异质结太阳电池测试标准的研究进展

时 强，高 祺，张雅婷，余友林,2，刘正新,2,3*

(1. 中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海 201800；2. 中国科学院大学，北京 100049； 3. 通威太阳能，成都 610299)

0 引言

异质结(heterojunction technology，HJT)太阳电池于20世纪90年代由日本三洋公司发明，并在当时获得了超过18%的高光电转换效率[1]。主流的HJT太阳电池是由n型单晶硅片衬底、正面和背面的非晶硅钝化薄膜层(包括n型非晶硅薄膜n-a-Si:H、本征非晶硅薄膜i-a-Si:H和p型非晶硅薄膜p-a-Si:H)、双面的透明导电氧化薄膜(TCO)层和金属电极组成，其基本结构示意图如图1所示。

图1 HJT太阳电池的基本结构示意图Fig. 1 Schematic diagram of basic structure of HJT solar cell

与传统的晶体硅太阳电池相比，HJT太阳电池具有光电转换效率高、制造工艺步骤少、工艺温度低、温度系数小及双面系数高等特点[2]，这些特点使其在过去几年中发展迅速。目前，HJT太阳电池的实验室最高光电转换效率为26.3%，产业化的平均光电转换效率已突破24.0%。此外，通过结合叉指背接触技术得到的背接触异质结(heterojunction backcontact，HBC)太阳电池的最高光电转换效率可达26.7%，是目前单结晶体硅太阳电池光电转换效率的最高纪录。

太阳电池在标准测试条件(STC)下的电流-电压(I-V)特性曲线是判断其电性能的重要依据之一。然而，针对常规晶体硅太阳电池的电性能测试技术及相关测试标准并不能完全应用于HJT太阳电池。

目前HJT太阳电池在I-V测试中存在的问题主要包括：1)HJT太阳电池具有较高的内电容，不恰当的测试方法及测试参数会引起迟滞效应，产生迟滞误差，从而影响测试结果；2)HJT太阳电池因其对称结构而具有天然的双面发电能力，双面HJT太阳电池的测试方法及相应测试条件的不同都会对测试结果产生影响；3)HJT太阳电池具有亚稳态特性，表现为可恢复的光增效应及暗衰效应，从而导致其测试值与真实值间会产生差异。

基于此，本文针对HJT太阳电池电性能测试的技术难点，结合现有的测试标准，对近年来中国科学院上海微系统与信息技术研究所新能源中心在HJT太阳电池测试技术方面的研究工作和主要成果进行了总结分析，归纳总结了HJT太阳电池测试时产生迟滞效应的原因及其解决方法，以及双面HJT太阳电池的测试标准和评价体系，研究了不同测试参数对迟滞误差的影响，分析了测试台反射率及其与太阳电池接触方式等对HJT太阳电池电性能测试结果的影响，并通过简述HJT太阳电池亚稳态特性的研究进展，找出HJT太阳电池精确测试的方法，以期为后续的研究提供借鉴，助力HJT太阳电池产业的发展。

1 迟滞效应

1.1 迟滞效应来源

根据文献[3]的报道，使用较短的脉冲光照对HJT太阳电池进行I-V测试，会出现正向、反向扫描时该太阳电池的I-V曲线不一致的现象，扫描结果如图2所示。

图2 正向、反向扫描时HJT太阳电池I-V曲线的差异Fig. 2 Difference between I-V curves of HJT solar cell during forward and reverse scans

迟滞效应的主要成因是太阳电池在测量过程中产生的电容效应。太阳电池本质上是一个半导体p-n结器件。在p-n结中，主要包含2种电容：势垒电容和扩散电容。因为势垒电容一般与太阳电池的负偏压有关且电容值较小，所以在HJT太阳电池测试中一般可以忽略其产生的影响。HJT电池在I-V测试中主要受到扩散电容的影响，扩散电容与少数载流子在准中性区的积累相关。

扩散电容Cd与太阳电池外加电压Va之间呈指数关系，可表示[4]为：

式中：C0为基体电容，与少子寿命相关；T为太阳电池的工作温度；q为电子电荷；k为玻尔兹曼常数。

从式(1)可以看出，扩散电容随外加电压的增加而呈指数增大。HJT太阳电池采用的硅片的少子寿命较长，其内部的扩散电容可达到传统太阳电池的10倍以上，而较大的扩散电容意味着在改变太阳电池外加电压时，其内部电子电荷达到平衡分布所需的时间也会更长。因此，在进行电性能测试时，如果I-V扫描仪的外加电压变化速率过快，会导致测试过程中HJT太阳电池内部电子电荷分布未达到平衡，由此而导致的测试结果误差即为迟滞误差。根据扫描方向的不同，正向扫描时，太阳电池内部电容处于充电状态，将会分流一部分光生电流，导致测试结果低于真实值；反向扫描时，太阳电池内部电容处于放电状态，会导致测试结果高于真实值[5]，这也就造成了图2中测试结果的差异。

