愛旭研發(fā)中心編者按：

單結(jié)晶硅太陽(yáng)電池技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)逼近其29.56%的理論效率。超越單結(jié)晶硅太陽(yáng)電池效率的下一代光伏技術(shù)將是基于雙結(jié)的硅基疊層太陽(yáng)電池。根據(jù)疊層電池的電極配置，可以分為兩端、三端和四端疊層。兩端疊層具備工藝簡(jiǎn)單優(yōu)點(diǎn)，四端疊層提供設(shè)計(jì)靈活性，三端疊層則憑借最高理論效率(45.3%)和融合兩者的優(yōu)勢(shì)脫穎而出。BC電池憑借其天然適配三端疊層的優(yōu)勢(shì)，成為鈣鈦礦-晶硅疊層底電池實(shí)現(xiàn)更高效率、更高發(fā)電量的最優(yōu)選擇；同時(shí)，基于BC底電池的三端疊層所具備的無(wú)電流失配、高工藝容忍度、戶外使用場(chǎng)景更廣泛等優(yōu)勢(shì)，使其具備更高發(fā)展及應(yīng)用潛力。

下面將從第一性原理與電路理論、制備流程與工藝窗口、疊層電池組件性能以及場(chǎng)景適應(yīng)性、度電成本等多角度進(jìn)行論述。

從第一性原理角度看，根據(jù)細(xì)致平衡原理，雙結(jié)疊層電池的效率只與頂?shù)纂姵氐膸队嘘P(guān)。因此基于鈣鈦礦頂電池和晶硅底電池的疊層電池都應(yīng)該只有一個(gè)極限效率，與晶硅電池的具體結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。具體到考慮晶硅底電池形式后的疊層結(jié)構(gòu)，也有學(xué)者進(jìn)行了理論計(jì)算[1]并給出了兩端、三端和四端電池的理論效率，如下表：

表一 單結(jié)和疊層電池在不同帶隙下的理論效率（根據(jù)細(xì)致平衡原理計(jì)算）

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，晶硅電池作為底電池的話，基于三端疊層結(jié)構(gòu)的雙結(jié)疊層電池具有最高的理論效率。

從最基本的電路理論上看，TOPCon、HJT與鈣鈦礦串聯(lián)的兩端疊層電池存在“最小電流限制”，疊層電池電流是兩個(gè)串聯(lián)電池中的最小電流。只有在兩個(gè)串聯(lián)電池的電流匹配或匹配附近時(shí)，整個(gè)器件才能以最大功率工作。在電流存在較大失配時(shí)（比如早上或傍晚時(shí)分，太陽(yáng)光色溫更低，光譜會(huì)發(fā)生紅移，見圖1a和1b），兩端疊層電池的發(fā)電功率顯著下降。而鈣鈦礦/BC三端疊層電池其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為巧妙，可通過(guò)多出的一端電極對(duì)失配電流進(jìn)行輸出，保證電池能相對(duì)更高功率地運(yùn)行，見圖1c。并且幸運(yùn)的是，三端疊層電池中要求的電壓匹配受太陽(yáng)光譜變化的影響要比電流小，因此三端疊層相比兩端疊層，從第一性原理上就決定了前者具有更廣泛的場(chǎng)景適應(yīng)性和生命力。

圖1 a. 不同時(shí)間段太陽(yáng)光色溫變化；b.不同色溫下的光譜（更低色溫下光譜發(fā)生紅移）；c. 不同時(shí)間段三端與兩端疊層組件功率輸出趨勢(shì)

退一步說(shuō)，BC底電池通過(guò)只接觸極性相反的電極，同樣可以構(gòu)建兩端串聯(lián)結(jié)構(gòu)。若頂電池采用具有pn反式結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池，則可以從正面p型接觸和背面n型接觸提取功率。在相反的情況下（np正式結(jié)構(gòu)），可以從正面n型接觸和背面p型接觸提取功率，即可實(shí)現(xiàn)從三端到兩端結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換。

