BC组件和TOPCon组件在实际遮荫条件下的输出性能对比-结合MPPT分析

 

背接触（BC）太阳能电池因其背面交叉指式PN结设计，在反向偏压下具有独特的软击穿特性。普遍认为在局部遮光条件下，比TOPCon组件具备更优的功率输出性能。然而，本研究通过实验并结合美能钙钛矿最大功率点追踪测试MPPT在模拟户外实际遮光场景的对比测试中发现：BC组件仅在子串中被遮电池数量少于3个时优于TOPCon组件。其原因在于BC电池的击穿电压（–5 V）与旁路二极管开启所需反向偏压（–15 V）之间的匹配关系。

实验方法

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左：半导体隧道效应示意图；右：电池反向特性测试示意图

电池反向特性测试实验：在暗室环境中，通过反向连接电池正负极，调节电压并记录电流，获取两种电池在不同反向电压下的I–V特性曲线。BC电池凭借其背面PN结的窄间距设计（通常＜100 μm），显著降低了势垒宽度，使隧道概率提高2–3个数量级，从而在较低反向电压下发生软击穿。

两种光伏组件的规格参数

光伏组件内部电路结构示意图

标准测试条件下两种类型组件的特性曲线

遮光实验示意图：(a) 单电池遮光, (b) 组件短边遮光, (c) 组件长边遮光

遮光条件下组件输出性能实验：以BC组件为实验组，TOPCon组件为对照组，在标准测试条件（辐照度1000 W/m²，温度25°C）下，使用黑色不透光塑料片对组件进行单电池、短边整行和长边整行遮光，并记录I–V与P–V曲线。

户外光伏组串实验现场

户外电站测试：在实证基地，每种组件各12片组成一串，研究遮光对组串输出功率的影响。户外实验选择晴朗天气下环境因素稳定的时段进行，辐照度约950 W/m²，温度约20°C。通过逆变器通信接口采集发电数据，每5分钟记录一次，并以归一化功率表示组串输出能力。

实验结果分析

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两种类型电池的反向I-V特性曲线

电池反向特性：BC电池的反向击穿电压约为–5 V，而TOPCon电池的击穿电压较高。BC电池在较低反向电压下即可产生隧道电流，缓解遮光电池的电流失配。

单电池遮光场景下:I-V曲线:(a)TOPCon组件(c)BC组件;P-V曲线:(b)TOPCon组件(d)BC组件

单电池遮光场景：随着遮光比例增加，TOPCon组件的I–V曲线呈现阶梯状，P–V曲线呈双峰形。当遮光达到100%时，旁路二极管开启，组件输出功率降至原来的2/3。而BC组件的I–V和P–V曲线形态变化不明显，仅在高遮光比例时出现轻微凹陷，MPP略有左移。

单电池遮挡场景下TOPCon组件和BC组件的MPP数据

2-4 片电池遮挡场景下TOPCon组件和BC组件的MPP数据

(a) TOPCon和(b) BC组件MPP参数变化

BC组件在单电池遮光下旁路二极管不会开启，因为单个BC电池最多提供–5 V反向偏压，而二极管开启需–15 V。实验表明，只有当至少3个电池完全遮光时，BC组件的二极管才会开启，此时其功率损失与TOPCon组件一致。在遮光电池少于3个时（如落叶、鸟粪等初期轻微遮光），BC组件具有输出优势；若长期或大面积遮光导致超过3个电池被遮，则两种组件性能相同。

 

短边遮光场景下:I-V曲线:(a) TOPCon组件(c) BC组件;P-V曲线:(b) TOPCon组件(d) BC组件

 短边遮挡场景下TOPCon 组件和BC组件的MPP数据

短边遮光场景下(a) TOPCon和(b) BC组件MPP参数变化

短边整行遮光场景：在固定倾角光伏阵列中，短边遮光常见于早晚低太阳高度角时。此时，TOPCon与BC组件的输出特性曲线整体下移，且均无阶梯或双峰现象。在最大功率点处，电池无电流失配，不处于反向偏压状态，因此两种组件的实际输出功率相同。

长边遮光场景下:I-V曲线:(a)TOPCon组件(c)BC组件;P-V曲线:(b)TOPCon组件(d)BC组件

BC组件中12片电池（一个子串）的联合反向偏压特性曲线

长边遮挡场景下TOPCon 组件和BC 组件的 MPP 数据

长边遮光场景下(a) TOPCon和(b) BC组件MPP参数变化

长边整行遮光场景：在长边整行遮光下，两种组件的输出曲线几乎完全一致，均呈阶梯状与双峰形。因子串中有12个电池同时被遮光，其联合反向特性无法提供有效隧道电流，导致BC组件失去输出优势。

光伏组串的归一化功率及其差异：(a) 单电池遮光场景, (b) 短边遮光场景, (c) 长边遮光场景

户外电站验证：在无遮光条件下，因TOPCon组件双面率较高，其组串输出能力较BC组件高1.5%~1.6%。在单电池遮光场景中，BC组件具有输出优势；而在短边与长边遮光场景中，两种组件输出性能无差异，与实验室结论一致。

本研究通过实验室单组件测试与户外组串实验相结合的跨验证体系，系统比较了BC与TOPCon组件在实际遮光条件下的输出性能：在单电池遮光场景中，MPPT精准捕捉到当子串中被遮电池数量少于3个时，BC组件凭借其软击穿特性具有输出优势；超过3个时，其性能与TOPCon组件一致。该研究为光伏组件在实际遮光条件下的输出评估提供了标准化框架，对工程选型与电站全生命周期成本分析具有指导意义。

美能钙钛矿最大功率点追踪 MPPT

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美能钙钛矿最大功率点追踪测试 MPPT采用A+AA+级LED太阳光模拟器作为老化光源，以其先进的技术和多功能设计，为钙钛矿太阳能电池的研究提供了强有力的支持。

• 光源等级：A+AA+，光谱匹配度A+级，均匀性A级，长时间稳定性A+级
• 有效光斑大小: ≥250*250mm（可定制）
• 光强可调节: 0.2-1.5sun，以0.1sun为步进可依次调节
• 功率独立可控：300-400 nm/400-750 nm/750-1200 nm 

该研究依托美能钙钛矿最大功率点追踪测试MPPT保障的精准数据，建立了光伏组件实际遮光输出评估的标准化框架，对工程选型、电站全生命周期成本分析具有指导意义。

原文参考：Power output performance analysis of back-contact photovoltaic module under actual field shading conditions: A comparison with TOPCon photovoltaic module