介绍了光伏市场上3种主要的双面光伏组件: 单晶n型双面光伏组件, 单晶PERC双面光伏组件, 异质结(HIT或HJT)双面光伏组件, 分析了双面光伏组件的应用特点, 并结合当前光伏行业的政策和发展方向分析了双面光伏组件的应用前景.
1, 双面光伏组件结构及特点
1.1结构
常规光伏组件只能正面接收太阳光线来发电, 而双面光伏组件由于特殊的电池结构和透明的背板材料, 使其除了正面发电外, 背面也可有效利用接收到的光线来发电, 这些光线包含地面的反射光, 大气中的散射光, 空气中粉尘的反射光, 周围建筑物的反射光等. 通常双面光伏组件的双面发电特性使其可比常规光伏组件发出更多的电能.
20世纪70年代, 基于p+pn+或p+nn+结构的双面受光晶体硅太阳电池的结构被正式提出.
1994年Moehlecke等在第一届世界光伏会议上介绍了基于p+nn+结构的双面太阳电池, 该电池的正面转换效率达到了19.1%, 背面转换效率为18.1%. 世界各国研究人员陆续在钝化, 丝网印刷, 掺杂扩散等技术方面取得进展, 实现了双面光伏组件的工业化生产.
目前市场上的双面光伏组件主要有单晶n型双面光伏组件, 单晶PERC双面光伏组件, 异质结(HIT或HJT)双面光伏组件3类.
1)单晶n型双面光伏组件. 图1为基于磷掺杂的n型硅制备成p+nn+结构的双面太阳电池, 其采用硼扩散掺杂制备发射极, 磷扩散掺杂制备n+背场. 由于n+磷背场代替常规p型硅太阳电池用铝浆印刷技术形成的铝背场, 背面电极也采用与正面电极相同的栅线结构, 使电池前后表面都能吸收光线[2], 实现双面发电. 同时, 组件背板采用2.5mm厚的透明玻璃使背面光线能进入电池片. 单晶n型双面光伏组件的正面转换效率为18.34%, 背面转换效率为15.59%, 组件综合转换效率达到19.90%. 该类组件的生产厂家主要有英利绿色能源控股有限公司, 苏州中来光伏新材股份有限公司等.
2)单晶PERC双面光伏组件. 图2为单晶PERC双面太阳电池结构. PERC电池即钝化发射及背局部接触电池, 采用Al2O3膜对电池背表面进行钝化以提高电池转换效率. 普通的PERC电池只能正面发电, PERC双面电池是将普通PERC电池不透光的背面铝换成局部铝栅线, 实现电池背面透光, 同时采用2.5mm厚透明玻璃背板, 制成PERC双面组件, 这样来自地面等的反射光就能够被组件吸收. 单晶PERC双面光伏组件的正面转换效率为18.31%, 背面转换效率为11.90%, 组件综合转换效率达到19.50%. 该类组件的生产厂家主要有乐叶光伏科技有限公司, 晶澳太阳能有限公司, 天合光能股份有限公司等.
3)异质结(HIT或HJT)双面光伏组件. 图3为异质结(HIT或HJT)太阳电池结构, 其中间衬底为n型晶体硅, 经过清洗制绒的n型c-Si正面依次沉积厚度为5~ 10nm的本征非晶硅薄膜(i-a-Si:H), p型非晶硅薄膜(p-a-Si:H), 从而形成p-n异质结. 在硅片背表面依次沉积厚度为5~ 10nm的i-a-Si:H薄膜, n型非晶硅薄膜(n-a-Si:H)形成背表面场. 在掺杂a-Si:H薄膜的两侧, 再沉积透明导电氧化物薄膜(TCO), 最后通过丝网印刷技术在两侧的层形成金属集电极[3]. 这样电池的结构对称, 正反面受光后都能发电, 同时组件背板采用2.5mm厚的透明玻璃, 就制成了双面光伏组件. 整个制备过程都是在200℃下的温度中进行, 以避免高温工艺对硅片造成损伤. 异质结双面光伏组件是3种双面光伏组件中工艺成本最高的, 量产成本在4.2元/W以上. 该类组件的生产厂家主要有新奥能源控股有限公司, 晋能清洁能源有限公司等.
1.2特点
1)背面可发电. 双面光伏组件背面能利用来自地面等的反射光发电, 地面反射率越高, 电池背面接收的光线越强, 发电效果越好. 常见的地面反射率有: 草地为15%~ 25%, 混凝土为25%~ 35%, 湿雪为55%~ 75%. 双面光伏组件在草地上应用能使发电量提高8%~ 10%, 而在雪地上最高可使发电量提高30%.
