe2(CIGS)太陽電池、染料敏化太陽電池、CdTe太陽電池等雙面太陽電池則是利用背電極采用透明材料的特點實現(xiàn)雙面受光，從而新增了總電能的輸出。
1.2硅基雙面太陽電池的結(jié)構(gòu)及發(fā)展趨勢
目前硅基雙面太陽電池重要包括n型鈍化發(fā)射極及背表面完全擴(kuò)散(passivatedemitterandrearto-tallydiffused，PERT)雙面太陽電池、鈍化發(fā)射極及背表面接觸(passivatedemitterandrearcontact，PERC)雙面太陽電池和雙面異質(zhì)結(jié)型太陽電池。
n型PERT雙面太陽電池。由于其背表面完全擴(kuò)散和良好的雙面鈍化技術(shù)獲得了更好的性能，從而在ITＲPV2015上得到關(guān)注。典型的n型PERT雙面太陽電池結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用硼擴(kuò)散形成發(fā)射極，磷擴(kuò)散形成n+背場，采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)技術(shù)在正面和背面沉積減反射膜氮化硅，絲網(wǎng)印刷電池的背面和正面形成電極。背面電極也采用與正面電極相同的柵線結(jié)構(gòu)［20］。目前n型PEＲT雙面太陽電池的實驗室正面轉(zhuǎn)化效率為20.63%，背面轉(zhuǎn)化效率為18.1%［20］。B.Yu等人［21］通過戶外實地測量得出，n型雙面太陽電池的半年和年輸出能量均比傳統(tǒng)太陽電池要高，尤其是在多云或低光照條件下優(yōu)勢更為明顯，效率提升較多。M．K．Stodolny等人［22］使用低成本的工藝加工步驟，同時加工6塊晶片得到總體最優(yōu)效率為20.7%的雙面n型太陽電池。值得一提的是該團(tuán)隊通過對鈍化膜的深入研究將復(fù)合電流密度降至2fA/cm2(平面上)，并且得出開路電壓被硼發(fā)射極的暗飽和電流所限制的結(jié)論，因此認(rèn)為通過對發(fā)射極的改進(jìn)制造出總體效率大于22%的雙面太陽電池是可行的。Y．L．Chen等人［23］通過優(yōu)化鈍化技術(shù)使用液相沉積(LPD)技術(shù)沉積SiO2鈍化膜，得到了總體效率為19.06%的大面積(156mm×156mm)雙面n型太陽電池。此外，研究表明，在退火工藝上，分步退火較一次性退火關(guān)于效率的提升有更大的潛力［24］。采用均勻擴(kuò)散、電介質(zhì)鈍化、絲網(wǎng)印刷工藝制備雙面n型太陽電池技術(shù)被認(rèn)為是一條可以實現(xiàn)高效、低成本的太陽電池工藝路線［25］。目前已經(jīng)有英利綠色能源控股有限公司等大公司將雙面n型太陽電池投入使用［16］。
PEＲC雙面太陽電池。傳統(tǒng)PEＲC太陽電池目前已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)階段［26］，而PEＲC雙面太陽電池則是PEＲC電池發(fā)展的方向［27］。ITＲPV預(yù)測，到2019年P(guān)EＲC電池可以占據(jù)大概30%的市場份額［18］。PEＲC電池較傳統(tǒng)鋁背場電池有著更好的長波響應(yīng)、更高的背反射率和更低的背表面復(fù)合速率［28］。傳統(tǒng)工業(yè)步驟制造的PEＲC電池通常是采用PECVD鈍化介質(zhì)膜并在背部開槽后，通過絲網(wǎng)印刷的方式燒結(jié)形成鋁硅合金局部接觸［29］，但是這種結(jié)構(gòu)并不適用于PEＲC雙面太陽電池(PEＲC+)。PEＲC雙面太陽電池結(jié)構(gòu)如圖3所示，其在背面使用與激光接觸開口(LCO)線接觸對齊的絲網(wǎng)印刷鋁細(xì)柵代替全區(qū)域絲網(wǎng)印刷鋁［30］。這不僅大大降低了對鋁的使用量，改善了鋁背場的形變，而且新增了背場深度從而得到了更大的開路電壓［31］。在實驗室中，雙面PEＲC太陽電池的總體效率達(dá)到了20.9%［31］。N.Wohrle等人［27］通過計算機(jī)模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PEＲC雙面太陽電池的前面細(xì)柵線數(shù)為110根、后面細(xì)柵線數(shù)為130根時，電池顯示出接近于理想狀態(tài)的輸出功率和很好的少數(shù)載流子壽命。
