Introduktion

Skuggning är ett mycket vanligt problem i verkliga PV-installationer.

Trädskuggor, elledningsstolpar, damm, fågelspillning, snö, även något inkonsekventa modulmonteringsvinklar kan orsaka partiell skuggning. Skuggning sänker inte bara moduleffekten, det kan också utlösa ett allvarligare problem: varma punkter.

Under de senaste åren har BC-solceller fått allt mer uppmärksamhet inom distribuerade tak-, balkong-PV och premiummoduler. En viktig anledning är denna: BC-solceller erbjuder vanligtvis bättre skuggtolerans, och deras varmpunkttemperaturer förblir lägre vid skuggning.

På SNEC ser du ofta tillverkare skugga en del av en cellsträng och sedan använda vattenhöjden från en pump för att visa upp skuggtoleransen hos sina BC-produkter.

Så varför har BC-celler denna fördel? Vad är fysiken bakom?

Låt oss försöka förklara det på ganska enkla termer.

Varför skuggning orsakar varma punkter

Varför orsakar skuggning varma punkter?

Celler inuti en PV-modul är vanligtvis seriekopplade.

En seriekrets har en definierande egenskap: strömmen måste vara densamma överallt.

Det betyder att strömmen genom hela strängen bestäms av slingan som helhet. När varje cell får fullt ljus genererar var och en ström och de befinner sig i ett ganska konsekvent tillstånd.

Men om en cell skuggas minskar den fotogenererade ström den kan producera. Om hela strängen fortfarande måste bära en stor ström, kan den skuggade cellen tryckas in i backspänning av de andra oskuggade cellerna. Vid den punkten slutar den vara en strömkälla och blir en strömförbrukare.

Vid partiell skuggning slutar den skuggade cellen inte att generera helt. Dess oskuggade område producerar fortfarande en del fotoström. Så vad som faktiskt måste flöda genom backnedbrytningsvägen, läckvägen eller bypassvägen är inte hela strängströmmen, utan skillnaden mellan strängströmmen och den ström som cellen fortfarande kan producera.

Denna skillnad kan kallas mismatchströmmen:

Imismatch = Istring - Igenerate

Så värmeeffekten från hotspot kan ungefär skrivas som:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

vilket är:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)

Denna formel pekar på en viktig sak: vid samma strängström, desto högre backspänning, desto mer effekt avger den skuggade cellen, och desto varmare blir hotspot.

Så en av nycklarna till att motstå hotspots är:

hur man sänker backspänningen på den skuggade cellen och gör uppvärmningen jämnare.

Det är precis här BC-celler utmärker sig.

Hur BC-celler skiljer sig i struktur

Hur skiljer sig en BC-cell strukturellt från en vanlig cell?

Vanliga kristallina kiselceller använder vanligtvis en fram- och bakkontaktstruktur.

Enkelt uttryckt:

• Framsidan har fina rutnät och samlingsskenor, och ljus kommer in från framsidan;

• Ström genereras inuti cellen och samlas sedan upp genom fram- och bakelektroder.

En BC-cell, som står för Back Contact, har en utmärkande egenskap:

både positiva och negativa elektroder sitter på baksidan av cellen, utan metallrutnät på framsidan.

Det ger två direkta fördelar:

1. Ingen skuggning från rutnät på framsidan, så mer ljusmottagande yta;

2. Bakelektroderna kan byggas i ett interdigiterat mönster, så strömuppsamlingen blir jämnare.

Figur 1 Schematisk bild av BC-cellstruktur.

Källa: 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

Baksidan av en BC-cell bär många sammanflätade p-regioner och n-regioner. Mellan dessa regioner sitter många korta, kraftigt dopade PN-övergångar. Ur ett kretsperspektiv beter den sig inte längre som en enda stor diod, utan mer som många små dioder parallellt. Under backspänning kan dessa distribuerade PN-övergångar bilda en jämnare backledningsväg.

Eftersom dessa bakre PN-övergångar är korta och lokalt kraftigt dopade kan de gå i backgenombrott vid en relativt låg backspänning.

Naturligtvis beror detta på de specifika designparametrarna för BC-cellen.

Till exempel, ju mindre gap mellan p-regionen och n-regionen, desto starkare lokalt fält, och vanligtvis desto lättare att bilda en lägre backgenombrottsspänning. Men det kan också medföra avvägningar i läckström och shuntresistans. Så skuggtoleransen för en BC-cell är inte ett fast värde. Den är nära kopplad till den specifika cellstrukturen, bakmönsterdesignen, gapstorleken, dopningskoncentrationen, passiveringskvaliteten och tillverkningsprocessen.

Varför BC-celler förlorar mindre effekt vid skuggning

Varför förlorar BC-celler mindre effekt efter skuggning?

