硅异质结(SHJ)太阳电池是天然双面性的，其前表面与背面的参数比(双面系数)可以通过前表面和背面的金属格栅图案轻易调整。本文同时在电池和组件两个层面，讨论了电池双面系数从典型值的90%增大到100%，或将其减小到单面电池(0%)时好处与缺点之间的平衡。

　　对于背面有额外光照的系统应用场景，我们估算了在电池效率和双面系数之间进行权衡时双面系统的有效性能。本文讨论了当将双面系数设计得很高时，是如何以降低(正面)转换效率为代价的，并讨论了每个电池中银浆使用量(电池成本的主要组成部分)如何密切影响电池双面系数和效率。

　　使用对称格栅图案是获得高电池双面系数的一种简单方法，但如果正反两面都使用典型正面图案的金属格栅，会带来高电阻率的代价。相反，如果正反两面都使用背面图案则可能导致阴影过多的情况。

　　此外，在双面系数非常高的情况下，如果在背面上使用较薄的非晶硅层来对称化电池的光吸收，会导致背面发射极电池效率的降低。因此，对于背面辐照度不变且系统设计运行也不变的情况下，可以找到最佳的折中方案。类似地，对于给定电池类型，可以对系统方案进行特殊设计以优化在特定双面系数下的性能收益。

　　当大部分光从背面入射且电池双面系数从85%到95%之间时，倾斜组件的功率输出是最大的。对金属格栅进行优化(正面金属格栅间距通常为1.2至2mm，背面金属间距为0.6至0.9mm)可以将相对功率输出提升3%。至于倾向于采用对称印刷网格的建筑一体化或垂直安装系统，最佳网格间距约为1.5mm。对于单面系统，双面电池也是更好的选择，因为玻璃背板组件中的内部反射增加了电池背面光吸收，同时也节省了背面金属化成本。

　　双面应用正在爆发

　　正如ITRPV预测的那样[1]，双面光伏系统正处于真正的快速部署阶段，预计在未来五年内将增长14倍。它不再是专为效率最高的电池而保留的利基技术，而是“降低每千瓦时成本的巨大飞跃” [2]，可适用于当前和未来的主要电池技术，包括PERC(钝化发射极和背面电池)、PERT (钝化发射极)背面完全扩散)、TOPCon (隧道氧化物钝化接触)、SHJ (硅异质结)和IBC (指叉背接触)。

　　因此，最近通过模拟仿真[4]和收集现场实验数据[5]的方式对单组件安装系统的双面收益以及LCOE (平均电力成本)[6,7]进行了深入研究[13]。这些基于特定电池和组件类型的研究，对于光伏安装公司在考虑特定项目的运营条件时如何选择最相关的技术并对其设计进行优化是非常有帮助的，如图1所示[8]。然而，在此之前，对电池双面系数进行修改的可行性尚未被充分考虑到。

　　

　　图1：显示了一座位于比利时比尔贝克的一座果园上试验的农业光伏项目，表明了在高海拔地区的高透明度屋顶上使用双面组件的好处。

　　SHJ太阳电池由非常薄的氢化非晶硅层(a-Si:H)、透明导电氧化物(TCO)和沉积在硅片两面的金属化网格组成对称的结构，这种结构是天然双面性的[19]。通过使用不同金属化网格图案可以改变主栅和无主栅SHJ电池的双面系数(BFcell)，而本文是该系列研究[10]的延续工作；随后研究了对电池效率的影响，以便估算系统输出与背面辐照度之间的关系。此外，还将介绍正面和背面沉积薄膜的差异对双面系数的影响，并将讨论电池双面系数达到100%的可能性。

　　实验细节和方法

　　实验所用电池是在位于法国国家太阳能研究所INES的CEA SHJ中试线[11]上制造的，采用的是商用全尺寸n型Cz硅片(M2尺寸，244.3cm2，来自LONGi)制造背发射极双面接触(丝网印刷低温Ag浆)。在这里，每个I-V参数的双面系数是指在标准测试条件 (STC)下测得的前后比率。BFcell是其中最低的系数，通常是指功率的比值。

　　首先，可以通过改变无主栅(无BB:Busbar)和主栅(BB)网格图案上的子栅间距来改变电池的双面系数，本研究的图案设计范围包括从高密度背面网格(对应低双面系数)到正面(FS)/背面(BS)等距网格，后者可以实现高双面系数和对称的电池外观。子栅间距的实际变化范围在0.2到2.1mm之间。

　　所有I-V测试都是在AM1.5G STC条件下使用无背反射的I-V测试仪进行的，并通过FHG ISE CalLab和ISFHCalTec认证的参考电池进行校准。每个给定设计(无BB或BB)的双面实验都是使用CEA-INES 基准工艺流程对来自同一生产产线的电池进行组件封装的，并为每个丝网印刷批次随机选择一组电池样品，并根据FS和BS网格间距(mm)进行标记区分，如图2所示，展示了BB 设计的数据示例。

