钜大LARGE | 点击量：6109次 | 2021年04月21日
详解双面太阳电池的结构 工作原理以及发展趋势
双面太阳电池因具有更高的等效转换效率可降低25%以上的系统成本和更广泛的应用等优点引起了人们的广泛关注介绍了双面太阳电池的工作原理，重点总结了钝化发射极及背表面完全扩散(PEＲT)双面太阳电池钝化发射极及背表面接触(PEＲC)双面太阳电池异质结型双面太阳电池等硅基双面太阳电池的结构及发展现状，介绍了铜铟镓硒(CIGS)双面太阳电池CdTe薄膜双面太阳电池及钙钛矿双面太阳电池等的新型结构及研究进展详细分析了双面太阳电池的发展优势与现阶段出现的重要问题最后说明了双面太阳电池今后的努力方向，为更好地提高双面太阳电池的效率，背部结构的设计以及制备工艺的优化和创新是未来双面电池发展的趋势。
0引言
从E．Becquerel发现光生伏特效应［1］，到光电转换效率为6%的第一块实验室单晶太阳电池的诞生［2］，至目前投入生产的转换效率为20.2%的多晶硅电池21.6%的单晶硅电池［3］和年装机达76GW的光伏产业，太阳电池已成为绿色发展的重要器件但常规单结太阳电池已逼近肖克利奎伊瑟(S-Q)效率极限［4］，占市场份额最大的晶硅电池效率难于突破［5］，进一步提升太阳电池的性价比愈加艰难。
双面电池从正面和背面同时收集太阳光［6］，不多占用额外的土地资源。在尽量保持成本的同时，双面电池的发电量较单面电池能提高20%［7］。由于正面和背面入射光的强度不同，两面的输出功率也不同［8］。其背面收集的太阳光一般是正面收集效率的10%～30%。理论上，双面电池比传统电池具有更高的功率与质量比、更小的安装方向限制［9］、更少的铝材料投入［10］及更高的输出功率［11］。双面太阳电池可使用在建筑物上，如屋顶，停车场等［12］。
近年来一流制造厂商竞相推出双面太阳电池［13］。中来光电科技有限公司在国内率先投产2.1GWn型单晶硅双面电池项目［14］。英利绿色能源控股有限公司研制了熊猫n型双面发电光伏组件。欧洲最大的双面发电光伏项目全部采用该熊猫双面发电组件(60片)，实际发电功率超过380W，等效组件效率达到24.5%，可降低25%以上的系统成本［15－16］。2016年，美国Sunpreme太阳能公司在美国东部建成装置规模达12.8MW的双面太阳能电站，采用自家生产的GxB370W双面组件，转换效率为21.5%，每年预估可发电8GWh［17］。根据国际光伏技术路线图(internatio-naltechnologyroadmapforphotovoltaic，ITＲPV)预测，到2019年，双面电池技术的市场份额能达到15%［18］。2015年，苏州市西环高架双面光伏发电声屏障实验项目属国内的首个双面发电项目尝试，长度约为100km，月发电量稳定在8000GWh左右［19］。
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充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
由此可见，双面电池市场关注度高，潜力巨大。
1双面太阳电池的结构及工作原理
1.1双面太阳电池的工作原理
双面太阳电池是指正反两面都能吸收太阳光并转换成电能的太阳电池，但这类电池在材料结构和工作原理等方面与传统单面电池有很大差别，工作原理如图1所示。双面太阳电池结构从上到下依次是:上电极、钝化/减反射膜、吸收层、钝化/减反射膜及背电极。硅基双面太阳电池采用高透过率的钝化/减反射膜、金属栅线替换单面电池中的完全覆盖的不透光的金属背电极，并通过电池的n+-p-p+结构中的高低结或n+-p-n+结构中新增的pn结来增强反面入射光的光生电子空穴的分离，从而对电池的光电流和效率出现贡献。而CuInxGa1－xSe2(CIGS)太阳电池、染料敏化太阳电池、CdTe太阳电池等双面太阳电池则是利用背电极采用透明材料的特点实现双面受光，从而新增了总电能的输出。
1.2硅基双面太阳电池的结构及发展趋势
目前硅基双面太阳电池重要包括n型钝化发射极及背表面完全扩散(passivatedemitterandrearto-tallydiffused，PERT)双面太阳电池、钝化发射极及背表面接触(passivatedemitterandrearcontact，PERC)双面太阳电池和双面异质结型太阳电池。