雙面非晶/晶體硅異質(zhì)結(jié)型太陽電池。目前異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)成為高效率、低成本太陽電池的代表，重要是因為異質(zhì)結(jié)具有良好的溫度系數(shù)［32］和開路電壓(大于715mV)以及低溫制造過程［33］。三洋電機(jī)有限公司在晶體硅上淀積多晶硅或微晶硅所制造出的異質(zhì)結(jié)電池，其效率達(dá)到24.7%［34］，而該公司背接觸式非晶/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的效率達(dá)26.33%［35］。帶有本征薄層的異質(zhì)結(jié)(heterojunc-tionwithintrinsicthinfilm，HIT)雙面太陽電池是提升異質(zhì)結(jié)電池效率的方法之一，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，在電池的兩端沉積透明導(dǎo)電氧化物薄膜(TCO)，其目的是更好地收集橫向電流，但TCO因其功函數(shù)和非晶硅之間存在較大差距而導(dǎo)致在界面處形成了肖特基勢壘［36］。HIT雙面太陽電池還新增了背場，背場形成的高低結(jié)對n區(qū)少子空穴有明顯的阻擋和反射用途，并且降低了背表面的復(fù)合，這也提高了pn結(jié)對光生載流子的收集效率，改善了電池的長波效應(yīng)［37］。據(jù)估算HIT雙面太陽電池比其單面電池一年多輸出10.9%的能量［38］。此外，隧道結(jié)雙面太陽電池也可以提升異質(zhì)結(jié)太陽電池的效率。隧道結(jié)雙面太陽電池在襯底和薄膜發(fā)射層之間新增了一層超薄隧道氧化層，結(jié)構(gòu)如圖5所示。隧道氧化層可以通過少數(shù)載流子吸收來提高短路電流，通過少數(shù)載流子復(fù)合來提高填充因子。隧道氧化層還是較好的摻雜劑擴(kuò)散勢壘，可以提高硅界面質(zhì)量。目前實驗室制造的隧道結(jié)雙面太陽電池的轉(zhuǎn)換效率為23.1%［39］。
1.3CIGS薄膜雙面太陽電池
CIGS電池由于其具有直接帶隙的高吸收效率，相比于傳統(tǒng)硅基電池具有更高的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換效率以及更低的成本等特點，因而備受關(guān)注［40］。當(dāng)電池背面使用半透明材料并形成背面歐姆接觸吸收層時就可以制成雙面太陽電池［41］。利用氧化鋅形成歐姆接觸通過在額外的氟化鈉和氧化鋅之間加入一層薄的鉬夾層來實現(xiàn)［42］。而使用SnO2和ITO的CIGS雙面太陽電池在沉積溫度低于500℃時的轉(zhuǎn)換效率與傳統(tǒng)CIGS電池效率相近，但是當(dāng)溫度高于500℃時，雙面太陽電池的性能則不如傳統(tǒng)太陽電池［41］，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。
1.4CdTe薄膜雙面太陽電池
最近研究報道的CdTe薄膜太陽電池的轉(zhuǎn)換效率為22.1%，而大面積模塊的轉(zhuǎn)換效率為18.6%［43］。因CdTe薄膜太陽電池具有效率高、可以快速沉積CdTe低成本等諸多優(yōu)點，在電池的兩面都配置薄膜的想法早在20世紀(jì)80年代就提出了［44］。CdTe雙面太陽電池所面對的重要問題是透明背板的發(fā)展以及因CdTe具有高的電子親和能和能量帶隙而造成CdTe雙面電池電接觸的不穩(wěn)定性［45］。G．Khrypunov等人［45］設(shè)計在電池背面使用ITO接觸并淀積封閉式銅電極的新型電池，使最后的電池效率相比于傳統(tǒng)電池新增了3.5%。Ｒ．Ｒ．Khanal等人［43］使用了薄的、透明的單壁碳納米管(SWCNT)背接觸，而不是使用金屬銅，得到了6.5%的背部最佳效率。由于Cd有毒，在實驗過程中要十分注意，而且廢水和廢物的排放也會對環(huán)境造成一定的影響［46］。
