高辐照度对高效光伏组件性能影响的研究

姜倩 唐兰兰 王琪

摘 要：研究了高辐照度下的光谱辐照度分布及其与太阳电池的匹配性，通过测试辐照前后太阳电池的光电转换效率、外量子效率（EQE）、反射率、栅线形貌，对比分析了高辐照度、超高辐照度与标准辐照度对高效太阳电池性能影响的差异，并通过与光伏组件户外数据关联分析高辐照度对光伏组件性能的影响。研究结果显示：太阳电池在经受高辐照后，短路电流的下降幅度较为明显，而其下降主要是因为栅线氧化及钝化效果变差引起的复合损失；高辐照环境下最优的光伏组件类型建议选择n型双玻半片光伏组件。评估高效光伏组件在不同环境下的性能，有助于保证光伏组件成品性能的稳定可靠。

关键词：高辐照度；超高辐照度；太阳电池；高效光伏组件；户外性能

中图分类号：TM615 文献标志码：A

0  引言

随着光伏行业的迅猛发展，隧穿氧化层钝化接触（TOPCon）太阳电池、背接触太阳电池（XBC）等高效太阳电池的量产化进程加速，各种太阳电池技术的叠加使太阳电池的光电转换效率大幅提升，但高效太阳电池的可靠性尚未得到充分验证。在高效太阳电池技术快速发展的大背景下，光伏组件的应用场景也呈现多样化，目前行业出现了通过加装反光镜来提高光伏组件发电量的设计方式。为了全面考量高效光伏组件在不同环境下的性能，保证此类光伏组件成品的性能稳定可靠，评估高效光伏组件在高辐照环境下的性能与常规辐照下性能的差异是必不可少的。

由于目前光伏行业无明确的方法和要求来评估高辐照度下高效光伏组件的性能，本文利用稳态太阳光模拟器加装反光镜的方式达到高辐照、超高辐照的效果，从而创造高辐照、超高辐照与标准辐照的测试环境，通过测试辐照前后太阳电池的光电转换效率、外量子效率（EQE）、反射率，对比分析高辐照、超高辐照对太阳电池性能的影响，并通过与高效光伏组件户外数据关联分析高辐照度对光伏组件性能的影响。

1  高辐照度下的光谱辐照度分析

利用稳态太阳光模拟器加装反光镜的方式形成的高辐照度主要是通过将光线先照射到反光镜，再由反光镜反射回太阳电池表面来实现，但需要测量并评估反射回的这部分光线的光谱辐照度分布与太阳电池光谱响应的匹配性。考虑到不同波段光线在反射过程中的能量损失，分别对不同波长λ时，常规辐照度下的光谱辐照度与高辐照度下的光谱辐照度情况进行了测试，测试结果如图1所示。

从图1来看：在相同波长条件下高辐照度下的光谱辐照度明显高于常规辐照度下的该值，且高辐照的环境是通过镜面反射实现的，说明不同波长的光线均能通过反光镜反射到太阳电池表面，光程损失率少；高辐照度下的光谱辐照度与常规辐照度下的光谱辐照度分布趋势总体相同。

常规辐照度下的光谱辐照度与标准辐照度下的光谱辐照度的相对值如图2a所示，高辐照度下的光谱辐照度与标准辐照度下的光谱辐照度的相对值如图2b所示。

从图2可以看出：400～700 nm波段下，高辐照度下的光谱辐照度与标准辐照度下的光谱辐照度的相对值较高，说明加装反光镜带来光的增益在400～700 nm波段更突出。

结合常规太阳电池一般在500～700 nm波段的量子响应最优的情况，说明通过加装反光镜来增加辐照度有助于提高太阳电池的响应能力，并且此种情况下的太阳电池响应能力优于常规辐照度下的太阳电池响应能力，而且增加的辐照度对于提高太阳电池输出功率的贡献也较大。

虽然增加辐照度能显著提高太阳电池输出功率，但随着辐照度的增加，太阳电池及光伏组件的工作温度也都会增加，这一变化对二者的性能影响值得进一步关注。

2  高辐照条件对太阳电池性能影响分析

不同辐照度对太阳电池性能影响的测试涉及到3个辐照度，分别为标准辐照度（1000 W/m2）、高辐照度（1300 W/m2）、超高辐照度（1500 W/m2）。其中，标准辐照度是稳态太阳光模拟器不加装反光镜的情况，高辐照度1300 W/m2是在稳态太阳光模拟器基础上加装1块反光镜实现的，超高辐照度1500 W/m2是在稳态太阳光模拟器基础上加装两块反光镜实现的。可实现超高辐照度的装置的实物图如图3所示，超高辐照度对太阳电池性能影响测试平台如图4所示。

