Wprowadzenie

Zacienienie jest bardzo powszechnym problemem w rzeczywistych instalacjach PV.

Cienie drzew, słupy energetyczne, kurz, ptasie odchody, śnieg, a nawet nieznacznie różne kąty montażu modułów mogą powodować częściowe zacienienie. Zacienienie nie tylko obniża wydajność modułu, ale może również wywołać poważniejszy problem: gorące punkty.

W ciągu ostatnich kilku lat ogniwa słoneczne BC przyciągały coraz więcej uwagi w rozproszonych instalacjach dachowych, balkonowych i modułach premium. Jednym z kluczowych powodów jest to: Ogniwa słoneczne BC zazwyczaj oferują lepszą tolerancję na zacienienie, a temperatury ich gorących punktów pozostają niższe podczas zacienienia.

Na targach SNEC często widać producentów zacieniających część łańcucha ogniw, a następnie używających wysokości wody z pompy, aby pochwalić się tolerancją na zacienienie swoich produktów BC.

Dlaczego więc ogniwa BC mają tę przewagę? Jaka jest fizyka stojąca za tym?

Spróbujmy wyjaśnić to w dość prostych słowach.

Dlaczego zacienienie powoduje gorące punkty

Dlaczego zacienienie powoduje gorące punkty?

Ogniwa wewnątrz modułu PV są zwykle połączone szeregowo.

Obwód szeregowy ma jedną cechę definiującą: prąd musi być wszędzie taki sam.

Oznacza to, że prąd płynący przez cały łańcuch jest ustalany przez pętlę jako całość. Gdy każde ogniwo otrzymuje pełne światło, każde z nich generuje energię i wszystkie znajdują się w dość spójnym stanie.

Jeśli jednak jedna ogniwo zostanie zacienione, generowany przez nie prąd fotowoltaiczny może spaść. Jeśli cały string nadal musi przewodzić duży prąd, to zacienione ogniwo może zostać spolaryzowane zaporowo przez inne niezacienione ogniwa. W tym momencie przestaje być źródłem zasilania i staje się odbiornikiem energii.

W przypadku częściowego zacienienia, zacienione ogniwo nie przestaje całkowicie generować prądu. Jego niezacieniony obszar nadal wytwarza pewien prąd fotowoltaiczny. Zatem to, co faktycznie musi przepływać przez ścieżkę przebicia wstecznego, ścieżkę upływu lub ścieżkę bocznikowania, to nie pełny prąd stringu, ale różnica między prądem stringu a prądem, który to ogniwo może jeszcze wytworzyć.

Tę różnicę można nazwać prądem niedopasowania:

Imismatch = Istring - Igenerate

Zatem moc rozpraszana w gorącym punkcie może być w przybliżeniu zapisana jako:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

czyli:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)

Ten wzór wskazuje na jedną kluczową rzecz: przy tym samym prądzie stringu, im wyższe napięcie wsteczne, tym więcej mocy rozprasza zacienione ogniwo i tym gorętszy staje się gorący punkt.

Zatem jednym z kluczy do odporności na gorące punkty jest:

jak obniżyć napięcie wsteczne na zacienionym ogniwie i sprawić, by nagrzewanie było bardziej równomierne.

To właśnie w tym miejscu ogniwa BC błyszczą.

Czym ogniwa BC różnią się budową

Czym ogniwo BC różni się budową od zwykłego ogniwa?

Zwykłe ogniwa krzemowe krystaliczne zwykle mają strukturę z kontaktami przednim i tylnym.

Mówiąc prościej:

• Przód ma drobne linie siatki i szyny zbiorcze, a światło wchodzi od przodu;

• Prąd jest generowany wewnątrz ogniwa, a następnie zbierany przez elektrody przednią i tylną.

Ogniwo BC, czyli Back Contact, ma jedną wyróżniającą cechę:

zarówno dodatnia, jak i ujemna elektroda znajdują się z tyłu ogniwa, bez metalowych linii siatki z przodu.

Daje to dwie bezpośrednie korzyści:

1. Brak zacienienia od linii siatki z przodu, więc większa powierzchnia odbierająca światło;

2. Tylne elektrody mogą być wykonane w wzór naprzemienny, dzięki czemu zbieranie prądu jest bardziej równomierne.

Rysunek 1 Schemat budowy ogniwa BC.