2)加快冬季组件覆雪融化. 常规光伏组件在冬天被雪覆盖后, 若积雪不能被及时清理, 组件在持续的低温环境中很容易结冰, 不但严重影响发电效率, 而且极有可能对组件造成不可预估的损害. 而双面光伏组件在正面被雪覆盖后, 因组件背面可接收来自雪地的反射光而发电发热, 加快了积雪的融化和滑落, 可提高发电量.
3)双玻组件. 双面光伏组件的背板一般采用透明玻璃, 可称为双玻组件. 双玻组件在1500V光伏系统中可以减少汇流箱, 电缆等的用量, 降低初期系统投资成本. 同时, 由于玻璃透水率几乎为零, 不需要考虑水汽进入组件诱发PID而导致的输出功率下降的问题;且该类组件对环境适应性更强, 适用于建设在较多酸雨或盐雾大的地区的光伏电站.
4)安装方向和场所灵活. 由于组件正面和背面都能受光发电, 在垂直放置条件下发电效益是一般组件的1.5倍以上, 而且受安装方向的影响很小, 适用于安装方式受限制的合, 如护栏, 隔音墙, BIPV系统等.
5)特殊的支架形式需求. 常规支架形式会遮挡双面光伏组件背面, 不仅减少背面光线, 而且会造成组件内电池片间串联失配, 影响发电效果. 双面光伏组件的支架应设计成 '镜框' 形式, 避免遮挡组件背面. 图4为双面光伏组件安装完成图.
2, 双面光伏组件的认证进展
目前, 国际上的光伏行业测试标准是针对传统的单面发电的产品编写的, 不适用于评估双面发电的光伏组件的性能, 也无法准确测试双面光伏组件的电性能参数. 这就影响了组件功率的标示, 使买卖双方对于功率的理解存在很大分歧;而这样的功率标示认知差异也会直接影响终端系统, 使设计和规划产生困难. 国内外检测证机构已就这一问题开展了研究工作, 并取得一定成果. 国际第三方检测认证机构TÜV正在与英利, 中来等国内组件企业就双面组件光伏测试流程, 功率标定方法, 测试报告和组件牌等方面开展研究合作, 预计在不久的将来就能推出双面光伏组件标准规范. 国内认证机构如北京鉴衡认证中心(CGC)已于2016年11月发布了《双面发电光伏组件电性能参数测试方法》, 该测试方法定义了双面光伏组件, 双面发电增益率, 并总结了双面光伏组件的测试方法. 同年12月, 英利的 '熊猫' n型双面光伏组件获得CGC颁发的行业首张双面发电产品认证证书.
3, 双面光伏组件的政策
国家能源局发布的《太阳能发展 '十三五' 规划》再次明确将实现光伏发电降本增效列为产业发展的首要目标. 到2020年, 光伏发电电价水平达到0.4~ 0.5元/kWh以下, 实现用电侧平价上网目标. 为了实现这个目标, 需要在设备和应用方案方面不断创新来降低度电成本. 根据国家能源局, 工业和信息化部, 国家认证委《关于提高主要光伏产品技术指标并加强监管工作的通知》, 先进光伏发电技术应用基地采用的多晶硅光伏组件和单晶硅光伏组件的光电转换效率 '领跑者' 技术指标分别提升至17%和7.8%. 而常规光伏组件无法满足这一技术指标, 必须选用双面光伏组件等高效光伏组件.
4, 双面光伏组件的应用前景
双面光伏组件背面能带来额外的发电量, 实现光伏电站的降本增效, 不仅符合 '领跑者' 技术指标, 也符合光伏发电平价上网的目标, 对加快实现光伏发电平价上网具有重要意义. 前单晶n型双面光伏组件和单晶PERC双面光伏组件国内产能均已超过GW, 价格逐渐逼近常规光伏组件, 检测认证方法正在完善, 应用方案也日渐成熟. 国内已经有大面积应用案例, 如大同熊猫电站采用30MW的单晶n型双面光伏组件, 根据PERC光伏组件每W发电量高出约10%. 可以预见, 双面光伏组件在未来将有广阔的应用前景. 实际累计发电数据显示, 其比单面的PERC光伏组件每W发电量高出约10%. 可以预见, 双面光伏组件在未来将有广阔的应用前景.
