近年隨著光伏電池新技術、新工藝和新結構的開發和利用，光伏電池行業得到了迅猛發展，n型電池作為支撐新能源發展和智能電網的關鍵技術，已成為全球產業發展的熱點。
因n型隧穿氧化層鈍化接觸光伏電池(以下簡稱“n型TOPCon電池”)比常規光伏電池具有顯著效率提升的性能優勢，隨著增加成本可控、設備改造成熟，n型TOPCon電池的國內產能進一步擴大，成為高效光伏電池主要發展方向。
n型TOPCon電池的標準化面臨現行標準無法覆蓋、標準適用性有待改善等問題，本文將圍繞n型TOPCon電池的標準化展開研究與分析，并給出標準化建議。
常規光伏電池所用的p型硅基底材料構造是n+pp+，受光面是n+面，利用磷擴散形成發射極。
對于n型硅基底材料的同質結光伏電池結構主要有兩種，一種是n+np+，另一種是p+nn+。
相比p型硅，n型硅具有更好的少子壽命、更低的衰減，效率潛能更大。
由n型硅制成的n型雙面電池因其效率高、弱光響應好、溫度系數低、雙面發電多等優勢。
隨著產業對光伏電池光電轉換效率的要求不斷提高，TOPCon、HJT、IBC等n型高效光伏電池逐步占據著未來的市場。
根據2021年國際光伏路線圖(ITRPV)全球光伏行業技術及市場預測，n型電池代表了國內外光伏電池未來的技術及市場發展方向。
在3類n型電池的技術路線中，n型TOPCon電池憑借其對現有設備的利用率高、轉換效率高等優勢，成為產業化規模最大的技術路線。
目前行業內的n型TOPCon電池普遍基于LPCVD(低壓氣相化學沉積)技術進行制備，其工序繁多，效率、良率都受到制約，且設備依賴進口，產品在成本、關鍵技術突破、轉換效率等方面有待提升，n型TOPCon電池規模化生產所面臨制造成本偏高、工藝復雜、良率偏低、轉換效率不夠高的技術難題。
行業對n型TOPCon電池的技術提升有著諸多嘗試，其中，在隧穿氧化層和摻雜多晶硅(n+-polySi)層的單工序沉積中應用無繞鍍單面沉積原位摻雜多晶硅層技術；
使用鋁漿及銀漿的混合新技術制備n型TOPCon電池的金屬電極，降低成本的同時改善接觸電阻；采用正面選擇性發射極結構和背面多層隧穿鈍化接觸結構技術。
這些技術提升與工藝優化為n型TOPCon電池的產業化發展做出了一定貢獻。
n型TOPCon電池在技術上與常規p型光伏電池存在一定的差異，而市場對于光伏電池的判定依據按照現行常規電池的標準，沒有明確的針對n型光伏電池的標準要求。
n型TOPCon電池具備低衰減、低溫度系數、高效率、高雙面系數、高開壓等特點在標準方面與常規光伏電池有一定區別。
本節將從n型TOPCon電池標準指標確定出發，圍繞彎曲度和電極抗拉強度、可靠性、初始光致衰減性能等方面開展相應驗證，并對驗證結果進行討論。
常規光伏電池所依據產品標準為GB/T29195—2012《地面用晶體硅太陽電池總規范》，標準中對光伏電池的特性參數提出了明確要求。
基于GB/T29195—2012的要求，結合n型TOPCon電池的技術特點逐項開展分析。
見表1，n型TOPCon電池在尺寸和外觀方面與常規電池基本一致；
表1 n型TOPCon電池與GB/T29195—2012的要求對比
在電性能參數和溫度系數方面分別依據IEC60904-1和IEC61853-2開展試驗，測試方法與常規電池一致；力學性能的要求在彎曲度和電極抗拉強度兩個參數與常規電池有差異。
此外，根據產品實際應用環境情況，增加濕熱試驗作為可靠性要求。
基于上述分析，對n型TOPCon電池的力學性能和可靠性開展試驗驗證。
選取同類技術路線不同制造廠家的光伏電池產品作為實驗樣品，樣品由泰州中來光電科技有限公司(以下簡稱中來光電)和國家電投集團西安太陽能科技有限公司(以下簡稱西安國電投)提供。