När en modul delvis skuggas trycker strömmen i strängen den skuggade cellen i backspänning. När skuggningen förvärras sjunker den totala spänningen över den delsträngen kontinuerligt.

I traditionella moduler placeras vanligtvis en bypassdiod parallellt över en sektion av strängen. Bypassdioden slås inte aktivt på av en styrenhet. Det är en passiv komponent. Huruvida den leder beror endast på spänningen över den. När den totala spänningen för den delsträngen blir tillräckligt negativ, blir bypassdioden framspänningspolariserad och slås på automatiskt.

Påslagvillkoret kan skrivas som:

Vdelsträng ≤ -Vf

Vdelsträng är den totala spänningen för den delsträng som skyddas av bypassdioden;

Vf är framspänningsfallet för bypassdioden.

För en delsträng kan dess totala spänning förstås som:

Vdelsträng = ∑Voskuggad + ∑Vskuggad

där:

• Oskuggade celler producerar fortfarande en framspänning;

• Skuggade celler är backspända och producerar en negativ spänning.

Bypass-diodens tändningsvillkor kan läsas som:

∣∑Vskuggad∣ ≥ ∑Voskuggad + Vf

Med andra ord:

den totala backspänningen från de skuggade cellerna måste överstiga den totala framspänningen från de återstående oskuggade cellerna, plus framspänningsfallet över bypass-dioden, innan bypass-dioden tänds.

Fördelen med BC-moduler är att, innan den externa bypass-dioden ens tänds, ger den interdigiterade bakre PN-övergångsstrukturen hos BC-cellen själv redan en viss distribuerad backledningsförmåga. Detta fungerar lite som en inbyggd Zener-diod inuti cellen.

Under backspänning kan de interdigiterade bakre PN-övergångarna hos en BC-cell bilda distribuerad backledning vid en lägre spänning, vilket begränsar ytterligare ökning av backspänningen. Så vid partiell skuggning, när den externa bypass-dioden ännu inte har tänts, kan en BC-modul fortfarande hålla en relativt hög uteffekt.

Figur 2 IV-kurva för modulen med en cell skuggad.

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

Bättre tolerans betyder inte immunitet mot skuggning

Bättre skuggtolerans betyder inte att BC-celler är immuna mot skuggning

En vanlig missuppfattning måste klargöras.

Bättre skuggtolerans betyder inte att en BC-cell är opåverkad av skuggning.

Varje solcell producerar mindre effekt när den är skuggad.

Om det skuggade området inom en delsträng blir för stort, eller flera celler är helt skuggade, kan den totala backspänningen från de skuggade cellerna fortfarande så småningom överstiga den totala framspänningen från de återstående oskuggade cellerna. Vid den tidpunkten tänds den externa bypass-dioden.

När bypass-dioden väl tänds, leds strömmen runt hela den delsträngen. De oskuggade cellerna i den delsträngen kopplas också förbi, och deras bidrag till uteffekten minskar kraftigt. Så när det skuggade området är stort, försvagas även generationsfördelen hos en BC-modul.

Scenarierna där BC-moduler verkligen lyser är vanligtvis:

• En cell eller ett fåtal celler får partiell skuggning;

• Det skuggade området i varje delsträng förblir litet;

• Skuggningen är diagonal, randformad eller lokalt spridd;

• Den externa bypass-dioden har inte slagits på fullt ut.

Till exempel kan en diagonal skugga från en kraftledningsstolpe lämna varje delsträng med endast ett litet skuggat område. I så fall tenderar en BC-modul att visa sin bättre skuggtoleranta generering.

Varför BC-moduler har svalare varma punkter

Varför har BC-moduler lägre temperaturer på varma punkter?

Det finns främst två anledningar till att BC-moduler har svalare varma punkter.

För det första är backströmmen mer utspridd

För vanliga celler är backströmsfördelningen ofta ojämn. Backnedbrytning kan först inträffa på vissa lokala svaga punkter, såsom:

• Lokala defektställen;

• Cellkanter;

• Metalliseringsavvikelser;

• Mikrosprickor eller förorenade områden;

• Områden med svagare lokal passivering.

Dessa punkter fungerar som svaga punkter.

När backströmmen koncentreras till dessa svaga punkter blir den lokala effekttätheten mycket hög, temperaturen stiger snabbt och en tydlig varm punkt bildas.

Det är som att använda samma mängd värme på två objekt:

• En hel metallplatta;

• En nålspetsstor punkt.

Den senare värms upp snabbare, helt klart.

Så risken för en vanlig cell under skuggning är inte 'jämn uppvärmning över hela cellen', utan stark lokal punktuppvärmning.

En BC-cell har många sammanflätade PN-övergångar på baksidan. Backledning kan spridas lättare över flera regioner istället för att koncentreras till några få defektpunkter.

Så backströmmen i en BC-cell fördelas jämnare, den lokala effekttätheten förblir lägre och temperaturen på den varma punkten förblir också lägre.