Źródło: Calcabrini, A., Procel Moya, P., Huang, B., Kambhampati, V., Manganiello, P., Muttillo, M., Zeman, M., & Isabella, O. (2022). Low-breakdown-voltage solar cells for shading-tolerant photovoltaic modules. Cell Reports Physical Science, 3(12), 101155. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.101155

Tył ogniwa BC zawiera wiele przeplatających się obszarów p i n. Pomiędzy tymi obszarami znajduje się wiele krótkich, silnie domieszkowanych złącz PN. Z punktu widzenia obwodu nie zachowuje się już jak pojedyncza duża dioda, ale bardziej jak wiele małych diod połączonych równolegle. Przy polaryzacji zaporowej te rozproszone złącza PN mogą tworzyć bardziej równomierną ścieżkę przewodzenia w kierunku zaporowym.

Ponieważ te tylne złącza PN są krótkie i lokalnie silnie domieszkowane, mogą wejść w przebicie zaporowe przy stosunkowo niskim napięciu wstecznym.

Oczywiście zależy to od konkretnych parametrów projektowych ogniwa BC.

Na przykład im mniejsza szczelina między obszarem p i n, tym silniejsze pole lokalne i zazwyczaj łatwiej uzyskać niższe napięcie przebicia zaporowego. Może to jednak wiązać się z kompromisami w zakresie prądu upływu i rezystancji bocznikowej. Zatem tolerancja na zacienienie ogniwa BC nie jest stałą wartością. Jest ściśle związana z konkretną strukturą ogniwa, wzorem tylnego projektu, wielkością szczeliny, koncentracją domieszkowania, jakością pasywacji i procesem produkcyjnym.

Dlaczego ogniwa BC tracą mniej mocy przy zacienieniu

Dlaczego ogniwa BC tracą mniej mocy po zacienieniu?

Gdy moduł jest częściowo zacieniony, prąd stringu wpycha zacienione ogniwo w polaryzację zaporową. W miarę pogłębiania się zacienienia całkowite napięcie na tym podstringu ciągle spada.

W tradycyjnych modułach dioda bocznikująca jest zwykle umieszczona równolegle do sekcji stringu. Dioda bocznikująca nie jest aktywnie włączana przez sterownik. Jest urządzeniem pasywnym. To, czy przewodzi, zależy tylko od napięcia na niej. Gdy całkowite napięcie tego podstringu stanie się wystarczająco ujemne, dioda bocznikująca zostaje spolaryzowana w kierunku przewodzenia i włącza się automatycznie.

Warunek włączenia można zapisać jako:

Vpodstring ≤ -Vf

Vpodstring to całkowite napięcie podstringu chronionego przez diodę bocznikującą;

Vf to spadek napięcia w kierunku przewodzenia diody bocznikującej.

Dla podstringu jego całkowite napięcie można rozumieć jako:

Vpodstring = ∑Vniezacienione + ∑Vzacienione

gdzie:

• Niezacienione ogniwa nadal wytwarzają napięcie w kierunku przewodzenia;

• Zacienione ogniwa są spolaryzowane zaporowo i wytwarzają ujemne napięcie.

Warunek załączenia diody bocznikującej można odczytać jako:

∣∑Vzacienione∣ ≥ ∑Vniezacienione + Vf

Innymi słowy:

całkowite napięcie wsteczne zacienionych ogniw musi przekroczyć całkowite napięcie przewodzenia pozostałych niezacienionych ogniw, plus spadek napięcia na diodzie bocznikującej, zanim dioda bocznikująca się załączy.

Zaletą modułów BC jest to, że zanim zewnętrzna dioda bocznikująca w ogóle się załączy, struktura przeplatających się złączy PN na tylnej stronie samego ogniwa BC zapewnia już pewną rozproszoną zdolność przewodzenia w kierunku zaporowym. Działa to trochę jak wbudowana dioda Zenera wewnątrz ogniwa.

Pod polaryzacją zaporową, przeplatające się złącza PN na tylnej stronie ogniwa BC mogą tworzyć rozproszone przewodzenie w kierunku zaporowym przy niższym napięciu, ograniczając dalszy wzrost napięcia wstecznego. Tak więc przy częściowym zacienieniu, gdy zewnętrzna dioda bocznikująca jeszcze się nie załączyła, moduł BC może nadal utrzymywać stosunkowo wysoką moc wyjściową.