盡管在電池層面上三端疊層電池有3個(gè)端子輸出，但關(guān)于如何使它們?cè)陔姵卮徒M件層面實(shí)現(xiàn)2個(gè)端子輸出，學(xué)術(shù)界已經(jīng)進(jìn)行了各種研究并給出了詳盡的解決方案[2-3]. 因此，帶有3端子輸出的三端疊層電池組件可以以2個(gè)端子輸出與光伏電站中的逆變器連接，大大降低了其在組件到電站端的組網(wǎng)難度。

從疊層電池制備流程上看，相對(duì)于頂?shù)纂姵叵嗷オ?dú)立的四端疊層電池，TOPCon、HJT與鈣鈦礦電池串聯(lián)的兩端疊層電池以及鈣鈦礦/BC三端疊層電池（如圖2）均可通過(guò)在晶硅底電池上直接進(jìn)行鈣鈦礦頂電池沉積的方式將頂?shù)纂姵叵噙B，無(wú)需額外的電路設(shè)計(jì)，大大降低了組件端制造成本。

圖2 兩端、三端、四端疊層電池結(jié)構(gòu)示意圖及等效電路模型[4]

從光學(xué)與鈍化角度出發(fā)，在大絨面上進(jìn)行鈣鈦礦的保形沉積生長(zhǎng)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的最大化利用。由于TOPCon只有一個(gè)極性采用鈍化接觸技術(shù)，且SiOx/poly-Si難以在大絨面上實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的雙極鈍化接觸，同時(shí)poly-Si存在長(zhǎng)波段寄生吸收問(wèn)題，導(dǎo)致采用TOPCon底電池的兩端疊層電池開路電壓和短路電流更低，雙面發(fā)電性能也因此受限打折扣；現(xiàn)階段兩端疊層電池的主流以及小面積/大面積疊層效率世界紀(jì)錄器件均采用全極鈍化接觸的HJT底電池。而BC作為平臺(tái)技術(shù)可以同樣利用HJT電池的這些優(yōu)勢(shì)。

再看BC電池與鈣鈦礦頂電池的適配性，鈣鈦礦/BC三端疊層電池?zé)o需考慮電流匹配，這也意味著對(duì)鈣鈦礦的帶隙與厚度容忍度高。兩端疊層電池的鈣鈦礦最佳帶隙在1.68 eV左右，且存在最優(yōu)厚度（見圖3、4）。當(dāng)兩端疊層電池的鈣鈦礦頂電池帶隙由于制備或者長(zhǎng)期運(yùn)行偏離最佳帶隙，會(huì)導(dǎo)致器件性能急劇下降，并加速鈣鈦礦穩(wěn)定性惡化。

在相同帶隙與鈣鈦礦膜層厚度下，鈣鈦礦/BC三端疊層電池展現(xiàn)出45.3%的最高光電轉(zhuǎn)化效率[1]（見圖3，三種電池的模擬結(jié)果均基于細(xì)致平衡原理進(jìn)行模擬，而非采用低效電池性能數(shù)據(jù)作為模擬輸入值得出32%的誤導(dǎo)結(jié)果）。這意味著其在制作工藝流程中的工藝窗口更大，更利于鈣鈦礦大面積制備和結(jié)晶以及疊層技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。此外，歐洲學(xué)者的研究成果[5]表明，3T結(jié)構(gòu)具有更高的抗局部陰影特性、更低的反向偏壓敏感度、更高的電池片間差異容忍度。

圖3 鈣鈦礦帶隙對(duì)兩端、三端、四端疊層電池光電轉(zhuǎn)換效率的影響[1]

圖4 鈣鈦礦厚度對(duì)兩端、三端、四端疊層電池發(fā)電性能影響[4]