2.1  高輻照条件下太阳电池的光电转换效率衰减测试

辐照度增强后太阳电池的钝化缺陷部位的弱氢键很容易因温度和光照而遭到破坏[1]，引起氢钝化衰减；同时，增强辐照度后，太阳电池工作温度也会上升。结合温度和辐照度条件，下文选用热辅助光致衰减（LeTID）测试[2]，分别对TOPCon太阳电池在标准辐照度、高辐照度和超高辐照度时的光电转换效率变化情况进行测试。

标准辐照度和高辐照度下TOPCon太阳电池的光电转化效率变化趋势如图5所示。

选取光电转换效率分别为21.84%、21.73%和21.76%的3组TOPCon太阳电池，每组太阳电池20片，测试超高辐照度下TOPCon太阳电池的光电转化效率变化情况，测试结果如图6所示。

结合图5、图6可以发现，高辐照条件下太阳电池在270 kWh/m2辐照量时出现了明显的光电转换效率衰减拐点，在超高辐照条件下太阳电池明显的光电转换效率衰减拐点出现在180～240 kWh/m2辐照量之间，超高辐照将太阳电池光电转换效率的整体衰减趋势缩短，说明高辐照条件将太阳电池光电转换效率的变化拐点前移。

若目前光伏行业普遍认同n型TOPCon太阳电池的LeTID在较长时间后也会衰减的观点[3]，那么高辐照环境下太阳电池的光电转换效率衰减率将会比同期的常规辐照条件下的高，且光伏组件的输出功率衰减率也会较高。

2.2  高辐照环境对太阳电池栅线的影响

在高辐照环境下，辐照量达到240 kWh/m2后太阳电池栅线表面出现明显的老化现象，利用3D显微镜观察其表面形貌，发现栅线颜色由白色变为黄色，部分区域有发黑现象。这是因为栅线在烧结后成分只留下银粉和玻璃粉，银在空气中很容易发生氧化反应，且高温可以提高分子运动速率，分子运动速率越高，氧化反应越剧烈。

利用3D显微镜观察到的高辐照与常规辐照条件下的太阳电池栅线表面情况，具体如图7所示。

太阳电池在实际使用时会封装成光伏组件，其表面会有玻璃和胶膜等封装材料，封装材料只是减缓了氧气和水气的渗透，但依然会有氧气和水气渗透到封装材料到达太阳电池表面，在高辐照的情况下会加快栅线的老化进程。鉴于此，如果光伏组件是用于高辐照地区，最好选择水气透过率低的封装材料。对于双玻和透明背板光伏组件而言，由于玻璃的水气透过率几乎为零，而透明背板的水气透过率约为1.8 g/（m2· d），因此，双玻光伏组件优于透明背板光伏组件。

2.3  高辐照环境对太阳电池钝化层的影响

为进一步了解经过较长时间的高辐照后太阳电池的钝化层结构是否发生了变化，对标准辐照度、高辐照度、超高辐照度前后太阳电池在不同波长下的反射率和EQE进行了测试。

反射率可以反映光线照射至太阳电池表面后被吸收的综合比例，而EQE则可以反映所有入射的光子数中经过太阳电池内部电子-空穴复合等过程后收集到的电子的比例。不同辐照条件下太阳电池的反射率对比如图8所示。

从图8可以看出：在短波段300～380 nm，高辐照、超高辐照度下太阳电池的反射率有所上升。但辐照会对太阳电池前表面结构产生一定程度的损伤，因此可以通过EQE来判断不同辐照条件下太阳电池钝化层结构的改变情况。

不同辐照度下太阳电池的EQE对比如图9所示。

从图9可以看出：在高和超高辐照度下，太阳电池在短波段（300～380 nm）的EQE均低于标准辐照度下的该值。由于短波长的光是在非常接近太阳电池表面的位置被吸收，若太阳电池前表面有相当多的电子-空穴复合，将会影响太阳电池在短波段附近的EQE，这说明高和超高辐照对太阳电池钝化结构的影响主要是在太阳电池的前表面钝化层。

对于TOPCon太阳电池而言，其减反射钝化结构由SiNx层与Al2O3层复合形成。在辐照环境下，裸太阳电池的SiNx层会发生腐蚀老化，而对于由SiNx层与Al2O3层复合形成的钝化结构，虽然Al2O3层表面有SiNx层作为保护层，但根据文献[4]对LeTID的研究成果，太阳电池在高温、辐照环境下会发生氢诱导衰减，而氢原子与其他杂质形成的缺陷对的价态变化是根源所在。对于TOPCon太阳电池内部结构而言，钝化层SiNx/Al2O3是氢的来源。烧结工序可以让钝化层释放的氢进入硅片，形成弱氢键，钝化缺陷部位。这些氢键很容易因高温和光照而受到破坏，释放弱键氢，从而导致太阳电池光电转换效率衰减。