Rysunek 2 Charakterystyka IV modułu z jednym zacienionym ogniwem.

Źródło: E. Özkalay, F. Valoti, M. Caccivio, A. Virtuani, G. Friesen, and C. Ballif, "The effect of partial shading on the reliability of photovoltaic modules in the built-environment," EPJ Photovoltaics, vol. 15, p. 7, Jan. 2024, doi: 10.1051/epjpv/2024001. Dostępne: https://doi.org/10.1051/epjpv/2024001

Lepsza tolerancja nie oznacza odporności na zacienienie

Lepsza tolerancja na zacienienie nie oznacza, że ogniwa BC są odporne na zacienienie

Jeden powszechny mit wymaga wyjaśnienia.

Lepsza tolerancja na zacienienie nie oznacza, że ogniwo BC nie jest dotknięte zacienieniem.

Każde ogniwo fotowoltaiczne wytwarza mniej energii po zacienieniu.

Jeśli zacieniony obszar w obrębie jednego podłańcucha jest zbyt duży lub kilka ogniw jest całkowicie zacienionych, całkowite napięcie wsteczne zacienionych ogniw może ostatecznie przekroczyć całkowite napięcie przewodzenia pozostałych niezacienionych ogniw. W tym momencie załącza się zewnętrzna dioda bocznikująca.

Gdy dioda bocznikująca się załączy, prąd omija cały podłańcuch. Niezacienione ogniwa w tym podłańcuchu również są pomijane, a ich wkład w moc wyjściową gwałtownie spada. Tak więc, gdy zacieniony obszar jest duży, przewaga generacyjna modułu BC również słabnie.

Scenariusze, w których moduły BC naprawdę błyszczą, to zazwyczaj:

• Jedno lub kilka ogniw jest częściowo zacienionych;

• Zacieniony obszar w każdym podciągu pozostaje mały;

• Zacienienie jest ukośne, pasmowe lub lokalnie rozproszone;

• Zewnętrzna dioda bypass nie włączyła się w pełni.

Na przykład ukośny cień od słupa energetycznego może pozostawić każdy podciąg z tylko małym zacienionym obszarem. W takim przypadku moduł BC zwykle wykazuje lepszą tolerancję na zacienienie.

Dlaczego moduły BC mają chłodniejsze punkty gorące

Dlaczego moduły BC mają niższe temperatury punktów gorących?

Istnieją głównie dwa powody, dla których moduły BC mają chłodniejsze punkty gorące.

First, the reverse current is more spread out

W przypadku zwykłych ogniw rozkład prądu wstecznego jest często nierównomierny. Przebicie wsteczne może najpierw wystąpić w lokalnych słabych punktach, takich jak:

• Lokalne defekty;

• Krawędzie ogniw;

• Nieprawidłowości metalizacji;

• Mikropęknięcia lub zanieczyszczone obszary;

• Regiony ze słabszą lokalną pasywacją.

Te miejsca działają jak słabe punkty.

Gdy prąd wsteczny skupia się w tych słabych punktach, lokalna gęstość mocy staje się bardzo wysoka, temperatura szybko rośnie i tworzy się wyraźny punkt gorący.

To jak użycie tej samej ilości ciepła na dwóch obiektach:

• Całej metalowej płycie;

• Punkcie wielkości szpilki.

Ten drugi nagrzewa się szybciej, to pewne.

Zatem ryzyko dla zwykłego ogniwa w cieniu nie polega na „równomiernym nagrzewaniu całego ogniwa”, ale na silnym lokalnym nagrzewaniu punktowym.

Ogniwo BC ma wiele przeplatających się złącz PN na swojej tylnej stronie. Przewodzenie wsteczne może łatwiej rozprzestrzeniać się na wiele regionów, zamiast skupiać się w kilku punktach defektów.

Dlatego prąd wsteczny w ogniwie BC rozkłada się bardziej równomiernie, lokalna gęstość mocy pozostaje niższa, a temperatura punktu gorącego również jest niższa.

