介紹了光伏市場上3種主要的雙面光伏組件: 單晶n型雙面光伏組件, 單晶PERC雙面光伏組件, 異質結(HIT或HJT)雙面光伏組件, 分析了雙面光伏組件的應用特點, 並結合當前光伏行業的政策和發展方向分析了雙面光伏組件的應用前景.
1, 雙面光伏組件結構及特點
1.1結構
常規光伏組件只能正面接收太陽光線來發電, 而雙面光伏組件由於特殊的電池結構和透明的背板材料, 使其除了正面發電外, 背面也可有效利用接收到的光線來發電, 這些光線包含地面的反射光, 大氣中的散射光, 空氣中粉塵的反射光, 周圍建築物的反射光等. 通常雙面光伏組件的雙面發電特性使其可比常規光伏組件發出更多的電能.
20世紀70年代, 基於p+pn+或p+nn+結構的雙面受光晶體矽太陽電池的結構被正式提出.
1994年Moehlecke等在第一屆世界光伏會議上介紹了基於p+nn+結構的雙面太陽電池, 該電池的正面轉換效率達到了19.1%, 背面轉換效率為18.1%. 世界各國研究人員陸續在鈍化, 絲網印刷, 摻雜擴散等技術方面取得進展, 實現了雙面光伏組件的工業化生產.
目前市場上的雙面光伏組件主要有單晶n型雙面光伏組件, 單晶PERC雙面光伏組件, 異質結(HIT或HJT)雙面光伏組件3類.
1)單晶n型雙面光伏組件. 圖1為基於磷摻雜的n型矽製備成p+nn+結構的雙面太陽電池, 其採用硼擴散摻雜製備發射極, 磷擴散摻雜製備n+背場. 由於n+磷背場代替常規p型矽太陽電池用鋁漿印刷技術形成的鋁背場, 背面電極也採用與正面電極相同的柵線結構, 使電池前後表面都能吸收光線[2], 實現雙面發電. 同時, 組件背板採用2.5mm厚的透明玻璃使背面光線能進入電池片. 單晶n型雙面光伏組件的正面轉換效率為18.34%, 背面轉換效率為15.59%, 組件綜合轉換效率達到19.90%. 該類組件的生產廠家主要有英利綠色能源控股有限公司, 蘇州中來光伏新材股份有限公司等.
2)單晶PERC雙面光伏組件. 圖2為單晶PERC雙面太陽電池結構. PERC電池即鈍化發射及背局部接觸電池, 採用Al2O3膜對電池背表面進行鈍化以提高電池轉換效率. 普通的PERC電池只能正面發電, PERC雙面電池是將普通PERC電池不透光的背面鋁換成局部鋁柵線, 實現電池背面透光, 同時採用2.5mm厚透明玻璃背板, 製成PERC雙面組件, 這樣來自地面等的反射光就能夠被組件吸收. 單晶PERC雙面光伏組件的正面轉換效率為18.31%, 背面轉換效率為11.90%, 組件綜合轉換效率達到19.50%. 該類組件的生產廠家主要有樂葉光伏科技有限公司, 晶澳太陽能有限公司, 天合光能股份有限公司等.
3)異質結(HIT或HJT)雙面光伏組件. 圖3為異質結(HIT或HJT)太陽電池結構, 其中間襯底為n型晶體矽, 經過清洗制絨的n型c-Si正面依次沉積厚度為5~ 10nm的本徵非晶矽薄膜(i-a-Si:H), p型非晶矽薄膜(p-a-Si:H), 從而形成p-n異質結. 在矽片背表面依次沉積厚度為5~ 10nm的i-a-Si:H薄膜, n型非晶矽薄膜(n-a-Si:H)形成背表面場. 在摻雜a-Si:H薄膜的兩側, 再沉積透明導電氧化物薄膜(TCO), 最後通過絲網印刷技術在兩側的層形成金屬集電極[3]. 這樣電池的結構對稱, 正反面受光後都能發電, 同時組件背板採用2.5mm厚的透明玻璃, 就製成了雙面光伏組件. 整個製備過程都是在200℃下的溫度中進行, 以避免高溫工藝對矽片造成損傷. 異質結雙面光伏組件是3種雙面光伏組件中工藝成本最高的, 量產成本在4.2元/W以上. 該類組件的生產廠家主要有新奧能源控股有限公司, 晉能清潔能源有限公司等.
1.2特點
1)背面可發電. 雙面光伏組件背面能利用來自地面等的反射光發電, 地面反射率越高, 電池背面接收的光線越強, 發電效果越好. 常見的地面反射率有: 草地為15%~ 25%, 混凝土為25%~ 35%, 濕雪為55%~ 75%. 雙面光伏組件在草地上應用能使發電量提高8%~ 10%, 而在雪地上最高可使發電量提高30%.