2.4  高辐照测试后太阳电池电性能参数变化

高辐照度下，不同辐照量时太阳电池的电性能参数变化情况如表1所示。

由于开路电压和短路电流是衡量太阳电池性能的主要参数，从表1可以看出，在经受高辐照后，太阳电池的短路电流的下降幅度较大，而短路电流的降低主要是因为栅线氧化及钝化效果变差引起的复合损失。

当太阳电池长期处于高辐照环境下时，其栅线的老化进程将会加快，钝化层也会发生腐蚀老化，同时也会发生氢诱导衰减。太阳电池的性能变化主要体现在短路电流的降低上。

3  高辐照环境对光伏组件应用的影响

光伏组件在高辐照环境下使用时，其输出功率和光电转换效率主要受辐照度和温度的影响。

3.1  不同辐照度和温度条件下光伏组件的性能表现

在光伏组件工作温度为40 ℃的条件下，对不同太阳辐照度时光伏组件的输出功率进行测试，测试结果如图10所示。

从图10和图11可以看出：太阳辐照度越高，光伏组件输出功率也越高，而太阳辐照度越高，光伏组件的工作温度也会相对升高，随着光伏组件工作温度的升高，其光电转换效率会有一定程度的下降。从实际监测数据来看，相较于标准辐照度1000 W/m2时，高辐照度1300 W/m2下光伏组件的工作温度会升高6 ℃左右，而输出功率会提高10%以上。由此可知，高辐照带来的输出功率增益大于温度上升对光电转换效率的影响。

高辐照环境下选用更低温度系数的n型光伏组件综合效益会更高，对比整片光伏组件的温度系数（-0.327%/℃）與半片光伏组件的温度系数（-0.313%/℃），半片光伏组件的优势更大。因此，高辐照环境下最优的光伏组件类型建议选择n型双玻半片光伏组件。

3.2  不同地区实现高辐照环境的条件不同

不同于实验室中测试太阳电池性能时创造的高辐照度环境，针对实际光伏电站运行中的光伏组件，由于不同地区的光伏组件最佳安装倾角不同，因此在不同地区实现高辐照环境时反光镜的安装角度各不相同。

反光镜安装示意图如图12 所示。图中：φ1为光伏组件与水平面的夹角；φ2、φ4均为反光镜与水平面的夹角；φ3为太阳高度角；φ5为太阳反射光线与水平面的夹角；H1为光伏组件顶点离地距离；H2为光伏组件顶点与反光镜顶点距离；H3为反光镜顶点离地距离；L1为光伏组件长度；L2为反光镜长度。

tanφ5+L2sinφ2–L2sinφ1=0，进一步求解得到：（L1+ L2cosφ1+L2cosφ2）tan（φ3–2φ2）+L2sinφ2–L2sinφ1=0。φ1、φ3、L1、L2已知，从而可求出φ2。

在中国，一年中正午太阳高度角最大值在夏至日、最小值在冬至日。以冬至日为例，经计算得到中国部分区域的反光镜最佳安装角度，具体如表2所示。

从冬至日至夏至日，正午太阳高度角不断变大，从夏至日至冬至日，正午太阳高度角不断变小，因此反光镜安装后角度若可以随时间变化及时调整，光伏组件输出功率的增益将会不断增大。

4  结论

本文研究了高辐照度下的光谱辐照度分布及其与太阳电池的匹配性，通过测试辐照前后太阳电池的光电转换效率、外量子效率（EQE）、反射率、栅线形貌，对比分析了高辐照度、超高辐照度与标准辐照度对高效太阳电池性能影响的差异，并通过与光伏组件户外数据关联分析高辐照

度对光伏组件性能的影响。研究结果显示：太阳电池在经受高辐照后，短路电流的下降幅度较大，而其下降主要是因为栅线氧化及钝化效果变差引起的复合损失；高辐照环境下最优的光伏组件类型建议选择n型双玻半片光伏组件。

[参考文献]

[1] CHEN D， HAMER P G，KIM M，et al. Hydrogen induced degradation：a possible mechanism for light- and elevated temperature-induced degradation in n-type silicon[J]. Solar energy materials and solar cells，2018，185：1-9.

[2] DUONG T W，WU Y L，PENG H P，et al.Light and elevated temperature induced degradation （LeTID） in perovskite solar cells and development of stable semi-transparent cells[J]. Solar energy materials and solar cells，2018，188：27-36.

[3] 于琨，王占友，郑海陆，等.晶硅光衰LID/LeTID研究进展综述[J].科技与创新，2018（24）：7-12.

[4] KERSTEN F，HEITMANN J，MULLER J W. Influence of Al2O3 and SiNx passivation layers on LeTID[J]. International conference on crystalline silicon photovoltaics，2016，2：989.