Po drugie, napięcie przebicia wstecznego jest niższe

Ze wzoru na moc punktu gorącego:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

przy tym samym prądzie niedopasowania, niższe napięcie wsteczne oznacza mniejsze straty mocy.

Dlatego niskie napięcie przebicia wstecznego może działać jako mechanizm ochronny w scenariuszach zacienienia.

Oto prosty przykład.

Załóżmy, że prąd wynosi 10A, a jedna ogniwo jest mocno zacienione.

Jeśli zwykłe ogniwo po zacienieniu osiągnie napięcie wsteczne 15V, moc, którą rozprasza, wynosi w przybliżeniu:

P = 15V × 10A = 150W

Jeśli ogniwo BC ogranicza napięcie wsteczne do około 6V dzięki swojej strukturze, moc, którą rozprasza, wynosi w przybliżeniu:

P = 6V × 10A = 60W

Różnica jest bardzo wyraźna.

Rzeczywista temperatura hot spot zależy od obszaru zacienienia, temperatury otoczenia, prędkości wiatru, obudowy modułu, rozmiaru szkła, konstrukcji ogniwa i metody testowania, więc nie można jej oceniać na podstawie jednej stałej liczby.

Jednak w rzeczywistych testach i doświadczeniach terenowych moduły BC zwykle mają niższe temperatury hot spot niż konwencjonalne. Na przykład niektóre moduły BC utrzymują temperaturę hot spot poniżej około 120 °C, podczas gdy inne typy modułów mogą osiągać 160 °C lub nawet więcej.

Niektóre specjalnie zaprojektowane ogniwa BC osiągają coś w rodzaju „wbudowanej diody bocznikującej wewnątrz ogniwa”. Może to obniżyć temperaturę hot spot do około 90 °C, podczas gdy moduł referencyjny osiąga około 190 °C, co pokazuje, że ten rodzaj rozproszonej konstrukcji przewodzenia wstecznego może znacznie obniżyć temperaturę hot spot.

Czy niższe napięcie przebicia wstecznego jest zawsze lepsze?

Czy niższe napięcie przebicia wstecznego jest zawsze lepsze?

Niekoniecznie.

Niskie napięcie przebicia wstecznego pomaga obniżyć temperaturę hot spot podczas zacienienia, ale może też wiązać się z kompromisami projektowymi.

Jeśli ścieżka przewodzenia wstecznego jest źle zaprojektowana, może zwiększyć upływ prądu i obniżyć rezystancję bocznikową, co pogarsza normalną wydajność ogniwa.

Dlatego wysokowydajne ogniwo BC musi zwykle równoważyć dwa cele:

1. Podczas normalnej pracy: utrzymywać wysoką wydajność, niski upływ prądu i wysoką rezystancję bocznikową;

2. Podczas polaryzacji wstecznej spowodowanej zacienieniem: zapewnić bezpieczne i równomierne przewodzenie wsteczne przy niższym napięciu.

To również powód, dla którego tolerancja na zacienienie różni się między różnymi ogniwami BC.

Niektóre ogniwa BC stawiają na wydajność i mogą budować silniejszą izolację, przez co ich napięcie przebicia wstecznego jest wyższe. Inne stawiają na tolerancję na zacienienie i mogą projektować niższe, bardziej równomierne ścieżki przebicia wstecznego.

Nie można więc po prostu powiedzieć, że „wszystkie ogniwa BC mają taką samą tolerancję na zacienienie”. Bardziej dokładne stwierdzenie to:

dobrze zaprojektowane ogniwo BC może wykorzystać swoją strukturę złącz PN z tylnymi kontaktami przeplatanymi, aby uzyskać niższe i bardziej równomierne przebicie wsteczne, co poprawia tolerancję na zacienienie i punkty gorące.

Podsumowanie zalet ogniw BC

Podsumowanie zalet ogniw BC

Podsumowując, zalety ogniw BC w warunkach zacienienia obejmują głównie:

• Mniejsze straty mocy modułu przy zacienieniu małego obszaru, zanim zewnętrzna dioda bypass się włączy;

• Niższa lokalna gęstość mocy;

• Niższa temperatura punktu gorącego;

• Wyższy margines bezpieczeństwa modułu.

Co to oznacza dla zastosowań modułów

Co to oznacza dla zastosowań modułów?

