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摘要：随着N型TOPCon电池组件逐步取代P型PERC电池组件成为光伏电站选型的技术趋势。为了验证在典型的西北气候条件下N型TOPCon电池组件在发电能力上和P型PERC电池组件的差异。本文基于宁夏银川某户外实证电站场地进行了为期15个自然月的长期测试，通过比对P型和N型单双面电池组件暴晒60kWh/m2的初始光衰和持续15个自然月的发电数据，分析了不同类型组件在不同月份单位kW容量的发电能力和不同组件类型光伏系统的系统效率PR结果。研究通过实测数据表明N型TOPCon组件在转换效率、双面率、衰减率和温度系数方面的显著优势。本文研究成果可为西北地区光伏电站项目组件的设计选型提供参考依据。

关键词：N型TOPCon电池；P型PERC电池；发电量；背面增益；衰减率；

引言

在“双碳”进程中，能源作为排放量最大的领域，其绿色低碳转型被视作关键。2022年，可再生能源装机容量超过煤电，在这个过程中，以光伏为代表的可再生能源无疑是“主力军”。根据中国光伏行业协会的数据、组件方面，2023年，中国产量499GW，同比增长69.3%，主要是晶硅电池组件[1]。估计2024年的产量将突破750GW[2]。2023年全国新增光伏并网装机容量216.88GW[3]。预计2024年新增装机规模将突破200GW，大规模集中开发的大基地落地西北、因此西北地区将成为主要的安装地。2023年，单晶硅片（P型+N型）市场占比已超过99%。随着N型产品的释放，P型单晶硅片市场占比压缩至74.5%，N型单晶硅片占比增长至24.7%[4]。随着下游对N型产品的需求增大，其市场占比也将进一步提升[4]。根据数据、N型TOPCon产品产业化进程正全面加速，已经成为光伏主流厂商主打产品。

1 、N型光伏组件的特点和发电特性

N型TOPCon电池核心结构由电池背面的超薄氧化硅层和重掺杂多晶硅层组成，二者共同形成钝化接触结构。超薄氧化层使多子电子隧穿进入多晶硅层的同时，可阻挡少子的空穴复合，进而使电子在多晶硅层横向传输被金属收集，极大降低了金属接触复合电流，提升了电池的开路电压和短路电流，从而提升了电池效率。电池背表面为H型栅线电极，可双面发电，全面提升电池的性能[3]。TOPCON技术理论转化效率上限接近晶硅极限的28.7%，并且其对现有PERC产能良好的兼容性、可在已有PERC电池产线的基础上进行升级改造[2]，电池结构如下图。

2、 P型光伏组件的特点和发电特性

P型硅片是在电池片掺杂工序过程中渗入3价元素硼的硅片，PERC（Passivated Emitter and Rear Cell）发射极钝化和背面接触电池技术，是P型电池中的一种高效能产品、通过在电池背面附上介质钝化层，降低被表面复合速度、提升背表面的光反射、减少了光电损失，从而使电池的效率提升。PERC电池目前已达到23.5%的量产转换效率，接近24%的理论极限值。

3、双面电池组件的特点和发电特性

双面光伏组件采用双面电池和两面玻璃的封装结构、在正面直接照射的太阳光和背面接收的太阳反射光下，都能进行发电、双面光伏组件的背面主要性能参数是双面系数（Bifaciality），双面系数越高表征背面的发电效率越高。N型双面电池较PERC电池有更高的双面系数。在实际的双面组件参数标定过程中，铭牌参数并未给出背面功率值，双面率只能作为背面增益的参考，最终背面增益的大小取决于支架形式，组件背面电池有无遮挡，组件安装高度，下垫面的类型等。