考察疊層組件的發(fā)電性能，鈣鈦礦/BC三端疊層組件具有最高的年發(fā)電量[6]（見圖5，模擬結(jié)果基于相同底電池IV參數(shù)）。這源于鈣鈦礦/BC三端疊層電池可以在更廣泛的氣候、場(chǎng)景、季節(jié)（1sun或非1sun條件）下都能實(shí)現(xiàn)更大功率運(yùn)作。從圖5也可以看出，在單雙面發(fā)電場(chǎng)景下，2T疊層相比3T疊層展現(xiàn)出對(duì)鈣鈦礦帶隙更大的依賴性，導(dǎo)致2T疊層工藝窗口更小或器件設(shè)計(jì)復(fù)雜度更大，產(chǎn)品使用場(chǎng)景更受限制。根據(jù)模擬[7]，基于相同底電池性能的BC三端疊層組件每年可以比TOPCon兩端疊層組件多產(chǎn)生1.2-6.2%的額外電量（和地理位置和應(yīng)用相關(guān)，見圖6），從而降低了發(fā)電成本。同時(shí)可以明顯看到，相對(duì)于兩端疊層組件，鈣鈦礦/BC三端疊層組件在雙面發(fā)電場(chǎng)景下也更有優(yōu)勢(shì)。

圖5 基于TOPCon與BC底電池（相同IV性能）的疊層組件發(fā)電性能與鈣鈦礦帶隙關(guān)系模擬結(jié)果[6]

圖6 基于TOPCon與BC底電池（相同IV性能）的疊層組件年發(fā)電性能比較（德國(guó)弗萊堡與中國(guó)珠海）[7]

最后再來(lái)看兩端和三端疊層技術(shù)的平準(zhǔn)化度電成本[7]（LCOE）。與當(dāng)下主流的23%單結(jié)TOPCon組件的LCOE相比（見圖7），基于采用相同TOPCon底電池的兩端疊層組件將使LCOE降低15.3%-17.1%。然而，由于三端疊層的能量產(chǎn)出增益，相比BC單結(jié)組件，BC三端疊層組件LCOE可以降低16.3-18.6%。無(wú)論三端疊層組件是用于單面還是雙面場(chǎng)景，基于BC底電池的三端疊層組件的LCOE都將低于基于TOPCon底電池的兩端疊層組件的LCOE。

圖7 基于TOPCon和BC底電池的兩端和三端疊層組件的LCOE對(duì)比[7]

秉持“第一性原理”的研發(fā)理念，筆者堅(jiān)信“基于BC底電池的三端疊層技術(shù)”是難而正確的事情。未來(lái)，隨著BC電池量產(chǎn)技術(shù)越來(lái)越成熟，成本逐漸逼近TOPCon水平，三端鈣鈦礦-晶硅疊層技術(shù)的研發(fā)隊(duì)伍將不斷壯大，更多成果將如雨后春筍般破土而出，不斷推動(dòng)這對(duì)“黃金組合”實(shí)現(xiàn)"度電成本下降+應(yīng)用場(chǎng)景拓展"的雙螺旋進(jìn)化歷程?。

【參考文獻(xiàn)】

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[2] McMahon W E, Schulte-Huxel H, Buencuerpo J, et al. Homogenous voltage-matched strings using three-terminal tandem solar cells: fundamentals and end losses[J]. IEEE Journal of Photovoltaics, 2021, 11(4): 1078-1086.

[3] Schulte‐Huxel H, Witteck R, Blankemeyer S, et al. Optimal interconnection of three‐terminal tandem solar cells[J]. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2023, 31(12): 1350-1359.

[4] Gota F , Langenhorst M , Schmager R ,et al.Energy Yield Advantages of Three-Terminal Perovskite-Silicon Tandem Photovoltaics[J].Joule, 2020, 4(11):2387-2403.DOI:10.1016/j.joule.2020.08.021.

[5] Miha Kikelj, Laurie-Lou Senaud, Jonas Geissbu¨hler, Christophe Ballif, Quentin Jeangros, Bertrand Paviet-Salomon. Do all good things really come in threes? The true potential of 3-terminal perovskite-silicon tandem solar cell strings. Joule. 2024, 8, 852–871.

[6] P. Tillmann, "Design criteria of bifacial tandel solar cells" 12th bifiPV Workshop, Zhuhai, 2024.

[7] D.Bogachuk, "Techno-economic Assessment and LCOE Benefits of the 3-terminal Perovskite/Silicon (ABC) Tandem Solar Modules" 12th bifiPV Workshop, Zhuhai, 2024.