Wprowadzenie produktu

Zacienienie to jeden z najczęstszych problemów w rzeczywistych instalacjach fotowoltaicznych.

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

Ostatnio ogniwa słoneczne BC przyciągają dużą uwagę w rozproszonych instalacjach dachowych, balkonowych i modułach premium. Jednym z głównych powodów: Ogniwa BC zazwyczaj lepiej radzą sobie z zacienieniem i działają przy niższych temperaturach gorących punktów w warunkach zacienienia.

Na targach SNEC często można zobaczyć, jak wystawcy zacieniają część ogniwa, a następnie demonstrują tolerancję na zacienienie swoich produktów BC, obserwując, jak wysoko może tryskać pompa wodna.

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

Spróbujmy to wyjaśnić prostym językiem.

Dlaczego zacienienie powoduje gorące punkty?

Ogniwa w module fotowoltaicznym są zwykle połączone szeregowo.

Obwody szeregowe mają jedną kluczową cechę: prąd musi być wszędzie taki sam.

Oznacza to, że prąd płynący przez cały łańcuch jest ustalany przez pętlę szeregową. Gdy każde ogniwo otrzymuje pełne światło, każde generuje energię i wszystkie zachowują się dość spójnie.

Ale jeśli jedno ogniwo zostanie zacienione, prąd fotogenerowany, który może wytworzyć, spada. Jeśli łańcuch nadal musi przepuszczać większy prąd, to zacienione ogniwo może zostać zmuszone do polaryzacji zaporowej przez inne niezacienione ogniwa. W tym momencie przestaje być generatorem i staje się elementem pobierającym energię.

W przypadku częściowego zacienienia, zacieniona ogniwo nie jest całkowicie martwe. Niezacieniona część nadal wytwarza pewien prąd fotoelektryczny. Zatem to, co musi przepływać przez ścieżkę przebicia wstecznego, ścieżkę upływu lub ścieżkę bocznikowania, nie jest pełnym prądem stringu, ale różnicą między prądem stringu a prądem, który to ogniwo może jeszcze wytworzyć.

Tę różnicę możemy nazwać prądem niedopasowania:

Imismatch = Istring - Igenerate

Zatem moc grzewcza gorącego punktu może być z grubsza zapisana jako:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

czyli:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)

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

Zatem jednym z kluczy do walki z gorącymi punktami jest:

jak obniżyć napięcie wsteczne na zacienionym ogniwie i bardziej równomiernie rozłożyć ciepło.

To właśnie w tym miejscu ogniwa BC błyszczą.

Czym ogniwo BC różni się strukturalnie od zwykłego ogniwa?

Zwykłe krzemowe ogniwa krystaliczne mają zazwyczaj strukturę z kontaktami z przodu i z tyłu.

Mówiąc prościej:

• z przodu znajdują się cienkie linie siatki i szyny zbiorcze, a światło wpada od przodu;

• prąd, po wygenerowaniu wewnątrz ogniwa, jest zbierany przez elektrody przednią i tylną.

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

zarówno elektrody dodatnie, jak i ujemne znajdują się z tyłu ogniwa, a przód nie ma metalowych linii siatki.

To przynosi dwie bezpośrednie korzyści:

1. brak zacienienia przez linie siatki z przodu, a więc większa powierzchnia odbierająca światło;

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

Rysunek 1 Schemat struktury 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 ma 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 ono już jak jedna duża dioda, ale bardziej jak wiele małych diod połączonych równolegle. Przy polaryzacji zaporowej te rozproszone złącza PN mogą tworzyć bardziej równomierną ścieżkę przewodzenia wstecznego.

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

Oczywiście zależy to od konkretnych parametrów projektowych ogniwa BC.

Na przykład im mniejsza szczelina między obszarami p i n, tym silniejsze pole lokalne i zazwyczaj łatwiej uzyskać niższe napięcie przebicia wstecznego. Może to jednak wiązać się z kompromisami w zakresie prądu upływu i rezystancji bocznikowej. Zatem tolerancja na zacienienie ogniwa BC nie jest stałą liczbą, ale jest ściśle powiązana ze strukturą ogniwa, wzorem tylnego wzoru, rozmiarem szczeliny, koncentracją domieszek, jakością pasywacji i procesem produkcyjnym.