1.2 迟滞效应消除方法

在IEC 60904—1: 2020《Photo voltaic devices——Part 1: Measurement of photovoltaic current-voltage characteristics》中，提供了测试具有电容效应的光伏器件I-V曲线的详细方法，其中包括一些可消除或减弱迟滞效应的测试方法，比如：线性测试法[6]、多次闪光法[7]、动态I-V法[8]、暗态I-V转换法[9]等。

1)线性测试法是通过使用稳态光源或长脉冲光源并增加测试时间来减缓I-V测试时的扫描速率，以消除迟滞效应对太阳电池I-V测试结果的影响。

2)多次闪光法是将一条完整的I-V曲线分成M段，每段在一次闪光下测试，共进行M次闪光，最后再组合成一条完整的I-V曲线。当分段数目使在任意一段时的扫描速率均低至能消除电容效应产生的影响时，可以认为该方法达到了足够精确的程度。

3)动态I-V法是在保持整体扫描时间不变的情况下，在测试单个I-V数据点时保持偏置电压不变，待太阳电池输出电流稳定后再采集其电流值，通过多个数据点拟合出整体的I-V曲线。

4)暗态I-V转换法是利用暗态I-V的测试不受光源脉冲时间的影响、扫描速率无限制的优势，结合暗态下慢速测试和快速测试得到的I-V曲线，以及光照下快速测试得到的I-V曲线，通过二极管模型转换得到光照下无迟滞效应的I-V曲线。

对上述各种测试方法的特点进行了总结，具体如表1所示。

表1 不同测试方法的特点比较Table 1 Comparison of characteristic of different measurement methods

1.3 测试参数对迟滞效应的影响

在太阳电池I-V测试中，所有的测试参数(包括时间参数和扫描点数)均可能对测试结果产生影响。本部分内容主要针对扫描点数对I-V测试结果的影响进行研究。扫描点数不仅会影响到I-V测试的总扫描时间，也将决定I-V测试中相邻扫描点之间的电压差ΔV(在电压扫描范围固定时，ΔV与扫描点数成反比)。ΔV的值会影响到在一定时段内内部电容的充放电程度，进而会影响I-V测试中的迟滞效应。

在研究扫描点数对I-V测试结果的影响的对比测试中，相关时间参数的设置为：电源延迟时间Tds=0.035 ms，积分时间Ti=0.1 ms，每个扫描点的测试时间Tm=0.435 ms。

分别采用固定总扫描时间实验和固定测试点外加电压作用时间实验对迟滞误差和扫描点数之间的关系进行研究，结果如图3所示[10]。

在固定总扫描时间Th的条件下，迟滞误差ε随扫描点数N的变化关系如图3a所示。在该实验中，由于采用不同的I-V扫描仪和控制软件时可设置的参数不同，以所有扫描点的总的外加电压保持时间作为总扫描时间的度量指标。本实验中总的外加电压保持时间SUM(T′h)=SUM(Td-Tds)=30 ms，其中，Td为测试延迟时间。

图3 迟滞误差与扫描点数的变化关系[10]Fig. 3 Changing relationship between hysteresis error and scanning points

从图3a可以看出，ε随N的变化存在一个极大值，这说明增加和减小N值均有可能减小ε。该结果可以从2个方面进行解释：1)增加N会导致ΔV的减小，因此由于测试点外加电压变化而导致的迟滞效应会随之减小，迟滞误差则可以在较短的总扫描时间下消除；2)在Th一定时，N的减小会导致T′h的增加，因此在测试点外加电压变化后太阳电池内部电容就有更充裕的时间进行充放电。这个结果表明，如果通过高速I-V扫描仪将扫描点数增加到上万点，迟滞误差也有可能减小，该结果对于一些使用瞬态模拟器进行的I-V测试具有较高的实际意义。

从图3b可以看出，ε正比于1/N，这是由于在I-V测试中，如果每个扫描点的测试时间相同，迟滞效应随着ΔV的减小而减小。而对于一些迟滞误差较大的数据点，会出现稍微偏离这个线性关系的现象，该现象产生的原因是在迟滞误差较大时，I-V测试正向扫描和反向扫描得到的太阳电池最大功率点电压的差值也较大。