n型PERT双面太阳电池。由于其背表面完全扩散和良好的双面钝化技术获得了更好的性能，从而在ITＲPV2015上得到关注。典型的n型PERT双面太阳电池结构如图2所示，采用硼扩散形成发射极，磷扩散形成n+背场，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术在正面和背面沉积减反射膜氮化硅，丝网印刷电池的背面和正面形成电极。背面电极也采用与正面电极相同的栅线结构［20］。目前n型PEＲT双面太阳电池的实验室正面转化效率为20.63%，背面转化效率为18.1%［20］。B.Yu等人［21］通过户外实地测量得出，n型双面太阳电池的半年和年输出能量均比传统太阳电池要高，尤其是在多云或低光照条件下优势更为明显，效率提升较多。M．K．Stodolny等人［22］使用低成本的工艺加工步骤，同时加工6块晶片得到总体最优效率为20.7%的双面n型太阳电池。值得一提的是该团队通过对钝化膜的深入研究将复合电流密度降至2fA/cm2(平面上)，并且得出开路电压被硼发射极的暗饱和电流所限制的结论，因此认为通过对发射极的改进制造出总体效率大于22%的双面太阳电池是可行的。Y．L．Chen等人［23］通过优化钝化技术使用液相沉积(LPD)技术沉积SiO2钝化膜，得到了总体效率为19.06%的大面积(156mm×156mm)双面n型太阳电池。此外，研究表明，在退火工艺上，分步退火较一次性退火关于效率的提升有更大的潜力［24］。采用均匀扩散、电介质钝化、丝网印刷工艺制备双面n型太阳电池技术被认为是一条可以实现高效、低成本的太阳电池工艺路线［25］。目前已经有英利绿色能源控股有限公司等大公司将双面n型太阳电池投入使用［16］。
PEＲC双面太阳电池。传统PEＲC太阳电池目前已经进入大规模生产阶段［26］，而PEＲC双面太阳电池则是PEＲC电池发展的方向［27］。ITＲPV预测，到2019年PEＲC电池可以占据大概30%的市场份额［18］。PEＲC电池较传统铝背场电池有着更好的长波响应、更高的背反射率和更低的背表面复合速率［28］。传统工业步骤制造的PEＲC电池通常是采用PECVD钝化介质膜并在背部开槽后，通过丝网印刷的方式烧结形成铝硅合金局部接触［29］，但是这种结构并不适用于PEＲC双面太阳电池(PEＲC+)。PEＲC双面太阳电池结构如图3所示，其在背面使用与激光接触开口(LCO)线接触对齐的丝网印刷铝细栅代替全区域丝网印刷铝［30］。这不仅大大降低了对铝的使用量，改善了铝背场的形变，而且新增了背场深度从而得到了更大的开路电压［31］。在实验室中，双面PEＲC太阳电池的总体效率达到了20.9%［31］。N.Wohrle等人［27］通过计算机模拟发现，当PEＲC双面太阳电池的前面细栅线数为110根、后面细栅线数为130根时，电池显示出接近于理想状态的输出功率和很好的少数载流子寿命。
双面非晶/晶体硅异质结型太阳电池。目前异质结结构成为高效率、低成本太阳电池的代表，重要是因为异质结具有良好的温度系数［32］和开路电压(大于715mV)以及低温制造过程［33］。三洋电机有限公司在晶体硅上淀积多晶硅或微晶硅所制造出的异质结电池，其效率达到24.7%［34］，而该公司背接触式非晶/晶体硅异质结太阳电池的效率达26.33%［35］。带有本征薄层的异质结(heterojunc-tionwithintrinsicthinfilm，HIT)双面太阳电池是提升异质结电池效率的方法之一，其结构如图4所示，在电池的两端沉积透明导电氧化物薄膜(TCO)，其目的是更好地收集横向电流，但TCO因其功函数和非晶硅之间存在较大差距而导致在界面处形成了肖特基势垒［36］。HIT双面太阳电池还新增了背场，背场形成的高低结对n区少子空穴有明显的阻挡和反射用途，并且降低了背表面的复合，这也提高了pn结对光生载流子的收集效率，改善了电池的长波效应［37］。据估算HIT双面太阳电池比其单面电池一年多输出10.9%的能量［38］。此外，隧道结双面太阳电池也可以提升异质结太阳电池的效率。隧道结双面太阳电池在衬底和薄膜发射层之间新增了一层超薄隧道氧化层，结构如图5所示。隧道氧化层可以通过少数载流子吸收来提高短路电流，通过少数载流子复合来提高填充因子。隧道氧化层还是较好的掺杂剂扩散势垒，可以提高硅界面质量。目前实验室制造的隧道结双面太阳电池的转换效率为23.1%［39］。