4、下垫面反射率特性

地表反射率也称地表反照率、是指地面反射辐射量与入射辐射量之比，地表反照率受到很多因素的影响，如太阳高度角、下垫面的介质颜色、平整度、湿度、植被状况等[1]。。所以对于双面光伏组件户外使用场景下，相同地块不同季节的地面反射率都不同，在实际的双面组件电站项目中，根据这个原理对下垫面进行适当的改造或者改良，提高下垫面反射率有助于提升背面增益和发电量。

5、 N型和P型光伏组件户外发电比对研究

5.1 场地条件介绍

由于户外环境地面介质的复杂性，反射辐照情况非常复杂，难以准确量化，为了确保比对结果的准确性，所有的比对组件均通过同样的安装方式安装在下垫面一致的区域进行测试。此次验证场地选择宁夏银川作为实证地点，银川地处北纬38°27′55.38″；东经106°6′7.90″，阳光充足，年日照小时数超过3200h，海拔平均1100m，是典型干热气候环境，且太阳光谱与AM1.5光谱高度吻合，非常适宜进行户外实证研究。其试验场地面主要为自然地面（土石杂草）。

5.2 研究方法

为了模拟真实的户外发电场景，本次比对研究假设比对阵列容量为3.57kW，共计8块、每个版型2块，组件正南固定倾角40度1P安装，四个版型的组件分别为PERC单玻组件、PERC双玻组件、TOPCon单玻组件和TOPCon双玻组件。研究的目的在于对比上述4个版型组件的电参数变化、发电能力和系统发电效率差异。组件初始电参数如下表：

注：其中双面电池组件的电参数只考虑了正面功率

5.3 衰减率比对

组件分别在曝晒60kWh/m2后，完成为期15个自然月的户外发电量测试后分别进行实验室的功率测试、统计的衰减结果如下表，其中复测结果的双面电池组件的电参数也只考虑了正面功率。

可以看出：P型PERC单面电池组件的初始光衰高于N型TOPCon单面电池组件1.2%；P型PERC双面电池组件的初始光衰高于N型TOPCon双面电池组件1.06%；P型PERC单面电池组件的长期衰减率高于N型TOPCon单面电池组件0.29%；P型PERC双面电池组件的长期衰减率衰高于N型TOPCon双面电池组件1.21%；因此、N型TOPCon组件的初始光衰和长期衰减速率均优于P型PERC组件。

5.4 发电能力比对

本次研究为了准确的比对发电数据的差异、使用了高精度的组件级的电量传感器实时采集四种版型组件的发电量数据。完成为期15个自然月的比对研究后、统计了的四种版型的发电量数据。月度统计数据如下图：

从月度的发电量统计数据可以看出，不管是单面电池组件还是双面电池组件，N型TOPCon组件的月度发电量数据整体高于P型PERC组件。且在实证比对所在地冬季低温气候和夏季高温的气候也保持了同样的领先趋势。

下表中的计算结果为每个版型组件累计发电数据。

可以看出：N型TOPCon单面电池电池组件的每kW发电量高于P型PERC单面电池组件1.85%；N型TOPCon双面电池组件的每kW发电量高于P型PERC双面电池组件2.17%。

因此、长期的发电量表现，N型TOPCon组件明显高于P型PERC组件；N型TOPCon双面电池组件的背面增益更高，带来了更多的发电增量。

5.5 系统发电效率比对

为了更直观的评估不同类型组件光伏系统的长期发电表现，使用国际公认的电站发电指标系统效率PR（performance ratio）来评估不同组件类型的差异。参照IEC61724-1：2021的标准计算方法来对统计结果进行计算分析，计算公式如下：

Eout：光伏系统实际发电量，单位：kW·h；

P0：光伏系统直流装机容量，单位：kWp；

Hi：阵列面接收到的辐射量，单位：kWh/m2

Gi，ref：标准测试条件的辐照度，1000W/m2。

可以看出：N型TOPCon单面电池组件电站的系统效率PR高于P型PERC单面电池组件1.75%；N型TOPCon双面电池组件电站的系统效率PR高于P型PERC双面电池组件7.07%。