實驗在第三方實驗室和企業實驗室開展，分別就彎曲度和電極抗拉強度、熱循環實驗和濕熱試驗、初始光致衰減性能等參數進行試驗驗證。
n型TOPCon電池的力學性能中的彎曲度和電極抗拉強度是對電池片本身的直接測試，試驗方法的驗證具體如下。
彎曲度指被測樣品中位面中心點與中位面基準平面的偏離，通過光伏電池彎曲變形情況進行試驗，是評價電池受力下平整度的重要指標。
其主要測試方法是使用低壓力位移指示器測量硅片中心偏離基準平面的距離。
由中來光電和西安國電投各提供20片M10尺寸n型TOPCon電池，分別在表面平整度優于0.01mm平臺，用分辨力優于0.01mm的量具進行電池彎曲度檢測。
電池彎曲度檢測按GB/T29195—2012中4.2.1的規定進行。
表2 n型TOPCon電池彎曲度測試結果
中來光電和西安國電投的企業內控標準對彎曲度的要求均為不高于0.1mm，根據抽樣測試結果分析，中來光電和西安國電投的彎曲度平均值分別為0.056mm和0.053mm，最大值分別為0.08mm和0.10mm。
根據試驗驗證結果，提出n型TOPCon電池彎曲度不高于0.1mm的要求建議。
金屬焊帶通過焊接方式與光伏電池的柵線連接，起到傳導電流的作用，焊帶與電極之間應是穩定連接，盡可能減小接觸電阻，保證電流傳導效率。
為此，對電池的柵線進行電極抗拉強度試驗，可以評估電池的電極可焊性與焊接質量，是光伏電池電機附著強度的常見測試方法。
由于n型TOPCon電池具備雙面發電的特點，在電池正面和背面均有柵線，因此分別對正面電極和背面電極進行電極抗拉強度試驗。
由中來光電和西安國電投分別提供5組和10組M10尺寸n型TOPCon電池，并根據工藝要求進行焊接：用相同規格的涂錫焊帶，將其浸入助焊劑溶液中10min，取出后在加熱平臺直至焊帶表面無助焊劑藥液殘留。
將涂錫焊帶手工焊接在電池片的正背面主柵上，有效焊接距離貫穿整個電池主柵表面。對焊接后的涂錫焊帶與電池片進行180剝離試驗，如圖1所示。
圖1 電極抗拉強度剝離試驗示意圖
電池片放置拉力測試平臺需使用固片夾進行固定。涂錫焊帶通過上夾板的開槽引出(開槽的寬度應略大于涂錫焊帶的寬度)。
在試驗機上以500mm/min的速度進行試驗，試驗機的測力系統準確度應為1級或優于1級，取剝離曲線中相對峰值曲線段記錄平均剝離強度(平均剝離力與涂錫焊帶寬度的比值)。
電極抗拉測試需監控到主柵每個焊點位置，測試結果見表3和表4所示。
表3 中來光電n型TOPCon電池電極抗拉強度測試結果
表4 西安國電投n型TOPCon電池電極抗拉強度測試結果
根據抽樣測試結果分析，中來光電和西安國電投的正面電極拉伸強度平均值分別為9.4N/mm和5.80N/mm，背面電極拉伸強度分別為10.9N/mm和5.23N/mm。
由于電流傳輸效率由同一條柵線上的焊接點共同決定，焊接合格率超過80%即可滿足電流傳輸要求，根據試驗驗證結果分布，提出n型TOPCon電池電極拉伸強度大于等于1.25N/mm，單點合格率不低于80%的要求建議。
光伏組件將在戶外長期運行25年之久，光伏電池的可靠性是產品的一個重要特性。
從熱應力導致的半導體衰減機理來看，通常針對光伏電池的可靠性試驗方法有熱循環試驗、濕熱試驗、濕凍試驗等；而光輻照應力主要影響pn結界面的符合效率，通常以光致衰減的方式開展試驗。
其中濕凍試驗主要考驗光伏組件封裝性能，與光伏電池的衰減機理關聯性不大，在此文中不展開探討。
熱循環試驗通過在實驗箱中的高低溫交替循環模擬戶外運行晝夜循環的溫度變化，是評估光伏產品可靠性的一種常用的試驗手段。
對光伏電池進行熱循環試驗，一方面可以快速驗證電池印刷質量和電極附著強度，為產品設計和材料導入提供參考；另一方面可以減少電池和組件段的失效，提高總體質量可靠性。