1.3CIGS薄膜双面太阳电池
CIGS电池由于其具有直接带隙的高吸收效率，相比于传统硅基电池具有更高的稳定性和转换效率以及更低的成本等特点，因而备受关注［40］。当电池背面使用半透明材料并形成背面欧姆接触吸收层时就可以制成双面太阳电池［41］。利用氧化锌形成欧姆接触通过在额外的氟化钠和氧化锌之间加入一层薄的钼夹层来实现［42］。而使用SnO2和ITO的CIGS双面太阳电池在沉积温度低于500℃时的转换效率与传统CIGS电池效率相近，但是当温度高于500℃时，双面太阳电池的性能则不如传统太阳电池［41］，其结构如图6所示。
1.4CdTe薄膜双面太阳电池
最近研究报道的CdTe薄膜太阳电池的转换效率为22.1%，而大面积模块的转换效率为18.6%［43］。因CdTe薄膜太阳电池具有效率高、可以快速沉积CdTe低成本等诸多优点，在电池的两面都配置薄膜的想法早在20世纪80年代就提出了［44］。CdTe双面太阳电池所面对的重要问题是透明背板的发展以及因CdTe具有高的电子亲和能和能量带隙而造成CdTe双面电池电接触的不稳定性［45］。G．Khrypunov等人［45］设计在电池背面使用ITO接触并淀积封闭式铜电极的新型电池，使最后的电池效率相比于传统电池新增了3.5%。Ｒ．Ｒ．Khanal等人［43］使用了薄的、透明的单壁碳纳米管(SWCNT)背接触，而不是使用金属铜，得到了6.5%的背部最佳效率。由于Cd有毒，在实验过程中要十分注意，而且废水和废物的排放也会对环境造成一定的影响［46］。
1.5染料敏化双面太阳电池
典型的染料敏化太阳电池由二氧化钛光电阳极电解质(I－/I－3氧化还原对)和一个不透明的反电极(如Pt等)组成。光只从光电阳极射入［47］。为了进一步降低成本实现染料敏化双面太阳电池，其先决条件是开发透明至少是半透明的对电极达到双面受光的目的，其结构如图7所示。而聚合物凝胶电解质因其具有很高的光学透明度而有利于双面染料敏化电池的稳定［48］。介质的散射和大小是控制染料敏化双面太阳电池性能的关键因素J.M.Miranda-munoz等人［49］通过对TiO2的研究，确定TiO2包括敏化薄膜本身粒子数密度等参数，研制出Pt电极染料敏化双面太阳电池的前后转换效率分别为6.7%和5.4%。相当于在Pt催化电极厚度为8μm的标准下达到正面转换效率为25%和背面转换效率为33%的照明效率。
1.6钙钛矿双面太阳电池
关于钙钛矿双面太阳电池的实验研究，在2015年，Ｒ.Asadoour等人［50］发表了一篇有关钙钛矿双面太阳电池的理论研究工作。2016年，Y．M．Xiao等人［51］设计出一种新型的钙钛矿双面太阳电池结构，在传统钙钛矿电池的基础上使用聚(3，4－乙烯二氧噻吩)－聚苯乙烯磺酸(PEDOT)作为透明导电极，其用途重要是作为空穴传输层和电子阻挡层，其结构如图8所示［51］。图中结构从下到上依次是:FTO(前)、二氧化钛致密层(bl-TiO2)、介孔二氧化钛层(mp-TiO2)、钙钛矿(CH3NH3PbI3)、PEDOTFTO(背)。此钙钛矿双面太阳电池的前面转换效率为12.33%，背面转换效率为11.78%，值得注意的是背面转换效率相比于前面仅仅下降了4.46%，该团队认为PEDOT材料作为钙钛矿双面太阳电池空穴传输层有巨大潜力。
2双面太阳电池的重要优势
1960年，第一块双面太阳电池由日本人H.Mori发明，目的是为了弥补少数载流子的寿命，从而提高太阳电池的转换效率［52］。自1970年开始，双面太阳电池就在空间上使用。而双面太阳电池真正应用在地面上是在20世纪80年代［53］。双面电池的重要优势有以下3点。
2.1高发电量，低光损失