　　图2: BB电池的双面性实验，在保持丝网参数(网格、乳胶和开窗等)不变的情况下，改变前后两侧金属网格的间距(以mm为单位)。使用蓝色圆点绘制双面印刷不对称时电池到电池的主要I-V参数比，而用橙色菱形绘制对称印刷(即前后的子栅间距相等)时的结果。

　　接下来，类似于IEC 60904-1-2标准化工作[3,5]，使用无BB 和BB 电池效率与BFcell的函数关系(参见图3)来计算双面系统的品质因数。公式1表示倾斜的组件，其中BIFI是基于正面辐照度的百分比例计算得到的背面辐照度值。例如，当正面辐照度为1000W/m2时，BIFl20则表示背面辐照度值为200W/m2。

　　公式2表示垂直安装且东西朝向的组件(V-EW)，其直射阳光在正面照射一半时间，在背面照射一半时间，并且正背两面照射的光相同，即BIFI因子相同。换句话说，首先(即早上)，背面是组件的“真实”背面，然后(下午)，背面就成为了组件的正面，主要接收直射的光线。此处未考虑早晨和下午的平均BIFI之间可能存在的差异。

　　这项工作的目的不是为某些特定情况定义双面性系数。从文献[3-6]和CEA自己的SHJ系统的现场数据[7,12]中，可以简单提取出一个可以应用于全球范围内的实际BIFI范围：作为从0到40%的BIFI范围内BFcell的函数值，研究ηsystem可以确定在给定的组件技术下运行在特定双面因子时的最佳SHJ电池双面性。

　　无论采用何种实际参数来确定双面系数，都使用这种简单方法，例如系统设计 (组件倾斜安装、安装位置高于地面、组件数量、组件串行数和间距等)，系统朝向、地理位置、典型的气象年份、地面反照率和周围环境等，以及不同天气条件下BIFI的临时变化[13]。

　　BFmodule系数是针对有效网格阴影校正的实验BFcell数据: 空气中是95%，组件中是72%左右[14]；如Danel等人[10]所发表的，这一重要因素已在实践中得到验证。确实，组件中电池的有效双面性始终高于空气中裸电池的有效双面性，并且随着BFcell的减少，差异增大。

　　尽管这种方法可能不能严格代表所有应用(例如，为农业而专门设计的电池覆盖率极低但必须具有双面性的新系统，如图1[8]所示)，作为BFcell函数的ηsystem，有助于优化在给定系统项目下的最佳电池设计。

　　除实际数据外，还采用双二极管模型，用于模拟电池和组件在各种双面和BIFI条件下的效率和功率。假定仿真模型采用的关键电学和光学参数能够完全代表组件和电池的设计，包括材料特性和异质结特性。根据以下电阻率对金属电极的串联电阻(FS)进行建模:1)低温银浆; 2)导电胶; 和3)焊带。该模型还考虑了三种电阻率元素中每个元素的有效形状。

　　另外，还需要考虑晶体硅衬底和TCO层的体电阻，这涉及到当金属格栅图案发生变化时，电荷横向传输的变化[8]。该模型还考虑了半切和三切电池在切割后损失的电池性能。此外还考虑了格栅的有效形状(子栅和主栅的数量和形状)以及材料(电池、玻璃、密封剂、金属格栅和焊带)的反射率、吸收率和透射率，以评估组件的光学性能[15,16]。

　　电池效率与双面系数的关系

　　如图1所示，对电池每个I-V参数的双面系数都进行了测量，同时还进行了其他两个类似电池的测量，后者在保持FS网格设计不变的同时，改变了BS 网格中子栅的间距。其中BFcell指的是功率双面系数，它主要受短路电流(Isc)双面系数的影响。

　　

　　图3：BB和无BB归一化电池效率与电池双面系数的关系。图中的点/圆代表平均值，而误差条则表示每个电池批次的标准差。其参考电池网格设计是2.1mm FS和0.6mm BS。在这里考虑了两种不同的TCOs。采用实线描绘了变化趋势。

　　图3绘制了各批次电池的平均效率与BFcell的关系。可以看到，从单面设计到高度双面性设计，SHJ电池的效率逐步下降，而当FS和BS网格间距(在此研究中为分别2.1mm 和2.1mm，电池背面为铟锡氧化物(ITO))相等时电池双面性达到最高值，其对应的电池效率也显著下降。对于无BB和ITO BS的实验，通过物理气相沉积(PVD)对参考电池(间距2.1mm FS 和0.6mm BS)背面进行额外的金属化，从而形成单面电池。如图3和表1所示，这批电池的双面性为3.4%，比参考电池高0.16