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技術調查系列-Perc太陽能電池組分析

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技術調查系列-Perc太陽能電池組分析

PERC的全稱是Passivated Emitter and Rear Cell,譯為為鈍化發射極和背面電池技術。其實PERC並不是近年來發明的新技術,早在1983年,“太陽能光伏之父”澳大利亞科學家Martin Green及其團隊就提出了關於PERC的設想,並在1989年正式發表相關論文。因該技術可以大幅提高電池的效率,進而降低製造成本,近些年來被廣泛應用在新一代太陽電池上。那麼,PERC電池與傳統P型電池有什麼區別呢?

1.原理簡介

圖一:傳統鋁背板p型電池

上圖為傳統的P型鋁背板電池,其結構從上倒下依次為:銀電極、氮化矽鈍化減緩層(藍)、N型層(紅)、P型矽片(灰)、背層(綠)、鋁膜層。正面的氮化矽既用作鈍化層,又用作電池的抗反射塗層。由於背面鋁膜層中的複合速度較慢(一般在200cm/s以上),因此到達背層的紅外光只有60%-70%能夠被反射,產生較多光電損失,影響電池的效率;

圖二:鈍化發射極和背面電池

鈍化發射極和背面電池(PERC)與傳統電池最大的差別就在於電池背面。在製作工藝上,首先,要在電池背面附上鈍化層(通常為一層氧化鋁和一層氮化矽),然後通過鐳射或化學手段在鈍化層上開幾個小口用於吸收更多的光線。

該背面鈍化層通過三種方式提高電池效率:

  • 二次吸收:背面鈍化層可將穿過矽片層但未被吸收的光重新反射回矽片層中,從而增加了光吸收率。
  • 減少電子複合:電子複合會導致電子的自由運動受阻。而背面鈍化層可顯著降低背面電子複合的電流密度。
  • 減少熱吸收:電池中的矽片只能吸收波長1180nm以下的光,更高波長的光會穿過矽片層並被金屬背板吸收,從而產生熱量,使溫度升高,導致電池效率降低。背面鈍化層可反射波長大於1180 nm的光,減少了不必要的產熱,進而提高了效率。

圖三:不同輻照度下PERC電池和傳統電池效率對比

從上圖可以看出,在太陽輻照度較低的情況,例如陰天或黃昏時刻,PERC電池的效率顯著高於傳統電池。即,在弱光的條件下,PERC電池仍然可以以接近標況的效率運行,保持良好的輸出。

2.市場分析

由於PERC技術工藝相對簡單、成本較低,並且與現有電池生產線相容性高, PERC電池大規模擴產已經成為行業趨勢。隆基公司總經理王英歌就曾經表示:“P型PERC電池效率在未來兩三年內還有提升空間,也是目前量產化性價比最高的技術。”

在此大背景下,幾家中國的光伏龍頭企業紛紛致力於研究生產PERC電池。例如天合光能,早在2016年12月,天合就以22.61%的轉換效率創單晶PERC電池世界紀錄。 2020年3月,天合再創佳績,使用標準產業化設備製備出效率高達23.39%的PERC電池。

圖四:2017-2019年晶科能源和隆基樂葉生產的PERC單晶電池效率記錄

從圖中不難發現,隆基和晶科也不甘示弱,近年來接連刷新PERC電池的效率的記錄。目前,最高效率記錄是由隆基在2019年創下的24.06%。此外,晶澳、東方日升、通威等光伏企業也都有PERC電池組件可供消費者選擇。

3.展望未來

儘管PERC技術日漸成熟,但若想讓太陽能發電真正達到平價上網,顯然現在的電池效率還不夠高、製造成本也不夠低。2020年5月29日,工信部發佈《光伏製造行業規範條件(2020年本)》(徵求意見稿),要求新增單晶電池片轉換效率需大於23%。而目前,單晶PERC電池的量產效率在22%-22.4%左右。因此,如何跨過23%的門檻是PERC電池面臨的巨大挑戰,很多企業也因此重新考慮日後的產品佈局,例如將目光投向效率在23.5%以上的PERC+電池,或是能將效率提高到24%以上的HJT技術。

圖五:全球太陽能電池技術發展路線圖預測

那麼接下來幾年,PERC技術能否突破瓶頸?PERC+以及HJT等新技術是否會按照預測的趨勢,接過提升效率的接力棒?光伏電池行業又會有怎樣的變革和發展呢?我們不妨拭目以待。

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