近年随着光伏电池新技术、新工艺和新结构的开发和利用，光伏电池行业得到了迅猛发展，n型电池作为支撑新能源发展和智能电网的关键技术，已成为全球产业发展的热点。
因n型隧穿氧化层钝化接触光伏电池(以下简称“n型TOPCon电池”)比常规光伏电池具有显著效率提升的性能优势，随着增加成本可控、设备改造成熟，n型TOPCon电池的国内产能进一步扩大，成为高效光伏电池主要发展方向。
n型TOPCon电池的标准化面临现行标准无法覆盖、标准适用性有待改善等问题，本文将围绕n型TOPCon电池的标准化展开研究与分析，并给出标准化建议。
常规光伏电池所用的p型硅基底材料构造是n+pp+，受光面是n+面，利用磷扩散形成发射极。
对于n型硅基底材料的同质结光伏电池结构主要有两种，一种是n+np+，另一种是p+nn+。
相比p型硅，n型硅具有更好的少子寿命、更低的衰减，效率潜能更大。
由n型硅制成的n型双面电池因其效率高、弱光响应好、温度系数低、双面发电多等优势。
随着产业对光伏电池光电转换效率的要求不断提高，TOPCon、HJT、IBC等n型高效光伏电池逐步占据着未来的市场。
根据2021年国际光伏路线图(ITRPV)全球光伏行业技术及市场预测，n型电池代表了国内外光伏电池未来的技术及市场发展方向。
在3类n型电池的技术路线中，n型TOPCon电池凭借其对现有设备的利用率高、转换效率高等优势，成为产业化规模最大的技术路线。
目前行业内的n型TOPCon电池普遍基于LPCVD(低压气相化学沉积)技术进行制备，其工序繁多，效率、良率都受到制约，且设备依赖进口，产品在成本、关键技术突破、转换效率等方面有待提升，n型TOPCon电池规模化生产所面临制造成本偏高、工艺复杂、良率偏低、转换效率不够高的技术难题。
行业对n型TOPCon电池的技术提升有着诸多尝试，其中，在隧穿氧化层和掺杂多晶硅(n+-polySi)层的单工序沉积中应用无绕镀单面沉积原位掺杂多晶硅层技术；
使用铝浆及银浆的混合新技术制备n型TOPCon电池的金属电极，降低成本的同时改善接触电阻；采用正面选择性发射极结构和背面多层隧穿钝化接触结构技术。
这些技术提升与工艺优化为n型TOPCon电池的产业化发展做出了一定贡献。
n型TOPCon电池在技术上与常规p型光伏电池存在一定的差异，而市场对于光伏电池的判定依据按照现行常规电池的标准，没有明确的针对n型光伏电池的标准要求。
n型TOPCon电池具备低衰减、低温度系数、高效率、高双面系数、高开压等特点在标准方面与常规光伏电池有一定区别。
本节将从n型TOPCon电池标准指标确定出发，围绕弯曲度和电极抗拉强度、可靠性、初始光致衰减性能等方面开展相应验证，并对验证结果进行讨论。
常规光伏电池所依据产品标准为GB/T29195—2012《地面用晶体硅太阳电池总规范》，标准中对光伏电池的特性参数提出了明确要求。
基于GB/T29195—2012的要求，结合n型TOPCon电池的技术特点逐项开展分析。
见表1，n型TOPCon电池在尺寸和外观方面与常规电池基本一致；
表1 n型TOPCon电池与GB/T29195—2012的要求对比
在电性能参数和温度系数方面分别依据IEC60904-1和IEC61853-2开展试验，测试方法与常规电池一致；力学性能的要求在弯曲度和电极抗拉强度两个参数与常规电池有差异。
此外，根据产品实际应用环境情况，增加湿热试验作为可靠性要求。
基于上述分析，对n型TOPCon电池的力学性能和可靠性开展试验验证。
选取同类技术路线不同制造厂家的光伏电池产品作为实验样品，样品由泰州中来光电科技有限公司(以下简称中来光电)和国家电投集团西安太阳能科技有限公司(以下简称西安国电投)提供。