2)加快冬季組件覆雪融化. 常規光伏組件在冬天被雪覆蓋後, 若積雪不能被及時清理, 組件在持續的低溫環境中很容易結冰, 不但嚴重影響發電效率, 而且極有可能對組件造成不可預估的損害. 而雙面光伏組件在正面被雪覆蓋後, 因組件背面可接收來自雪地的反射光而發電發熱, 加快了積雪的融化和滑落, 可提高發電量.
3)雙玻組件. 雙面光伏組件的背板一般採用透明玻璃, 可稱為雙玻組件. 雙玻組件在1500V光伏系統中可以減少匯流箱, 電纜等的用量, 降低初期系統投資成本. 同時, 由於玻璃透水率幾乎為零, 不需要考慮水汽進入組件誘發PID而導致的輸出功率下降的問題;且該類組件對環境適應性更強, 適用於建設在較多酸雨或鹽霧大的地區的光伏電站.
4)安裝方向和場所靈活. 由於組件正面和背面都能受光發電, 在垂直放置條件下發電效益是一般組件的1.5倍以上, 而且受安裝方向的影響很小, 適用於安裝方式受限制的合, 如護欄, 隔音牆, BIPV系統等.
5)特殊的支架形式需求. 常規支架形式會遮擋雙面光伏組件背面, 不僅減少背面光線, 而且會造成組件內電池片間串聯失配, 影響發電效果. 雙面光伏組件的支架應設計成 '鏡框' 形式, 避免遮擋組件背面. 圖4為雙面光伏組件安裝完成圖.
2, 雙面光伏組件的認證進展
目前, 國際上的光伏行業測試標準是針對傳統的單面發電的產品編寫的, 不適用於評估雙面發電的光伏組件的性能, 也無法準確測試雙面光伏組件的電性能參數. 這就影響了組件功率的標示, 使買賣雙方對於功率的理解存在很大分歧;而這樣的功率標示認知差異也會直接影響終端系統, 使設計和規劃產生困難. 國內外檢測證機構已就這一問題開展了研究工作, 並取得一定成果. 國際第三方檢測認證機構TÜV正在與英利, 中來等國內組件企業就雙面組件光伏測試流程, 功率標定方法, 測試報告和組件牌等方面開展研究合作, 預計在不久的將來就能推出雙面光伏組件標準規範. 國內認證機構如北京鑒衡認證中心(CGC)已於2016年11月發布了《雙面發電光伏組件電性能參數測試方法》, 該測試方法定義了雙面光伏組件, 雙面發電增益率, 並總結了雙面光伏組件的測試方法. 同年12月, 英利的 '熊貓' n型雙面光伏組件獲得CGC頒發的行業首張雙面發電產品認證證書.
3, 雙面光伏組件的政策
國家能源局發布的《太陽能發展 '十三五' 規劃》再次明確將實現光伏發電降本增效列為產業發展的首要目標. 到2020年, 光伏發電電價水平達到0.4~ 0.5元/kWh以下, 實現用電側平價上網目標. 為了實現這個目標, 需要在設備和應用方案方面不斷創新來降低度電成本. 根據國家能源局, 工業和資訊化部, 國家認證委《關於提高主要光伏產品技術指標並加強監管工作的通知》, 先進光伏發電技術應用基地採用的多晶矽光伏組件和單晶矽光伏組件的光電轉換效率 '領跑者' 技術指標分別提升至17%和7.8%. 而常規光伏組件無法滿足這一技術指標, 必須選用雙面光伏組件等高效光伏組件.
4, 雙面光伏組件的應用前景
雙面光伏組件背面能帶來額外的發電量, 實現光伏電站的降本增效, 不僅符合 '領跑者' 技術指標, 也符合光伏發電平價上網的目標, 對加快實現光伏發電平價上網具有重要意義. 前單晶n型雙面光伏組件和單晶PERC雙面光伏組件國內產能均已超過GW, 價格逐漸逼近常規光伏組件, 檢測認證方法正在完善, 應用方案也日漸成熟. 國內已經有大面積應用案例, 如大同熊貓電站採用30MW的單晶n型雙面光伏組件, 根據PERC光伏組件每W發電量高出約10%. 可以預見, 雙面光伏組件在未來將有廣闊的應用前景. 實際累計發電數據顯示, 其比單面的PERC光伏組件每W發電量高出約10%. 可以預見, 雙面光伏組件在未來將有廣闊的應用前景.