关于传统单结太阳电池，即使使用理想化的材料，其通过热力学计算的极限转换效率也只在33%左右［54］。这是由于在带隙下未被吸收的光子与高于带隙的光子能量存在热损失［55］。如今对传统太阳电池的研究来看，太阳电池的转换效率也越来越接近这一极限值。而双面太阳电池在具有正面转换效率的同时，结合不同的发光条件还可实现20%的发电增益［56］。Q.Z.Wei等人［57］在不同外界环境下对n型PEＲT双面太阳电池进行实测，并与单面太阳电池效率进行了比较，输出功率在草地上新增了7.6%，在沙地上新增了12%，在雪地中新增了29.2%。
此外，传统太阳电池为了防止在空间分布上的阴影必须分开放置，因此约50%的光子因太阳电池间的间隙而浪费。同时因为这种空间损失导致约83%的太阳光永远不会被转化成电能［58］。双面太阳电池的放置可以减少电池间的间隙损失。由于双面太阳电池正反面都吸光，减少了30%的放置空间太阳光损失［59］，可以使更多的太阳能转换为电能。
2.2用途更广泛，提升效率方法多
双面太阳电池的用途更广泛。由于它的摆放位置限制更小，更适用于面积较小的屋顶或阳台A．Moehlecke等人［60］提出将双面太阳电池与集成的反射镜安装在建筑表面，结果显示与同样表面积的单面太阳电池相比，年发电量新增了35%Ｒ．Hezel［61］提出了一个可以用于建筑物阴影面的双面太阳电池。其带着一个半面反射的反射板材料，与窗户成45放置。测试结果显示这种双面太阳电池的发电量新增了37%。
为了提高双面太阳电池的效率，除了研究太阳电池本身的材料结构，还可以对其位置的摆放、放置的倾角、与反射器的最佳距离和添加集中器等进行优化，从而提高电池的转换效率。J.G.Kang等人［62］实验得出，反射率和透明空间比会对双面太阳电池的性能出现较大影响，而太阳电池之间的距离和墙对其的影响较小。为了得到更高的效率，反射率超过50%和透明空间比超过30%(黑色或深色墙面要40%的透明空间比)是必须满足的条件。通过修改反射率和透明空间比，他们使双面太阳电池的效率提高了20%。
2.3质量可靠性高
在封装方面，太阳电池组件中的乙烯－醋酸乙烯共聚物(EVA)胶膜和背板的质量引起了高度的关注，水汽透过背板加速EVA材料降解，降解的副产物(臭氧氮氧化物等)进而腐蚀电池内部的器件并且导致电池性能下降［63］。而双面太阳电池使用玻璃替代Tedlar-PET-EVA(TPE)，很好地规避了这一问题。此外，玻璃不透水，耐腐蚀性强，耐磨性也好，能很好地适应户外多变的安装环境［57］。由于玻璃是刚性材料，双面玻璃层压封装过程中由于两层刚性玻璃的挤压，很容易出现气泡和移位等现象，但这些问题都可以通过对技术的优化和材料的选择而得到解决［6］。
3双面太阳电池目前面对的重要问题
目前规模生产及商用的双面太阳电池重要为硅基太阳电池。该双面太阳电池在背面加上发电功能后，可能会影响其背面发射极的钝化功能，会使正面发电效率下降，进而导致太阳电池整体效率不会有明显提升。因此，如何在保证背部可以发电的同时还能维持正面发电效率，将是双面太阳电池面对的挑战。
目前双面太阳电池重要关键技术有:PECVD法、丝网印刷铝发射极、丝网印刷硼和磷贴［64］、旋转发射器、硼和磷气体扩散、离子注入［65］、激光掺杂［66］和金属化［39］等。其中双面p型太阳电池的制备工艺相对简单。但双面p型太阳电池经过长时间光照后会形成硼氧对，造成载流子陷阱使少数载流子的寿命降低，导致太阳电池效率下降(3%～4%)［67］。而且在地面上，p型太阳电池应对太空辐射的优点难以体现，因此p型双面太阳电池的提升空间十分有限。n型硅与p型硅相比，具有无光致衰减［68］、对重金属杂质容忍度好、容易得到高质量的表面钝化69］、能够吸收更长波长的光等优点，逐渐受到了研究者的关注。并且n型电池技术可以在很大程度上兼容当前p型晶硅电池的生产线技术和设备，关于生产线不用做很大的改动，既降低了成本又能提高效率［25］。根据2015年ITＲ-PV的预测，在大规模太阳电池生产的材料和技术中，n型硅材料所占比重超过24%，而到2024年，n型硅材料的比重将达到40%左右［57］。
此外，国际上尚未出台有关双面太阳电池输出功率的测试标准，仅有适于单面太阳电池组件的IEC60904测试标准［70］。这不仅阻碍了双面太阳电池的商业化路线，而且直接影响到终端电站的系统设计。近期，中来科技有限公司光电等相关公司初步确认了双面太阳电池组件I-V测试方法(测试条件、测试方法和流程、组件铭牌标称要求等)［71］。