6 、N型TOPCon电池组件和P型PERC电池组件的特性比较

（1）高转换效率：根据中国光伏行业协会的数据、2023年，P型单晶电池主要采用了PERC 技术，平均转换效率达到23.4%，比2022 年提高0.2个百分点；N型TOPCon电池的平均转换效率达到25.0%。下表是平均转换效率变化趋势。

未来N型TOPCon电池的理论极限效率将超过28%，远高于PERC电池的理论极限效率24%。未来随着生产技术和工艺的提升，N型电池效率将快速提升。

（2）高双面率：P型PERC组件双面率普遍在70%，N型TOPCon组件的双面率普遍在80%，高双面率将带来背面发电量的明显增益。在多场景安装环境下、通过优化改造下垫面可以提升发电量。

（3）低衰减率：N型首年衰减普遍在1%，线性衰减率0.4%；P型首年衰减普遍在2%，线性衰减率0.45%或者更高。在电站长期发电量预测分析中、N型TOPCon组件的边界条件优于P型PERC组件[3]。

（4）低温度系数：P型PERC组件最大功率温度系数普遍在-0.30%/℃，N型TOPCon组件的最大功率温度系数普遍在-0.35%/℃，更低的功率温度系数将在高温和低温天气产生更多的发电收益[3]。

（5）更优的弱光表现：TOPCon电池同时兼顾对短波和长度的响应度，在早晚及阴天等弱光下发电能力表现依然优异[3]。

N型TOPCon电池多方面的优势，通过此次实测数据已经充分证明了N型TOPCon组件在转换效率、双面率、衰减率和温度系数特性参数的量化差异。此次比对研究所用到的气象采集传感器、电量传感器的采集精度均通过标准设备的校验达到了比对精度的要求、不影响整体数据结果趋势的分析。

本次比对研究基于典型的中国西北干旱少雨大陆性气候特点和西北大型地面电站项目典型安装方式，对N型TOPCon组件和P型PERC组件的发电特性进行了比对分析。研究成果已经充分证明了N型TOPCon组件在西北气候环境下的优势。

现阶段、双碳目标时间紧、任务重。通过在西北地区建设GW级大基地的模式快速提高光伏装机占比。此次比对研究成果对西北地区未来新建项目组件产品选型、系统设计提供了有价值的参考数据。同时对既有项目的发电量提升技改组件选型也指明了方向。

7、结 论

N型TOPCon电池技术将成为行业主流的量产高效电池技术选择，目前已经成为行业的共识。N型TOPCon电池组件将取代P型PERC电池组件成为主流的应用选型趋势。随着平价和竞价时代的发展，低成本、高发电效率、高可靠性和产品长期的可持续性将成为项目投资建设的主要考虑因素。

未来在西北地区、将有越来越多的大型地面项目使用N型TOPCon电池组件。在系统设计上通过对光伏支架参数的优化配置，对项目场地下垫面的介质改造和优化；后期运行中，通过科学的运维使得N型TOPCon组件的发电能力得到充分释放。

我国的幅员辽阔、区域气候千差万别。不同气候环境下的长期发电表现将随着N型TOPCon组件在不同地区装机容量的增加拥有更好的发展前景。

参考文献：

[1]郑志远， 韦志刚， 李振朝， 魏红， 刘慧，等. 2014. 敦煌荒漠戈壁地区裸土地表反照率参数化研究 [J]. 大气科学， （2）： 297-308

[2]王登峰.N型TOPCon太阳能电池组件相比P型PERC的优势分析[J].中文科技期刊数据库（全文版）工程技术， 2022.

[3]王大才，曾杰，陈卫鹏.新型高效光伏组件技术比对及其经济性分析[J].水利水电快报第44卷第11期，

[4]中国光伏行业协会.中国光伏产业发展路线图（2023-2024 年）[R].北京 中国光伏行业协会，2024.