用于高效率和抗遮光背接触硅光伏组件的片内旁路二极管

让日常屋顶更安全的太阳能组件

屋顶太阳能组件应当静默地持续发电数十年，但在现实中它们会被树叶、积雪、烟囱和邻近建筑遮挡。即便是小片的阴影也会夺走组件的发电量，更令人担忧的是可能形成危险的热点损坏硬件。本文探讨了一种新型硅太阳能电池，它将一项安全特性直接内置到每个电池中，使太阳能组件在效率更高的同时，对日常遮光更具容忍性。

为什么遮光是个大问题

一个太阳能组件不是单一器件，而是许多电池串联在一起。当其中一个电池被遮光时，其电流会下降，而其余受光电池仍会推动电流通过被遮光的那一格。此时被遮光的电池被迫进入称为反向偏置的电气状态，不再作为电源而成为能量吸收体。结果可能是在电池的小范围内严重过热，形成所谓的热点，既浪费能量，在极端情况下还会损坏甚至引燃组件部件。常规的防护方式是在若干电池组外接旁路二极管，但为每个电池安装一个二极管会太笨重且成本过高，而把许多电池并入单个二极管只能提供部分保护。

把每个电池都变成自己的安全阀

作者提出对背接触硅电池进行巧妙重设计，使每个电池包含内建的“旁路”行为而无需增加独立元件。他们不是依赖单个外部二极管去拯救许多电池，而是在电池背面工程化多层结构，形成分布在表面的许多微小反向导通通道。这些通道在正常工作时基本处于关闭状态，从而保持高效率，但在电池被遮光并被推入反向偏置时会导通。实际上，电池获得了内部安全阀，能在危险电压和热点形成之前自动为电流提供绕行路径。

隐藏通道在电池内部如何工作

该设计的核心是在硅片背面精心堆叠的材料组合。背接触电池已将正负接触点并排放置在背面，由狭窄间隙隔开。团队利用这些间隙边缘插入重叠的薄层，在某些区域有利于电子，而在另一些区域有利于空穴（即正电载流子）。在反向偏置下，进入被遮光电池的电子通过硅被引导至这些重叠区，在那里能量势垒允许它们通过该堆栈“隧穿”并作为电流重新出现，随后被安全带走。由于类似的堆栈在电池背面重复数百次，反向电流是分散的，而不是集中到单一薄弱点。仿真与测量表明，这些工程化通道表现得像许多微小的、在电池内直接集成的特殊调谐二极管。

在日常阳光下保持高性能

任何额外的电流通路都有变成泄漏并在电池正常工作时浪费能量的风险。这项工作的一项关键成就是设计堆叠层，使其仅在电池被驱入反向时承载大量电流，而在电池处于通常正向工作时几乎不贡献电流。团队分析了电子和空穴在两种条件下通过堆栈的运动，并调整厚度和材料特性，使得随着正向电压升向电池工作点时，隧穿效应逐步关闭。因此，采用新结构的原型器件获得了经认证的27.49%功率转换效率，与最好的背接触硅电池相当，同时在需要时仍能提供强大的反向导通。

在现实条件下更凉、更稳定的组件

为了检验这种微观重设计是否在现实世界中带来差异，研究者用他们的新电池组装了完整光伏组件，并在严苛遮光测试中与传统组件进行比较。当若干电池被严重遮光时，标准组件出现热点区域，温度迅速上升到约190摄氏度。相比之下，新组件稳定在约90摄氏度，热量分布更均匀，永久损坏的点明显更少。在仅单个电池部分被遮光的测试中，传统组件即便存在外部旁路二极管，输出功率也几乎损失一半。使用新电池的组件仅出现温和的功率下降，显示出内建通道有助于在光照不均时保持电流更平稳地流动。

迈向更智能、更坚韧的太阳能

这项工作表明，对遮光的保护不必来自电池外的额外布线和元件。通过将旁路行为织入电池自身结构，作者创造出既高效又更能容忍日常阴影的太阳能组件，同时有望降低成本和复杂性。随着太阳能在拥挤的屋顶和障碍物、多变光照的城市中广泛部署，这类自我保护、抗遮光电池有望让家庭和电力公司使用的太阳能系统更安全、更耐用、更可靠。

引用: Tang, H., Li, Y., Lin, H. et al. In-cell bypass diodes for high-efficiency and shading-tolerant back contact silicon photovoltaic modules. Nat Commun 17, 3360 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70005-1

关键词: 太阳能电池, 部分遮光, 背接触硅, 旁路二极管, 光伏组件