大基地机遇下,众企为何激烈角逐n型TOPCon技术?

TOPCon选用的n型衬底有诸多优势

TOPCon选用的n型衬底有诸多优势

图片来源:晶科能源

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来源:隆基绿能

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来源:一道新能

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近日,国务院办公厅转发国家发展改革委、国家能源局关于促进新时代新能源高质量发展实施方案的通知。通知明确指出,要实现到2030年风电、太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上的目标,加快构建清洁低碳、安全高效的能源体系。加快推进以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点的大型风电光伏基地建设。

大型风电光伏基地建设为光伏产业带来巨大机遇的同时,也对光伏行业提出更高要求。以沙漠、戈壁、荒漠为主的大基地项目气候特点通常为光照时间长、气温高、地面反射率大、降水稀少、风沙大等。

一道新能CTO宋登元博士介绍,n型TOPCon组件具有更高效率与可靠性、更高的双面率、更优的温度系数、更好的弱光响应能力以及零光衰的特性,在大基地项目中具备更强的竞争力。

TOPCon电池结构堪称完美

据宋登元博士介绍,与PERC、HJT、IBC等电池结构都是实验室原创于上世纪80~90年代不同,TOPCon是2013年由德国Fraunhofer太阳能研究院首次提出的,是一种非常新的电池技术。

这种电池结构基于全面积接触钝化原理,通过选择能带结构匹配型功能材料,在Si界面直接形成对空穴较高势垒,以及对电子较小的势垒,形成最佳的载流子选择性传输,同时电极不直接与Si衬底接触,降低了金属/Si的接触损失,堪称是目前为止硅电池最完美的电池结构。计算标明,TOPCon电池效率极限28.7%,最接近晶体硅太阳能电池理论极限效率29.43%。

n型衬底具备先天优势

TOPCon选用的n型衬底有诸多优势。相较PERC电池所使用的p型,n型硅片在相同金属杂质浓度下比p型硅片有更高的光电转换效率。n型硅片对铜、铁等金属杂质有较高的容忍度,少子寿命比p型硅片少子寿命高,没有硼氧复合体带来的光衰。

与p型单晶硅制备过程掺硼不同,n单晶硅的制备过程掺磷,拉晶工程没有本质的区别,都是非常成熟的半导体工艺。随着n型单晶硅片生产规模的扩大和技术的进步,两者之间的生产成本将会越来越接近。

高效率兼具高可靠性

n型TOPCon电池效率高,一道新能量产效率达24.6%,实验室效率达25.5%,远高于p型PERC电池24.04%的最高效率。同尺寸的组件版型,n型组件比p型组件在单片组件上功率要高出15-20瓦,单位面积功率密度高出3.7%。

除了n型TOPCon具有高效率、高功率之外,n型TOPCon还具备很多优势。首先来说,n型产品双面率高。一道新能介绍,n型电池组件双面率高达80%以上,较常规p型高出15%。凭借高双面率优势,较市场常规产品,n型TOPCon组件发电量提高 0.8% 以上。大基地项目,一般地域辽阔,无遮挡,地面为反射率较高的沙土地,反射率通常可达30%,大基地项目中使用具备高双面率的n型组件发电增益更为明显。

n型TOPCon还具备高可靠性。隆基绿能介绍其TOPCon(HPC)工艺无需背面激光开槽,在相同载荷条件下,理论上较BiPERC电池的应力极值小7%,即TOPCon产品抗隐裂能力更强。大基地风沙较大,环境恶劣,具备高可靠性得n型TOPCon无疑是最佳选择。

零衰减甚至负衰减

宋登元博士介绍,相比p型电池,n型电池的LID和LeTID风险大大降低。

据介绍,1973年H.Fischer等发现p型掺硼电池在光照下会发生明显的电性能衰减。1997年J.Schmidt等证实硼掺杂电池出现光致衰减是由于光照或电流注入导致硅片中的硼和氧形成硼氧体复合中心,起到载流子陷阱的作用,从而使少子寿命降低,引起电池转换效率下降。掺磷的n型晶体硅中硼含量极低,本质上消除了硼氧复合体的影响,所以几乎没有光致衰减效应的存在。

LeTID现象最先由K. Ramspeck等人于2012年在P型多晶PERC电池上发现。LeTID是光伏材料普遍存在的一种现象:掺镓p型晶硅和n型晶硅都有关于这种现象的报道。