实验在第三方实验室和企业实验室开展，分别就弯曲度和电极抗拉强度、热循环实验和湿热试验、初始光致衰减性能等参数进行试验验证。
n型TOPCon电池的力学性能中的弯曲度和电极抗拉强度是对电池片本身的直接测试，试验方法的验证具体如下。
弯曲度指被测样品中位面中心点与中位面基准平面的偏离，通过光伏电池弯曲变形情况进行试验，是评价电池受力下平整度的重要指标。
其主要测试方法是使用低压力位移指示器测量硅片中心偏离基准平面的距离。
由中来光电和西安国电投各提供20片M10尺寸n型TOPCon电池，分别在表面平整度优于0.01mm平台，用分辨力优于0.01mm的量具进行电池弯曲度检测。
电池弯曲度检测按GB/T29195—2012中4.2.1的规定进行。
表2 n型TOPCon电池弯曲度测试结果
中来光电和西安国电投的企业内控标准对弯曲度的要求均为不高于0.1mm，根据抽样测试结果分析，中来光电和西安国电投的弯曲度平均值分别为0.056mm和0.053mm，最大值分别为0.08mm和0.10mm。
根据试验验证结果，提出n型TOPCon电池弯曲度不高于0.1mm的要求建议。
金属焊带通过焊接方式与光伏电池的栅线连接，起到传导电流的作用，焊带与电极之间应是稳定连接，尽可能减小接触电阻，保证电流传导效率。
为此，对电池的栅线进行电极抗拉强度试验，可以评估电池的电极可焊性与焊接质量，是光伏电池电机附着强度的常见测试方法。
由于n型TOPCon电池具备双面发电的特点，在电池正面和背面均有栅线，因此分别对正面电极和背面电极进行电极抗拉强度试验。
由中来光电和西安国电投分别提供5组和10组M10尺寸n型TOPCon电池，并根据工艺要求进行焊接：用相同规格的涂锡焊带，将其浸入助焊剂溶液中10min，取出后在加热平台直至焊带表面无助焊剂药液残留。
将涂锡焊带手工焊接在电池片的正背面主栅上，有效焊接距离贯穿整个电池主栅表面。对焊接后的涂锡焊带与电池片进行180剥离试验，如图1所示。
图1 电极抗拉强度剥离试验示意图
电池片放置拉力测试平台需使用固片夹进行固定。涂锡焊带通过上夹板的开槽引出(开槽的宽度应略大于涂锡焊带的宽度)。
在试验机上以500mm/min的速度进行试验，试验机的测力系统准确度应为1级或优于1级，取剥离曲线中相对峰值曲线段记录平均剥离强度(平均剥离力与涂锡焊带宽度的比值)。
电极抗拉测试需监控到主栅每个焊点位置，测试结果见表3和表4所示。
表3 中来光电n型TOPCon电池电极抗拉强度测试结果
表4 西安国电投n型TOPCon电池电极抗拉强度测试结果
根据抽样测试结果分析，中来光电和西安国电投的正面电极拉伸强度平均值分别为9.4N/mm和5.80N/mm，背面电极拉伸强度分别为10.9N/mm和5.23N/mm。
由于电流传输效率由同一条栅线上的焊接点共同决定，焊接合格率超过80%即可满足电流传输要求，根据试验验证结果分布，提出n型TOPCon电池电极拉伸强度大于等于1.25N/mm，单点合格率不低于80%的要求建议。
光伏组件将在户外长期运行25年之久，光伏电池的可靠性是产品的一个重要特性。
从热应力导致的半导体衰减机理来看，通常针对光伏电池的可靠性试验方法有热循环试验、湿热试验、湿冻试验等；而光辐照应力主要影响pn结界面的符合效率，通常以光致衰减的方式开展试验。
其中湿冻试验主要考验光伏组件封装性能，与光伏电池的衰减机理关联性不大，在此文中不展开探讨。
热循环试验通过在实验箱中的高低温交替循环模拟户外运行昼夜循环的温度变化，是评估光伏产品可靠性的一种常用的试验手段。
对光伏电池进行热循环试验，一方面可以快速验证电池印刷质量和电极附着强度，为产品设计和材料导入提供参考；另一方面可以减少电池和组件段的失效，提高总体质量可靠性。