W rzeczywistym użytkowaniu zacienienia często nie da się całkowicie uniknąć.

Szczególnie w scenariuszach rozproszonych, takich jak:

• Dachy mieszkalne;

• Dachy komercyjne i przemysłowe;

• Fotowoltaika balkonowa;

• BIPV;

• Montaż wielokierunkowy;

• Miejsca otoczone złożonymi budynkami.

W tych zastosowaniach moduły mogą często napotykać lokalne zacienienie.

Jeśli ogniwo ma lepszą tolerancję na zacienienie i niższą temperaturę punktu gorącego, oznacza to:

• Lepsze bezpieczeństwo modułu: niska temperatura punktu gorącego zmniejsza starzenie się kapsułkowania, uszkodzenia folii tylnej, lokalne naprężenia szkła i ryzyko elektryczne.

• Lepsza długoterminowa niezawodność: lokalna wysoka temperatura przyspiesza starzenie się materiałów. Im słabszy punkt gorący, tym bardziej stabilny pozostaje moduł w czasie.

• Bardziej kontrolowane straty mocy: gdy lokalne zacienienie jest nieuniknione, moduł BC może złagodzić część strat mocy.

• Bardziej przyjazny projekt systemu.

Moduły BC lepiej dostosowują się do złożonych dachów, rozproszonych środowisk montażowych i scenariuszy z wieloma zacienieniami.

Podsumowanie

Podsumowanie

Ogniwa BC oferują lepszą tolerancję na zacienienie i niższą temperaturę punktu gorącego, nie dlatego, że „nie są dotknięte zacienieniem”, ale dlatego, że mają przewagę w strukturze i zachowaniu przy polaryzacji zaporowej.

Podczas zacienienia zwykłe ogniwa mogą doświadczać koncentracji przebicia wstecznego w lokalnych punktach defektów, prowadząc do wysokiej lokalnej gęstości mocy i wysokiej temperatury punktu gorącego.

Struktura międzycyfrowych złącz PN typu back-contact w ogniwie BC działa jak rozproszony wbudowany zacisk wsteczny. W warunkach zacienienia może tworzyć przewodzenie wsteczne przy niższym napięciu wstecznym i bardziej równomiernie rozprowadzać prąd wsteczny, co obniża zarówno moc, jak i temperaturę punktu gorącego.

Ale pamiętaj, ogniwa BC nie są całkowicie odporne na zacienienie. Gdy zacieniony obszar jest zbyt duży, kilka ogniw jest całkowicie zacienionych, a napięcie podłańcucha staje się wystarczająco ujemne, zewnętrzna dioda bypass włącza się. Wtedy moc wyjściowa ominiętego podłańcucha wyraźnie spada.

Więc bardziej precyzyjne stwierdzenie:

zaletą ogniwa BC nie jest wyeliminowanie efektu zacienienia, ale uczynienie tego efektu bardziej kontrolowanym. Przy zacienieniu małego obszaru zmniejsza straty mocy; przy silnym zacienieniu obniża ryzyko wystąpienia punktu gorącego.

To jest podstawowy powód, dla którego ogniwa BC mają przewagę w złożonych środowiskach zacienienia.

Opinia Ooitech

Interesujące jest to, że tolerancja na zacienienie to nie tylko kwestia konstrukcji ogniwa, ale także zależy od tego, jak konsekwentnie ten międzycyfrowy wzór back-contact jest odtwarzany w każdym ogniwie w linii produkcyjnej. Małe odchylenia w metalizacji, wielkości szczelin czy jakości pasywacji mogą zmienić opisane właśnie zachowanie przebicia wstecznego, dlatego kontrola procesu na liniach modułów BC jest równie ważna jak receptura ogniwa. Ooitech spędził lata na budowaniu kompleksowych linii produkcyjnych modułów dla TOPCon, HPBC, ABC i innych typów modułów BC, więc uważnie obserwujemy te okna procesowe dla kontaktów tylnych. Jeśli chcesz zobaczyć, jak te moduły są faktycznie budowane na hali produkcyjnej, nasz kanał YouTube na www.youtube.com/ooitech ma wiele materiałów z rzeczywistych linii produkcyjnych, które warto obejrzeć.