一體兩面: 硅異質結太陽電池的最佳雙面系數
硅異質結(SHJ)太陽電池是天然雙面性的，其前表面與背面的參數比(雙面系數)可以通過前表面和背面的金屬格柵圖案輕易調整。本文同時在電池和組件兩個層面，討論了電池雙面系數從典型值的90%增大到100%，或將其減小到單面電池(0%)時好處與缺點之間的平衡。
對于背面有額外光照的系統應用場景，我們估算了在電池效率和雙面系數之間進行權衡時雙面系統的有效性能。本文討論了當將雙面系數設計得很高時，是如何以降低(正面)轉換效率為代價的，并討論了每個電池中銀漿使用量(電池成本的主要組成部分)如何密切影響電池雙面系數和效率。
使用對稱格柵圖案是獲得高電池雙面系數的一種簡單方法，但如果正反兩面都使用典型正面圖案的金屬格柵，會帶來高電阻率的代價。相反，如果正反兩面都使用背面圖案則可能導致陰影過多的情況。
此外，在雙面系數非常高的情況下，如果在背面上使用較薄的非晶硅層來對稱化電池的光吸收，會導致背面發射極電池效率的降低。因此，對于背面輻照度不變且系統設計運行也不變的情況下，可以找到最佳的折中方案。類似地，對于給定電池類型，可以對系統方案進行特殊設計以優化在特定雙面系數下的性能收益。
當大部分光從背面入射且電池雙面系數從85%到95%之間時，傾斜組件的功率輸出是最大的。對金屬格柵進行優化(正面金屬格柵間距通常為1.2至2mm，背面金屬間距為0.6至0.9mm)可以將相對功率輸出提升3%。至于傾向于采用對稱印刷網格的建筑一體化或垂直安裝系統，最佳網格間距約為1.5mm。對于單面系統，雙面電池也是更好的選擇，因為玻璃背板組件中的內部反射增加了電池背面光吸收，同時也節省了背面金屬化成本。
雙面應用正在爆發
正如ITRPV預測的那樣[1]，雙面光伏系統正處于真正的快速部署階段，預計在未來五年內將增長14倍。它不再是專為效率最高的電池而保留的利基技術，而是“降低每千瓦時成本的巨大飛躍” [2]，可適用于當前和未來的主要電池技術，包括PERC(鈍化發射極和背面電池)、PERT (鈍化發射極)背面完全擴散)、TOPCon (隧道氧化物鈍化接觸)、SHJ (硅異質結)和IBC (指叉背接觸)。
因此，最近通過模擬仿真[4]和收集現場實驗數據[5]的方式對單組件安裝系統的雙面收益以及LCOE (平均電力成本)[6,7]進行了深入研究[13]。這些基于特定電池和組件類型的研究，對于光伏安裝公司在考慮特定項目的運營條件時如何選擇最相關的技術并對其設計進行優化是非常有幫助的，如圖1所示[8]。然而，在此之前，對電池雙面系數進行修改的可行性尚未被充分考慮到。
圖1：顯示了一座位于比利時比爾貝克的一座果園上試驗的農業光伏項目，表明了在高海拔地區的高透明度屋頂上使用雙面組件的好處。
SHJ太陽電池由非常薄的氫化非晶硅層(a-Si:H)、透明導電氧化物(TCO)和沉積在硅片兩面的金屬化網格組成對稱的結構，這種結構是天然雙面性的[19]。通過使用不同金屬化網格圖案可以改變主柵和無主柵SHJ電池的雙面系數(BFcell)，而本文是該系列研究[10]的延續工作；隨后研究了對電池效率的影響，以便估算系統輸出與背面輻照度之間的關系。此外，還將介紹正面和背面沉積薄膜的差異對雙面系數的影響，并將討論電池雙面系數達到100%的可能性。
實驗細節和方法
實驗所用電池是在位于法國國家太陽能研究所INES的CEA SHJ中試線[11]上制造的，采用的是商用全尺寸n型Cz硅片(M2尺寸，244.3cm2，來自LONGi)制造背發射極雙面接觸(絲網印刷低溫Ag漿)。在這里，每個I-V參數的雙面系數是指在標準測試條件 (STC)下測得的前后比率。BFcell是其中最低的系數，通常是指功率的比值。
首先，可以通過改變無主柵(無BB:Busbar)和主柵(BB)網格圖案上的子柵間距來改變電池的雙面系數，本研究的圖案設計范圍包括從高密度背面網格(對應低雙面系數)到正面(FS)/背面(BS)等距網格，后者可以實現高雙面系數和對稱的電池外觀。子柵間距的實際變化范圍在0.2到2.1mm之間。
所有I-V測試都是在AM1.5G STC條件下使用無背反射的I-V測試儀進行的，并通過FHG ISE CalLab和ISFHCalTec認證的參考電池進行校準。每個給定設計(無BB或BB)的雙面實驗都是使用CEA-INES 基準工藝流程對來自同一生產產線的電池進行組件封裝的，并為每個絲網印刷批次隨機選擇一組電池樣品，并根據FS和BS網格間距(mm)進行標記區分，如圖2所示，展示了BB 設計的數據示例。