由中来光电提供20片M10尺寸n型TOPCon电池，将经初始光衰减稳定后，在实验室开展热循环试验。
将电池样品间隔地放置在环境试验箱(相对湿度小于60%)中，按照图2的温度分布，使电池的温度在-40℃±2℃和85℃±2℃之间循环，低温端和高温端之间的温度变化率不得超过100℃/h；在两个极端温度的保持时间不少于10min一次循环时间不超过6h，循环次数5次。
试验前后分别对电池的外观、力学性能和电性能参数中的最大功率进行检测，并按照式(1)计算衰减率。
式(1)中：η——功率衰减率；Pmax,before——实验前STC最大输出功率；Pmax,after——实验后STC最大输出功率。
根据测试结果，热循环试验前后的效率差值平均值分别为0.08%和0.06%。
由于n型光伏电池纯度较高、晶向一致性好，其稳定性优于常规p型光伏电池，根据试验验证结果分布，同时考虑最大功率测试系统的不确定度约为2%，提出n型TOPCon电池的热循环可靠性不超过3%的要求建议。
湿度和温度的共同作用，对光伏产品户外运行的衰减起到显著的影响。
湿热试验通过在实验箱中设置温度85℃和相对湿度85%的条件，对样品同时施加热应力和湿度的苛刻条件，可以评估光伏产品户外耐湿热的能力。
对封装的光伏电池进行湿热试验，既可以快速验证电池耐水耐热程度，为产品设计和材料导入提供参考，也可以考验封装效果，评估组件封装可靠性。
由中来光电和西安国电投分别提供20片和10片M10尺寸n型TOPCon电池，样品采用背板+电池片+玻璃的封装结构，并做用胶带做封边处理，并经初始光衰减稳定。
将样品间隔地放置在环境试验箱中，试验箱温度设置为85℃±5℃，保持相对湿度(85±5)%。
试验前后分别对电池的外观、力学性能和电性能参数中的最大功率进行检测，并按照式(1)计算衰减率，测试结果见表6，分析电池衰减情况。
表6 n型TOPCon电池湿热试验测试结果
根据测试结果，热循环试验前后的效率差值平均值分别为0.02%、0.13%和0.50%。
由于n型光伏电池纯度较高、晶向一致性好，其稳定性优于常规p型光伏电池，根据试验验证结果分布，同时考虑最大功率测试系统的不确定度约为2%，提出n型TOPCon电池的湿热可靠性不超过3%的要求建议。
光伏电池在接收光照射后，其pn结界面会产生复合效应，使光电转换效率下降，直到内建电场与复合效率达到平衡。
通常在光伏电池接收光照的初期出现，并随着时间推移达到稳定，这种衰减被称为初始光致衰减。
在实验室条件模拟开展初始光致衰减试验，可以评估光伏电池进入稳定发电的真实效率，同样可以作为经过衰减后评价本征稳定性的一个重要手段。
由中来光电和西安国电投分别提供10片M10尺寸n型TOPCon电池，按照IEC63202-1的规定进行初始光致衰减试验，并按照式(1)计算衰减率。测试结果见表7。
表7 n型TOPCon电池初始光致衰减试验测试结果
根据测试结果，初始光致衰减试验的衰减率平均值分别为0.89%和0.47%。由于n型光伏电池纯度较高、晶向一致性好，其稳定性优于常规p型光伏电池，根据试验验证结果分布，同时考虑最大功率测试系统的不确定度约为2%，提出n型TOPCon电池的湿热可靠性不超过3%的要求建议。
n型TOPCon电池技术凭借其转化效率高、对现有设备的利用率高等优势，成为产业化规模最大的新一代高效光伏技术。
来源：中国电子技术标准化研究院，泰州中来光电科技有限公司，国家电投集团西安太阳能科技有限公司，《n 型 TOPCon 光伏电池标准化研究》
原文始发于微信公众号（光伏产业通）：n型TOPCon光伏电池标准化研究