根据实验结果，提出了一个高效光伏器件测试参数优化方法，具体设置流程如图4所示。根据该优化方法，待测I-V曲线的迟滞误差值可以得到精确控制。

图4 高效光伏器件测试参数优化方法的设置流程[10]Fig. 4 Setting process of optimization method of high efficiency PV device test parameter

2 双面特性

HJT太阳电池具有双面对称结构，其正面和背面能够同时接收光照产生电流，因此其性能评估的测试标准与常规的单面太阳电池的测试标准不同，针对其的测试标准需要涵盖其可以双面接收太阳光照的本质特性。目前国际电工委员会(IEC)、国际半导体设备材料产业协会(SEMI)及中国光伏行业协会等都提出了针对双面光伏器件的测试标准，给出的测试方法中，除了户外测试方法外，常用的室内测试方法主要有等效辐照度法[11]和双面光照法[12]。

2.1 等效辐照度法

等效辐照度法的测试原理是将双面太阳电池背面接收的太阳辐照度转换为相应的正面接收的太阳辐照度，再与STC下双面太阳电池正面接收的太阳辐照度叠加，从而获得此类太阳电池的等效正面辐照度，然后在等效正面辐照度下对双面太阳电池进行I-V测试，以获得最终的测试结果，测试原理如图5所示。图中：G为太阳辐照度。

图5 双面太阳电池的正、背面I-V测试[11]Fig. 5 I-V test of front side and rear side for bifacial solar cell

根据IEC TS 60904-1-2: 2019，在STC下分别测量双面太阳电池正面的短路电流Iscf、开路电压Vocf和最大输出功率Pmaxf，以及背面的短路电流Iscr、开路电压Vocr和最大输出功率Pmaxr，然后计算各参数的双面系数，计算式如式(2)～式(4)所示。需要注意的是，在对双面太阳电池任意一面进行单面测量时，需要用减反射材料遮挡非受光面，以满足测试标准的要求，即非受光面接收的太阳辐照度低于3 W/m2。

式中：φIsc、φVoc、φPmax分别为短路电流、开路电压、最大输出功率的双面系数。

计算双面太阳电池的等效正面辐照度GEi，计算式可表示为：

式中：GRi为双面太阳电池背面接收的太阳辐照度，其中i为测试序号；φ为太阳电池的双面系数。

φ可表示为：

最后将双面太阳电池在等效正面辐照度下测试得到的正面的电性能参数作为该双面太阳电池的电性能参数。

2.2 双面光照法

双面光照法是模拟双面太阳电池实际使用条件，通过双光源或“单光源+反射镜+滤光片”的组合，照射双面太阳电池的正面和背面，然后进行I-V测试，从而获取双面太阳电池的电性能参数。

以双光源为例进行双面光照法的介绍。在t1～t2时间段内，仅背面光源开启，测量STC条件下双面太阳电池背面的电性能参数；t3～t4时间段内，正面和背面光源同时开启，测量STC条件下双面太阳电池在双面受光时的电性能参数；在t5～t6时间段内，背面光源关闭，仅正面光源开启，测量STC条件下双面太阳电池正面的电性能参数。根据这些电性能参数，结合式(6)，可计算得到双面太阳电池的双面系数。

双面光照法下双面太阳电池的辐照流程示意图如图6所示。

图6 双面光照法下双面太阳电池的辐照流程示意图[12]Fig. 6 Schematic diagram of irradiation flow of bifacial solar cell under bifacial illumination method

2.3 测试台的影响

常规单面太阳电池测试时，太阳电池背面一般放置在反射率较高的镀金铜测试台，以获取较高的电导率。对双面太阳电池而言，采用等效辐照度法对双面太阳电池进行单面测试时，若采用镀金铜测试台，会导致透过太阳电池的光经测试台反射被双面太阳电池非受光面吸收，使测试得到的短路电流值增大。不同波长时黑色铜和镀金铜2种测试台的反射率曲线如图7所示，同一块HJT太阳电池使用不同测试台时测试得到的I-V曲线如图8所示。

图8 同一块HJT太阳电池采用不同测试台测试 得到的I-V曲线Fig. 8 I-V curves of the same HJT solar cell tested on different test platforms

从图7可以看出，不同波长时，镀金铜测试台的反射率相对较高。

图7 不同波长时2种测试台的反射率曲线Fig. 7 Reflectivity curves of two types of test platform at different wavelengths

从图8可以看出，同一块太阳电池使用镀金铜测试台测得的短路电流值和最大输出功率值比其使用黑色铜测试台测得的值均高1%～2%，该差异值的大小与测试样品的种类及测试台的反射率相关。