圖2: BB電池的雙面性實驗，在保持絲網參數(網格、乳膠和開窗等)不變的情況下，改變前后兩側金屬網格的間距(以mm為單位)。使用藍色圓點繪制雙面印刷不對稱時電池到電池的主要I-V參數比，而用橙色菱形繪制對稱印刷(即前后的子柵間距相等)時的結果。
接下來，類似于IEC 60904-1-2標準化工作[3,5]，使用無BB 和BB 電池效率與BFcell的函數關系(參見圖3)來計算雙面系統的品質因數。公式1表示傾斜的組件，其中BIFI是基于正面輻照度的百分比例計算得到的背面輻照度值。例如，當正面輻照度為1000W/m2時，BIFl20則表示背面輻照度值為200W/m2。
公式2表示垂直安裝且東西朝向的組件(V-EW)，其直射陽光在正面照射一半時間，在背面照射一半時間，并且正背兩面照射的光相同，即BIFI因子相同。換句話說，首先(即早上)，背面是組件的“真實”背面，然后(下午)，背面就成為了組件的正面，主要接收直射的光線。此處未考慮早晨和下午的平均BIFI之間可能存在的差異。
這項工作的目的不是為某些特定情況定義雙面性系數。從文獻[3-6]和CEA自己的SHJ系統的現場數據[7,12]中，可以簡單提取出一個可以應用于全球范圍內的實際BIFI范圍：作為從0到40%的BIFI范圍內BFcell的函數值，研究ηsystem可以確定在給定的組件技術下運行在特定雙面因子時的最佳SHJ電池雙面性。
無論采用何種實際參數來確定雙面系數，都使用這種簡單方法，例如系統設計 (組件傾斜安裝、安裝位置高于地面、組件數量、組件串行數和間距等)，系統朝向、地理位置、典型的氣象年份、地面反照率和周圍環境等，以及不同天氣條件下BIFI的臨時變化[13]。
BFmodule系數是針對有效網格陰影校正的實驗BFcell數據: 空氣中是95%，組件中是72%左右[14]；如Danel等人[10]所發表的，這一重要因素已在實踐中得到驗證。確實，組件中電池的有效雙面性始終高于空氣中裸電池的有效雙面性，并且隨著BFcell的減少，差異增大。
盡管這種方法可能不能嚴格代表所有應用(例如，為農業而專門設計的電池覆蓋率極低但必須具有雙面性的新系統，如圖1[8]所示)，作為BFcell函數的ηsystem，有助于優化在給定系統項目下的最佳電池設計。
除實際數據外，還采用雙二極管模型，用于模擬電池和組件在各種雙面和BIFI條件下的效率和功率。假定仿真模型采用的關鍵電學和光學參數能夠完全代表組件和電池的設計，包括材料特性和異質結特性。根據以下電阻率對金屬電極的串聯電阻(FS)進行建模:1)低溫銀漿; 2)導電膠; 和3)焊帶。該模型還考慮了三種電阻率元素中每個元素的有效形狀。
另外，還需要考慮晶體硅襯底和TCO層的體電阻，這涉及到當金屬格柵圖案發生變化時，電荷橫向傳輸的變化[8]。該模型還考慮了半切和三切電池在切割后損失的電池性能。此外還考慮了格柵的有效形狀(子柵和主柵的數量和形狀)以及材料(電池、玻璃、密封劑、金屬格柵和焊帶)的反射率、吸收率和透射率，以評估組件的光學性能[15,16]。
電池效率與雙面系數的關系
如圖1所示，對電池每個I-V參數的雙面系數都進行了測量，同時還進行了其他兩個類似電池的測量，后者在保持FS網格設計不變的同時，改變了BS 網格中子柵的間距。其中BFcell指的是功率雙面系數，它主要受短路電流(Isc)雙面系數的影響。
圖3：BB和無BB歸一化電池效率與電池雙面系數的關系。圖中的點/圓代表平均值，而誤差條則表示每個電池批次的標準差。其參考電池網格設計是2.1mm FS和0.6mm BS。在這里考慮了兩種不同的TCOs。采用實線描繪了變化趨勢。
圖3繪制了各批次電池的平均效率與BFcell的關系。可以看到，從單面設計到高度雙面性設計，SHJ電池的效率逐步下降，而當FS和BS網格間距(在此研究中為分別2.1mm 和2.1mm，電池背面為銦錫氧化物(ITO))相等時電池雙面性達到最高值，其對應的電池效率也顯著下降。對于無BB和ITO BS的實驗，通過物理氣相沉積(PVD)對參考電池(間距2.1mm FS 和0.6mm BS)背面進行額外的金屬化，從而形成單面電池。如圖3和表1所示，這批電池的雙面性為3.4%，比參考電池高0.16