Dlaczego moduły BC tracą mniej mocy po zacienieniu?

Gdy moduł jest częściowo zacieniony, zacienione ogniwo jest wpychane w polaryzację zaporową przez prąd stringu. W miarę pogarszania się zacienienia, całkowite napięcie tej sekcji stringu stale spada.

W tradycyjnych modułach dioda bypass jest zwykle połączona równolegle z sekcją stringu. Dioda bypass nie jest aktywnie włączana przez sterownik. Jest urządzeniem pasywnym. To, czy przewodzi, zależy tylko od napięcia na niej. Gdy całkowite napięcie tej sekcji stringu stanie się wystarczająco ujemne, dioda bypass zostaje spolaryzowana w kierunku przewodzenia i włącza się sama.

Warunek włączenia można zapisać jako:

Vpodstring ≤ -Vf

Vpodstring to całkowite napięcie sekcji stringu chronionej przez diodę bypass;

Vf to spadek napięcia w kierunku przewodzenia diody bocznikującej.

Dla sekcji stringu jej całkowite napięcie można rozumieć jako:

Vpodstring = ∑Vniezacienione + ∑Vzacienione

gdzie:

• niezacienione ogniwa nadal wytwarzają dodatnie napięcie;

• zacienione ogniwa są spolaryzowane zaporowo i wytwarzają ujemne napięcie.

Warunek załączenia diody bocznikującej można odczytać jako:

∣∑Vzacienione∣ ≥ ∑Vniezacienione + Vf

Innymi słowy:

suma napięć wstecznych zacienionych ogniw musi przekroczyć sumę napięć przewodzenia pozostałych niezacienionych ogniw plus napięcie załączenia diody bypass, zanim dioda bypass zadziała.

Zaletą modułu BC jest to, że zanim zewnętrzna dioda bypass się włączy, własna struktura tylnego, przeplatanego złącza PN ogniwa BC zapewnia już pewne rozproszone przewodzenie wsteczne. Działa to trochę jak wbudowana w ogniwo dioda Zenera.

Pod polaryzacją zaporową, przeplatana struktura złącza PN na tylnej stronie ogniwa BC może tworzyć rozproszone przewodzenie wsteczne przy niższym napięciu, co ogranicza wzrost napięcia wstecznego. Dlatego przy częściowym zacienieniu, gdy zewnętrzna dioda bypass nie jest jeszcze wyzwolona, moduł BC może nadal utrzymywać dość wysoką moc wyjściową.

Rysunek 2 Krzywa IV modułu przy zacienieniu jednego ogniwa.

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 na zacienienie nie oznacza odporności na zacienienie

Jedno powszechne nieporozumienie wymaga wyjaśnienia.

Ogniwa BC lepiej tolerują zacienienie, ale nie oznacza to, że zacienienie nie ma na nie wpływu.

Każde ogniwo PV będzie produkować mniej energii, gdy zostanie zacienione.

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 zewnętrzna dioda bypassu włącza się.

Gdy dioda bypassu się włączy, prąd omija całą tę sekcję łańcucha. Niezacienione ogniwa w tym podłańcuchu są pomijane razem z zacienionymi, a ich wkład w moc wyjściową wyraźnie spada. Zatem gdy zacieniony obszar jest duży, przewaga generacyjna modułu BC również słabnie.

Moduły BC mają przewagę, gdy:

• pojedyncze ogniwo lub kilka ogniw jest częściowo zacienionych;

• zacieniony obszar w każdym podłańcuchu jest mały;

• zacienienie jest ukośne, pasmowe lub lokalnie rozproszone;

• zewnętrzna dioda bypassu nie włączyła się w pełni.

Na przykład ukośny cień od słupa energetycznego może pozostawić w każdym podłańcuchu tylko mały zacieniony obszar. W takim przypadku moduł BC zwykle wykazuje lepszą tolerancję na zacienienie.

Dlaczego moduły BC są chłodniejsze w punktach gorących?