由中來光電提供20片M10尺寸n型TOPCon電池，將經初始光衰減穩定后，在實驗室開展熱循環試驗。
將電池樣品間隔地放置在環境試驗箱(相對濕度小于60%)中，按照圖2的溫度分布，使電池的溫度在-40℃±2℃和85℃±2℃之間循環，低溫端和高溫端之間的溫度變化率不得超過100℃/h；在兩個極端溫度的保持時間不少于10min一次循環時間不超過6h，循環次數5次。
試驗前后分別對電池的外觀、力學性能和電性能參數中的最大功率進行檢測，并按照式(1)計算衰減率。
式(1)中：η——功率衰減率；Pmax,before——實驗前STC最大輸出功率；Pmax,after——實驗后STC最大輸出功率。
根據測試結果，熱循環試驗前后的效率差值平均值分別為0.08%和0.06%。
由于n型光伏電池純度較高、晶向一致性好，其穩定性優于常規p型光伏電池，根據試驗驗證結果分布，同時考慮最大功率測試系統的不確定度約為2%，提出n型TOPCon電池的熱循環可靠性不超過3%的要求建議。
濕度和溫度的共同作用，對光伏產品戶外運行的衰減起到顯著的影響。
濕熱試驗通過在實驗箱中設置溫度85℃和相對濕度85%的條件，對樣品同時施加熱應力和濕度的苛刻條件，可以評估光伏產品戶外耐濕熱的能力。
對封裝的光伏電池進行濕熱試驗，既可以快速驗證電池耐水耐熱程度，為產品設計和材料導入提供參考，也可以考驗封裝效果，評估組件封裝可靠性。
由中來光電和西安國電投分別提供20片和10片M10尺寸n型TOPCon電池，樣品采用背板+電池片+玻璃的封裝結構，并做用膠帶做封邊處理，并經初始光衰減穩定。
將樣品間隔地放置在環境試驗箱中，試驗箱溫度設置為85℃±5℃，保持相對濕度(85±5)%。
試驗前后分別對電池的外觀、力學性能和電性能參數中的最大功率進行檢測，并按照式(1)計算衰減率，測試結果見表6，分析電池衰減情況。
表6 n型TOPCon電池濕熱試驗測試結果
根據測試結果，熱循環試驗前后的效率差值平均值分別為0.02%、0.13%和0.50%。
由于n型光伏電池純度較高、晶向一致性好，其穩定性優于常規p型光伏電池，根據試驗驗證結果分布，同時考慮最大功率測試系統的不確定度約為2%，提出n型TOPCon電池的濕熱可靠性不超過3%的要求建議。
光伏電池在接收光照射后，其pn結界面會產生復合效應，使光電轉換效率下降，直到內建電場與復合效率達到平衡。
通常在光伏電池接收光照的初期出現，并隨著時間推移達到穩定，這種衰減被稱為初始光致衰減。
在實驗室條件模擬開展初始光致衰減試驗，可以評估光伏電池進入穩定發電的真實效率，同樣可以作為經過衰減后評價本征穩定性的一個重要手段。
由中來光電和西安國電投分別提供10片M10尺寸n型TOPCon電池，按照IEC63202-1的規定進行初始光致衰減試驗，并按照式(1)計算衰減率。測試結果見表7。
表7 n型TOPCon電池初始光致衰減試驗測試結果
根據測試結果，初始光致衰減試驗的衰減率平均值分別為0.89%和0.47%。由于n型光伏電池純度較高、晶向一致性好，其穩定性優于常規p型光伏電池，根據試驗驗證結果分布，同時考慮最大功率測試系統的不確定度約為2%，提出n型TOPCon電池的濕熱可靠性不超過3%的要求建議。
n型TOPCon電池技術憑借其轉化效率高、對現有設備的利用率高等優勢，成為產業化規模最大的新一代高效光伏技術。
來源：中國電子技術標準化研究院，泰州中來光電科技有限公司，國家電投集團西安太陽能科技有限公司，《n 型 TOPCon 光伏電池標準化研究》
原文始發于微信公眾號（光伏產業通）：n型TOPCon光伏電池標準化研究