晶科能源介绍,其根本原因尚未明确,但目前学术界提供了两种可能的理论解释:(1)HID(氢诱导衰减),新南威尔士大学研究团队将LeTID的原因更多地归结于氢诱导。(2)钝化衰减,尚未有人揭露其清晰的物理机制,但改善这一问题的可能方向还是采用低氢含量的薄膜层、控制电池制作过程中的温度、开发与LID类似的LeTID恢复技术等。基于实验室条件,刚经生产完毕的n型电池及组件都有“零衰减”甚至是“负衰减”等特性,晶科的数据相关数据显示,针对n型TOPCon测试为-0.1%LID及-0.3%LeTID。

一道新能介绍,相较于传统PERC组件来说,n型TOPCon功率质保达到首衰1%,线性衰减0.4%的水平,保证30年后输出功率不低于原始输出功率的87.40% ,n型组件功率质保可达30年,无论从首年还是整个生命周期的发电量来看,都会有更加显著的优势。

更低的工作温度,弱光性优异

n型TOPCon电池具备温度系数低,更低的工作温度。得益于n型TOPCon电池的高开路电压,改善较高温度下的发电性能,发电能力提升明显。隆基绿能介绍,高转换率也使得n型组件工作温度有一定的降低。

一道新能介绍,组件的额定功率是在IEC标准测试条件下获得的:测量温度为25℃,光谱AM1.5,光强1000W/m2。但组件在实际户外工作时,组件电池温度会远远高于25℃。以更接近实际条件的标称工作条件为例,组件电池实际温度可高达45℃。n型组件的温度系数为-0.31%/℃,p型组件的温度系数为-0.35%/℃。标称条件下的组件电池温度与实际户外工作时的组件电池温度差值可达20℃。

经计算得出,n型组件的发电量损失为20℃*0.31%/℃=6.2%,p型组件的发电量损失为20℃*0.35%/℃=7%,由此可以得出,7%-6.2%=0.8%,在标称条件下,n型组件比P型组件发电量增益高约0.8%。大基地项目,日照时间长,温度高,导致组件功率损失大,n型组件温度系数低,极大的降低光伏系统在这些区域的发电功率损失,提升电站的发电能力和电站的整体收益率。

强光优异,弱光更优。n型组件弱光性优异。得益于n型电池的高并联电阻(>3000Ω),提高了早晚、阴雨等弱光条件下的发电性能。最后,由于n型基体材料高的少子寿命,n型晶硅组件在弱光下表现出比常规p型晶硅组件更优异的发电特性。一道新能介绍,相同尺寸的n型组件和p型组件,在1000W/㎡的光照条件下,标准182硅片72片版型组件,正面分别产生560W和540W功率。以200W/㎡的光照条件为例,已知n型组件和p型组件的低辐照性能分别为98.5%和97%。

经计算可得,n型组件正面功率为560*200/1000*98.5%=110.32W,p型组件正面功率为540*200/1000*97%=104.76W。根据公式计算(110.32-104.76)÷104.76×100%=5.3%,由此可以得出,n型组件在200W/㎡的弱光下,正面发电量增益比p型要高出约5.3%。同理,我们可以计算出背面发电量的增益。

更强发电能力

一道新能实证数据也显示,n型TOPCon发电性能更强。在2020年11月采用n型双面双玻组件的青海格尔木乌图美仁光伏项目,于2020年12月底并网,经过一年多时间的运行,一道新能n型高效组件的发电量优势很快凸显了出来。

据了解,一道新能选取了两个系统设计和安装环境完全相同的组件阵列做对比(上图所示),可以看出2021年一道n型双面双玻组件发电量比同等情况下的P型双面双玻组件分别高了6.8%和8.54%,发电性能优异,大幅提升了光伏电站的营收和系统收益率。n型TOPCon产品价值已经被光伏电站投资人认可。

迎面而来的“大基地”时代,要推进“碳中和”时代清洁能源不断向前发展,助力我国3060目标的实现,更高功率、更高可靠性、更具投资回报价值的光伏新产品成为了行业关注的焦点,光伏项目经济性转型也成为了高效时代的大势所趋。各家企业积极寻求技术上的创新与突破,光伏头部企业正激烈角逐具备高效率和优异性能且具备性价比的n型TOPCon技术路线。

随着n型TOPCon组件产能布局的扩大,n型产品价格进一步下探,未来n型将加速渗透,n型组件将在大基地项目中发挥更大优势。

(责任编辑:奚霞)

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