Moduły BC mają niższe temperatury w punktach gorących głównie z dwóch powodów.

Po pierwsze, prąd wsteczny jest bardziej rozproszony

W zwykłych ogniwach rozkład prądu wstecznego jest często nierównomierny. Przebicie wsteczne ma tendencję do występowania najpierw w lokalnych słabych punktach, takich jak:

• lokalne defekty;

• krawędzie ogniw;

• obszary z nieprawidłową metalizacją;

• mikropęknięcia lub zanieczyszczone obszary;

• obszary ze słabą lokalną pasywacją.

Te miejsca działają jak słabe punkty.

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

To jak ogrzewanie dwóch obiektów tą samą ilością ciepła:

• całej metalowej płyty;

• punktu wielkości szpilki.

Ten drugi nagrzewa się szybciej, bez wątpienia.

Zatem ryzyko zwykłego ogniwa w warunkach zacienienia nie polega na "równomiernym nagrzewaniu całego ogniwa", lecz na intensywnym lokalnym nagrzewaniu punktowym..

Komórka BC ma na tylnej stronie wiele przeplatających się złącz PN. Przewodzenie wsteczne może rozprzestrzeniać się łatwiej na wiele obszarów, zamiast skupiać się na kilku punktach defektów.

Dlatego rozkład prądu wstecznego w komórce BC jest bardziej równomierny, lokalna gęstość mocy jest niższa, a temperatura hot-spotu również niższa.

Po drugie, napięcie przebicia wstecznego jest niższe

Widać to ze wzoru na moc hot-spotu:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

Przy tym samym prądzie niedopasowania, im niższe napięcie wsteczne, tym mniejsza moc grzewcza.

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

Oto prosty przykład.

Załóżmy, że prąd stringu modułu wynosi 10A, a jedna komórka jest mocno zacieniona.

Jeśli zwykła komórka osiąga napięcie wsteczne 15V po zacienieniu, moc, którą wydziela, wynosi około:

P = 15V × 10A = 150W

Jeśli komórka BC ogranicza napięcie dzięki swojej tylnej strukturze, a napięcie wsteczne jest ograniczone do około 6V, moc, którą wydziela, wynosi około:

P = 6V × 10A = 60W

Różnica jest uderzająca.

Oczywiście rzeczywista temperatura hot-spotu zależy od zacienionego obszaru, temperatury otoczenia, prędkości wiatru, enkapsulacji modułu, rozmiaru szkła, konstrukcji komórki i metody testowania, więc nie można jej oceniać na podstawie jednej stałej liczby.

Mimo to, w niektórych rzeczywistych testach i doświadczeniach terenowych, moduły BC zwykle mają niższe temperatury hot-spotów niż konwencjonalne. Na przykład, niektóre moduły BC mogą utrzymać temperaturę hot-spotu poniżej około 120 °C, podczas gdy inne typy modułów mogą osiągnąć 160 °C lub nawet więcej.

Niektóre specjalnie zaprojektowane komórki BC osiągają coś w rodzaju „wbudowanej diody bocznikującej”, obniżając temperaturę hot-spotu do około 90 °C, podczas gdy moduł referencyjny osiąga około 190 °C, co pokazuje, że ta konstrukcja z rozproszonym przewodzeniem wstecznym może znacznie obniżyć temperaturę hot-spotu.

Czy niższe napięcie przebicia wstecznego jest zawsze lepsze?

Niekoniecznie.

Niskie napięcie przebicia wstecznego pomaga obniżyć temperaturę hot-spotu w warunkach zacienienia, ale może 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 prąd upływu i wysoką rezystancję bocznikową;

2. pod polaryzacją wsteczną spowodowaną zacienieniem tworzyć bezpieczne, równomierne przewodzenie wsteczne przy niskim napięciu.

Dlatego też różne komórki BC różnią się wydajnością w warunkach zacienienia.

Niektóre komórki BC są nastawione na wydajność, więc mogą silniej izolować i mieć wyższe napięcie przebicia wstecznego. Inne są nastawione na tolerancję zacienienia, więc mogą projektować niższe, bardziej równomierne ścieżki przebicia wstecznego.