1.5染料敏化雙面太陽電池
典型的染料敏化太陽電池由二氧化鈦光電陽極電解質(zhì)(I－/I－3氧化還原對)和一個不透明的反電極(如Pt等)組成。光只從光電陽極射入［47］。為了進(jìn)一步降低成本實現(xiàn)染料敏化雙面太陽電池，其先決條件是開發(fā)透明至少是半透明的對電極達(dá)到雙面受光的目的，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。而聚合物凝膠電解質(zhì)因其具有很高的光學(xué)透明度而有利于雙面染料敏化電池的穩(wěn)定［48］。介質(zhì)的散射和大小是控制染料敏化雙面太陽電池性能的關(guān)鍵因素J.M.Miranda-munoz等人［49］通過對TiO2的研究，確定TiO2包括敏化薄膜本身粒子數(shù)密度等參數(shù)，研制出Pt電極染料敏化雙面太陽電池的前后轉(zhuǎn)換效率分別為6.7%和5.4%。相當(dāng)于在Pt催化電極厚度為8μm的標(biāo)準(zhǔn)下達(dá)到正面轉(zhuǎn)換效率為25%和背面轉(zhuǎn)換效率為33%的照明效率。
1.6鈣鈦礦雙面太陽電池
關(guān)于鈣鈦礦雙面太陽電池的實驗研究，在2015年，Ｒ.Asadoour等人［50］發(fā)表了一篇有關(guān)鈣鈦礦雙面太陽電池的理論研究工作。2016年，Y．M．Xiao等人［51］設(shè)計出一種新型的鈣鈦礦雙面太陽電池結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)鈣鈦礦電池的基礎(chǔ)上使用聚(3，4－乙烯二氧噻吩)－聚苯乙烯磺酸(PEDOT)作為透明導(dǎo)電極，其用途重要是作為空穴傳輸層和電子阻擋層，其結(jié)構(gòu)如圖8所示［51］。圖中結(jié)構(gòu)從下到上依次是:FTO(前)、二氧化鈦致密層(bl-TiO2)、介孔二氧化鈦層(mp-TiO2)、鈣鈦礦(CH3NH3PbI3)、PEDOTFTO(背)。此鈣鈦礦雙面太陽電池的前面轉(zhuǎn)換效率為12.33%，背面轉(zhuǎn)換效率為11.78%，值得注意的是背面轉(zhuǎn)換效率相比于前面僅僅下降了4.46%，該團(tuán)隊認(rèn)為PEDOT材料作為鈣鈦礦雙面太陽電池空穴傳輸層有巨大潛力。
2雙面太陽電池的重要優(yōu)勢
1960年，第一塊雙面太陽電池由日本人H.Mori發(fā)明，目的是為了彌補(bǔ)少數(shù)載流子的壽命，從而提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率［52］。自1970年開始，雙面太陽電池就在空間上使用。而雙面太陽電池真正應(yīng)用在地面上是在20世紀(jì)80年代［53］。雙面電池的重要優(yōu)勢有以下3點。
2.1高發(fā)電量，低光損失
關(guān)于傳統(tǒng)單結(jié)太陽電池，即使使用理想化的材料，其通過熱力學(xué)計算的極限轉(zhuǎn)換效率也只在33%左右［54］。這是由于在帶隙下未被吸收的光子與高于帶隙的光子能量存在熱損失［55］。如今對傳統(tǒng)太陽電池的研究來看，太陽電池的轉(zhuǎn)換效率也越來越接近這一極限值。而雙面太陽電池在具有正面轉(zhuǎn)換效率的同時，結(jié)合不同的發(fā)光條件還可實現(xiàn)20%的發(fā)電增益［56］。Q.Z.Wei等人［57］在不同外界環(huán)境下對n型PEＲT雙面太陽電池進(jìn)行實測，并與單面太陽電池效率進(jìn)行了比較，輸出功率在草地上新增了7.6%，在沙地上新增了12%，在雪地中新增了29.2%。
此外，傳統(tǒng)太陽電池為了防止在空間分布上的陰影必須分開放置，因此約50%的光子因太陽電池間的間隙而浪費。同時因為這種空間損失導(dǎo)致約83%的太陽光永遠(yuǎn)不會被轉(zhuǎn)化成電能［58］。雙面太陽電池的放置可以減少電池間的間隙損失。由于雙面太陽電池正反面都吸光，減少了30%的放置空間太陽光損失［59］，可以使更多的太陽能轉(zhuǎn)換為電能。
2.2用途更廣泛，提升效率方法多
