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技术尽调系列-PERC太阳能电池组分析

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技术尽调系列-PERC太阳能电池组分析

PERC的全称是Passivated Emitter and Rear Cell,译为为钝化发射极和背面电池技术。其实PERC并不是近年来发明的新技术,早在1983年,“太阳能光伏之父”澳大利亚科学家Martin Green及其团队就提出了关于PERC的设想,并在1989年正式发表相关论文。因该技术可以大幅提高电池的效率,进而降低制造成本,近些年来被广泛应用在新一代太阳电池上。那么,PERC电池与传统P型电池有什么区别呢?

1.原理简介

图一:传统铝背板p型电池

上图为传统的P型铝背板电池,其结构从上倒下依次为:银电极、氮化硅钝化减缓层(蓝)、N型层(红)、P型硅片(灰)、背层(绿)、铝膜层。正面的氮化硅既用作钝化层,又用作电池的抗反射涂层。由于背面铝膜层中的复合速度较慢(一般在200cm/s以上),因此到达背层的红外光只有60%-70%能够被反射,产生较多光电损失,影响电池的效率;

图二:钝化发射极和背面电池

钝化发射极和背面电池(PERC)与传统电池最大的差别就在于电池背面。在制作工艺上,首先,要在电池背面附上钝化层(通常为一层氧化铝和一层氮化硅),然后通过激光或化学手段在钝化层上开几个小口用于吸收更多的光线。

该背面钝化层通过三种方式提高电池效率:

  • 二次吸收:背面钝化层可将穿过硅片层但未被吸收的光重新反射回硅片层中,从而增加了光吸收率。
  • 减少电子复合:电子复合会导致电子的自由运动受阻。而背面钝化层可显著降低背面电子复合的电流密度。
  • 减少热吸收:电池中的硅片只能吸收波长1180nm以下的光,更高波长的光会穿过硅片层并被金属背板吸收,从而产生热量,使温度升高,导致电池效率降低。背面钝化层可反射波长大于1180 nm的光,减少了不必要的产热,进而提高了效率。

图三:不同辐照度下PERC电池和传统电池效率对比

从上图可以看出,在太阳辐照度较低的情况,例如阴天或黄昏时刻,PERC电池的效率显著高于传统电池。即,在弱光的条件下,PERC电池仍然可以以接近标况的效率运行,保持良好的输出。

2.市场分析

由于PERC技术工艺相对简单、成本较低,并且与现有电池生产线相容性高, PERC电池大规模扩产已经成为行业趋势。隆基公司总经理王英歌就曾经表示:“P型PERC电池效率在未来两三年内还有提升空间,也是目前量产化性价比最高的技术。”

在此大背景下,几家中国的光伏龙头企业纷纷致力于研究生产PERC电池。例如天合光能,早在2016年12月,天合就以22.61%的转换效率创单晶PERC电池世界纪录。 2020年3月,天合再创佳绩,使用标准产业化设备制备出效率高达23.39%的PERC电池。

图四:2017-2019年晶科能源和隆基乐叶生产的PERC单晶电池效率记录

从图中不难发现,隆基和晶科也不甘示弱,近年来轮番刷新PERC电池的效率的记录。目前,最高效率记录是由隆基在2019年创下的24.06%。此外,晶澳、东方日升、通威等光伏企业也都有PERC电池组件可供消费者选择。

3.展望未来

尽管PERC技术日渐成熟,但若想让太阳能发电真正达到平价上网,显然现在的电池效率还不够高、制造成本也不够低。2020年5月29日,工信部发布《光伏制造行业规范条件(2020年本)》(征求意见稿),要求新增单晶电池片转换效率需大于23%。而目前,单晶PERC电池的量产效率在22%-22.4%左右。因此,如何跨过23%的门槛是PERC电池面临的巨大挑战,很多企业也因此重新考虑日后的产品布局,例如将目光投向效率在23.5%以上的PERC+电池,或是能将效率提高到24%以上的HJT技术。

图五:全球太阳能电池技术发展路线图预测

那么接下来几年,PERC技术能否突破瓶颈?PERC+以及HJT等新技术是否会按照预测的趋势,接过提升效率的接力棒?光伏电池行业又会有怎样的变革和发展呢?我们不妨拭目以待。

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