Nie można więc po prostu powiedzieć, że „wszystkie komórki BC tolerują zacienienie tak samo”. Bardziej dokładne stwierdzenie to:

dobrze zaprojektowane ogniwo BC może osiągnąć niższe, bardziej równomierne przebicie wsteczne dzięki swojej tylnej, przeplatanej strukturze złącz PN, co poprawia tolerancję na zacienienie i gorące punkty.

Podsumowanie zalet ogniw BC

Podsumowując, zalety ogniwa BC w warunkach zacienienia obejmują głównie:

• mniejszą stratę mocy modułu przy zacienieniu małego obszaru, zanim zewnętrzna dioda bypass się włączy;

• niższą lokalną gęstość mocy;

• niższą temperaturę gorącego punktu;

• wyższy margines bezpieczeństwa modułu.

Co to oznacza dla zastosowań modułów?

W praktyce zacienienia często nie da się całkowicie uniknąć.

Szczególnie w scenariuszach rozproszonych, takich jak:

• dachy mieszkalne;

• dachy komercyjne i przemysłowe;

• balkonowe instalacje PV;

• BIPV;

• montaż wielokierunkowy;

• miejsca złożonego otoczenia budynków.

W tych zastosowaniach moduły mogą często być częściowo zacienione.

Jeśli ogniwo lepiej toleruje zacienienie i działa chłodniej w gorących punktach, oznacza to:

• Lepsze bezpieczeństwo modułu: niższa temperatura gorącego punktu zmniejsza starzenie się kapsułki, uszkodzenia tylnej folii, 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 kontrolowana strata generacji: gdy częściowe zacienienie jest nieuniknione, moduł BC może złagodzić część strat mocy.

• Przyjaźniejszy projekt systemu

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

Podsumowanie

Ogniwa BC lepiej tolerują zacienienie i działają chłodniej w gorących punktach, głównie nie dlatego, że „nie są dotknięte zacienieniem”, ale dlatego, że mają przewagę w strukturze i zachowaniu przy polaryzacji zaporowej.

W zwykłym ogniwie pod zacienieniem przebicie wsteczne może koncentrować się na lokalnych punktach defektów, powodując wysoką lokalną gęstość mocy i wysoką temperaturę gorącego punktu.

Tylna, przeplatana struktura złącz PN ogniwa BC działa jak rozproszony, wbudowany zacisk wsteczny. Pod zacienieniem może tworzyć przewodzenie wsteczne przy niższym napięciu wstecznym i bardziej równomiernie rozprowadzać prąd wsteczny, co obniża moc gorącego punktu i temperaturę gorącego punktu.

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 nadal się włącza. Wtedy moc wyjściowa ominiętego podłańcucha wyraźnie spada.

Więc bardziej precyzyjnie:

Zaletą ogniwa BC nie jest eliminacja efektów zacienienia, ale uczynienie ich bardziej kontrolowanymi. Przy zacienieniu małego obszaru może zmniejszyć straty mocy; przy silnym zacienieniu może obniżyć ryzyko powstawania gorących punktów.

To podstawowy powód, dla którego ogniwa BC radzą sobie lepiej w złożonych środowiskach zacienienia.

Opinia Ooitech

To, co nas tutaj uderza, to fakt, że przewaga BC w zacienieniu leży w etapie metalizacji tylnego kontaktu, a nie w jakimś magicznym materiale, co oznacza, że linia modułów musi utrzymywać wąskie tolerancje wzoru palczastego, aby faktycznie uzyskać to niskie, równomierne napięcie przebicia wstecznego. Na linii produkcyjnej widzieliśmy te same zjawiska fizyczne w testach EL i gorących punktów, gdzie nierównomierne wzorowanie tylnej strony objawia się rozproszonymi punktami przebicia na długo przed tym, zanim moduł zobaczy cień. Jeśli podoba Ci się tego rodzaju analiza tego, co dzieje się między ogniwem a gotowym modułem, nasz kanał YouTube na www.youtube.com/ooitech zawiera więcej z wnętrza prawdziwych fabryk słonecznych.