雙面太陽電池的用途更廣泛。由于它的擺放位置限制更小，更適用于面積較小的屋頂或陽臺A．Moehlecke等人［60］提出將雙面太陽電池與集成的反射鏡安裝在建筑表面，結(jié)果顯示與同樣表面積的單面太陽電池相比，年發(fā)電量新增了35%Ｒ．Hezel［61］提出了一個可以用于建筑物陰影面的雙面太陽電池。其帶著一個半面反射的反射板材料，與窗戶成45放置。測試結(jié)果顯示這種雙面太陽電池的發(fā)電量新增了37%。
為了提高雙面太陽電池的效率，除了研究太陽電池本身的材料結(jié)構(gòu)，還可以對其位置的擺放、放置的傾角、與反射器的最佳距離和添加集中器等進(jìn)行優(yōu)化，從而提高電池的轉(zhuǎn)換效率。J.G.Kang等人［62］實驗得出，反射率和透明空間比會對雙面太陽電池的性能出現(xiàn)較大影響，而太陽電池之間的距離和墻對其的影響較小。為了得到更高的效率，反射率超過50%和透明空間比超過30%(黑色或深色墻面要40%的透明空間比)是必須滿足的條件。通過修改反射率和透明空間比，他們使雙面太陽電池的效率提高了20%。
2.3質(zhì)量可靠性高
在封裝方面，太陽電池組件中的乙烯－醋酸乙烯共聚物(EVA)膠膜和背板的質(zhì)量引起了高度的關(guān)注，水汽透過背板加速EVA材料降解，降解的副產(chǎn)物(臭氧氮氧化物等)進(jìn)而腐蝕電池內(nèi)部的器件并且導(dǎo)致電池性能下降［63］。而雙面太陽電池使用玻璃替代Tedlar-PET-EVA(TPE)，很好地規(guī)避了這一問題。此外，玻璃不透水，耐腐蝕性強(qiáng)，耐磨性也好，能很好地適應(yīng)戶外多變的安裝環(huán)境［57］。由于玻璃是剛性材料，雙面玻璃層壓封裝過程中由于兩層剛性玻璃的擠壓，很容易出現(xiàn)氣泡和移位等現(xiàn)象，但這些問題都可以通過對技術(shù)的優(yōu)化和材料的選擇而得到解決［6］。
3雙面太陽電池目前面對的重要問題
目前規(guī)模生產(chǎn)及商用的雙面太陽電池重要為硅基太陽電池。該雙面太陽電池在背面加上發(fā)電功能后，可能會影響其背面發(fā)射極的鈍化功能，會使正面發(fā)電效率下降，進(jìn)而導(dǎo)致太陽電池整體效率不會有明顯提升。因此，如何在保證背部可以發(fā)電的同時還能維持正面發(fā)電效率，將是雙面太陽電池面對的挑戰(zhàn)。
目前雙面太陽電池重要關(guān)鍵技術(shù)有:PECVD法、絲網(wǎng)印刷鋁發(fā)射極、絲網(wǎng)印刷硼和磷貼［64］、旋轉(zhuǎn)發(fā)射器、硼和磷氣體擴(kuò)散、離子注入［65］、激光摻雜［66］和金屬化［39］等。其中雙面p型太陽電池的制備工藝相對簡單。但雙面p型太陽電池經(jīng)過長時間光照后會形成硼氧對，造成載流子陷阱使少數(shù)載流子的壽命降低，導(dǎo)致太陽電池效率下降(3%～4%)［67］。而且在地面上，p型太陽電池應(yīng)對太空輻射的優(yōu)點難以體現(xiàn)，因此p型雙面太陽電池的提升空間十分有限。n型硅與p型硅相比，具有無光致衰減［68］、對重金屬雜質(zhì)容忍度好、容易得到高質(zhì)量的表面鈍化69］、能夠吸收更長波長的光等優(yōu)點，逐漸受到了研究者的關(guān)注。并且n型電池技術(shù)可以在很大程度上兼容當(dāng)前p型晶硅電池的生產(chǎn)線技術(shù)和設(shè)備，關(guān)于生產(chǎn)線不用做很大的改動，既降低了成本又能提高效率［25］。根據(jù)2015年ITＲ-PV的預(yù)測，在大規(guī)模太陽電池生產(chǎn)的材料和技術(shù)中，n型硅材料所占比重超過24%，而到2024年，n型硅材料的比重將達(dá)到40%左右［57］。
此外，國際上尚未出臺有關(guān)雙面太陽電池輸出功率的測試標(biāo)準(zhǔn)，僅有適于單面太陽電池組件的IEC60904測試標(biāo)準(zhǔn)［70］。這不僅阻礙了雙面太陽電池的商業(yè)化路線，而且直接影響到終端電站的系統(tǒng)設(shè)計。近期，中來科技有限公司光電等相關(guān)公司初步確認(rèn)了雙面太陽電池組件I-V測試方法(測試條件、測試方法和流程、組件銘牌標(biāo)稱要求等)［71］。