为了研究HJT太阳电池采用双面光照法时的I-V曲线，采用了一种中间镂空具有双面探针排的测试台(下文简称为“双面测试台”)进行测试，其实物图如图9所示。

图9 双面测试台的实物图Fig. 9 Photo of bifacial test platform

将同一块HJT太阳电池分别采用3种测试台时得到的I-V曲线进行比较，具体如图10所示。

图10 同一块太阳电池分别采用不同测试台得到的I-V曲线Fig. 10 I-V curves of the same solar cell tested on different test platforms

从图10中可以看出，同一块太阳电池分别采用双面测试台测得的短路电流值与其采用黑色铜测试台测得的结果一致，均低于镀金铜测试台；双面测试台的开路电压值和填充因子值却低于黑色铜测试台得到的测量值，而黑色铜测试台与镀金铜测试台测得的开路电压值一致。开路电压值不一致主要是受到太阳电池工作温度的影响，黑色铜测试台和镀金铜测试台内部采用水冷控温，太阳电池与测试台充分接触，测试时可以精确控制太阳电池工作温度在25 ℃；而双面测试台镂空，测试时只能使用风扇对太阳电池进行降温，控温效果有限，因此测试时太阳电池工作温度会升高，导致测得的开路电压值较低。填充因子值的大小则与太阳电池和测试台的接触相关，黑色铜测试台与镀金铜测试台的电导率不同，而双面测试台的背面也使用探针与太阳电池接触，这都会使测得的填充因子值存在一定差异。因此，在对双面太阳电池进行I-V测试时，应该综合考虑上述因素，以便于提高双面太阳电池I-V测试结果的准确性与合理性。

3 亚稳态特性

常规的p型晶体硅太阳电池在初期使用时，由于光照引起其功率衰减的现象称为光致衰减(LID)，此现象的产生与太阳电池内部的B—O复合相关[13]。研究发现，在非晶硅薄膜太阳电池中，也存在光致衰减现象，该衰减也被称为Steabler-Wronski效应[14]。然而研究发现，对于HJT太阳电池，进行持续光照(即光注入)后会出现光电转换效率上升(即光注入增益)的现象，且静置和暗态退火对光注入增益具有消退作用，HJT太阳电池光注入—暗态退火—二次光注入过程中的I-V测试结果如表2所示。

表2 HJT太阳电池光注入—暗态退火—二次光注入过程中的I-V测试结果Table 2 I-V test results during optical injection-dark annealing-secondary optical injection treatment for HJT solar cells

从表2可以看出，与未光注入时相比，对HJT太阳电池进行光注入后，其Voc值增加了0.0038V，FF值增加了0.88%，η显著提升了0.39%；而在随后的暗态退火过程中，Voc值和FF值均又回落到初始水平。与Voc值和FF值相比，Isc值在整个光注入—暗态退火—二次光注入过程中未观察到明显的变化。而对上述的光注入—暗态退火—二次光注入过程进行循环时，HJT太阳电池的增益—消退现象也循环发生，这表明光注入—暗态退火循环期间，HJT太阳电池光电转换效率的增加和降低具有可逆性[15]。

除了上述可逆过程外，本研究发现HJT太阳电池还存在暗衰现象。将光注入后的HJT太阳电池放置在暗态环境下，定期监测HJT太阳电池的电性能参数，发现HJT太阳电池的光电转换效率缓慢下降直至最终稳定，此现象称为暗衰现象。在暗态环境下HJT太阳电池的电性能参数变化如表3所示。

表3 在暗态环境下不同静置时间时HJT太阳电池的 电性能参数Table 3 Electrical performances parameters of HJT solar cells in dark state with different resting times

表3中HJT太阳电池在重新接受光照后，其光电转换效率会迅速提升。暗衰现象与硅片的电阻率、非晶硅薄膜材料相关，但造成该现象的本质原因还有待进一步研究。

综上所述可知，HJT太阳电池的亚稳态特性对现有测试标准提出了挑战。而HJT太阳电池的稳定性判定条件、如何制作及保存标准HJT太阳电池，以及产线如何使用标准HJT太阳电池进行太阳模拟器校准等问题都需要进行研究讨论，并制定相应的标准。

4 结论

标准测试条件下测得的电性能结果是制定光伏器件价格的基准，因此光伏器件电性能测试的测试标准对于光伏产业的发展具有重要意义。本文从迟滞效应、双面特性及亚稳态特性3个方面分析总结了HJT太阳电池的电性能测试方法、研究进展及目前仍存在的问题，并提出了HJT太阳电池在电性能测试中存在的迟滞误差、迟滞误差的成因及其解决方法，以降低该类太阳电池的测试结果误差。

TOPCon、TBC等高效太阳电池将会面临同样的问题，因此，本文的研究内容对这些太阳电池同样具有参考价值。