För det andra är backnedbrytningsspänningen lägre

Från formeln för varm punkts effekt:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

vid samma mismatchström innebär en lägre backspänning mindre effektförlust.

Det är därför en låg backnedbrytningsspänning faktiskt kan fungera som en skyddsmekanism i skuggningsscenarier.

Här är ett enkelt exempel.

Säg att strömmen är 10 A och en cell blir kraftigt skuggad.

Om en vanlig cell når 15 V backspänning efter skuggning, är effekten den avger ungefär:

P = 15 V × 10 A = 150 W

Om en BC-cell begränsar på grund av sin bakre struktur och backspänningen begränsas till cirka 6 V, är effekten den avger ungefär:

P = 6 V × 10 A = 60 W

Skillnaden är mycket tydlig.

Verklig hotspot-temperatur beror på skuggad area, omgivningstemperatur, vindhastighet, modulkapsling, glasstorlek, celldesign och testmetod, så du kan inte bedöma den med ett enda fast värde.

Men i vissa verkliga tester och fälterfarenheter har BC-moduler vanligtvis lägre hotspot-temperaturer än konventionella. Till exempel kan vissa BC-moduler hålla hotspot-temperaturen under cirka 120 °C, medan andra modultyper kan nå 160 °C eller till och med högre.

Vissa specialdesignade BC-celler uppnår något som en "inbyggd bypass-diod inuti cellen." Det kan sänka hotspot-temperaturen till cirka 90 °C medan en referensmodul ligger runt 190 °C, vilket visar att denna typ av distribuerad backledningsdesign kan minska hotspot-temperaturen avsevärt.

Är lägre backspänning alltid bättre?

Är en lägre backspänning alltid bättre?

Inte nödvändigtvis.

En låg backspänning hjälper till att sänka hotspot-temperaturen vid skuggning, men det kan också medföra designavvägningar.

Om backledningsvägen är dåligt utformad kan den öka läckströmmen och minska shuntresistansen, vilket skadar cellens normala genereringsprestanda.

Så en högeffektiv BC-cell måste vanligtvis balansera två mål:

1. Under normal drift: bibehålla hög effektivitet, låg läckström och hög shuntresistans;

2. Under skuggning med backspänning: skapa en säker och jämn backledning vid lägre spänning.

Det är också därför skuggtoleransen varierar mellan olika BC-celler.

Vissa BC-celler lutar åt effektivitet och kan bygga starkare isolering, så deras backspänning blir högre. Andra lutar åt skuggtolerans och kan designa lägre, jämnare backledningsvägar.

Så du kan inte bara säga "alla BC-celler har samma skuggtolerans." Ett mer korrekt sätt att uttrycka det är:

En väldesignad BC-cell kan använda sin interdigiterade bakre PN-övergångsstruktur för att uppnå lägre och jämnare omvänd nedbrytning, vilket förbättrar toleransen mot skuggning och varma punkter.

Sammanfattning av BC-cellens fördelar

Sammanfattning av BC-cellens fördelar

Sammantaget inkluderar fördelarna med BC-celler vid skuggning främst:

• Mindre modulgenereringsförlust vid småområdesskuggning, innan den externa bypass-dioden slår på;

• Lägre lokal effekttäthet;

• Lägre temperatur på varma punkter;

• Högre modulsäkerhetsmarginal.

Vad detta innebär för modultillämpningar

Vad innebär detta för modultillämpningar?

I verklig användning kan skuggning ofta inte helt undvikas.

Särskilt i distribuerade scenarier, såsom:

• Bostadstak;

• Kommersiella och industriella tak;

• Balkong-PV;

• BIPV;

• Flervägsmontering;

• Platser omgivna av komplexa byggnader.

I dessa tillämpningar kan moduler ofta utsättas för lokal skuggning.

Om en cell har bättre skuggtolerans och lägre temperatur på varma punkter innebär det:

• Bättre modulsäkerhet: låg temperatur på varma punkter minskar inkapslingsåldring, skador på bakplåt, lokal glasstress och elektrisk risk.

• Bättre långsiktig tillförlitlighet: lokal hög temperatur påskyndar materialåldring. Ju svagare den varma punkten, desto stabilare förblir modulen över tid.

• Mer kontrollerbar genereringsförlust: när lokal skuggning är oundviklig kan en BC-modul minska en del av effektförlusten.

• Vänligare systemdesign.

BC-moduler anpassar sig bättre till komplexa tak, distribuerade monteringsmiljöer och flerskuggningsscenarier.

Sammanfattning

Sammanfattning

BC-celler erbjuder bättre skuggtolerans och lägre temperatur på varma punkter, inte för att de 'inte påverkas av skuggning', utan för att de har fördelar i struktur och omvänd spänningsbeteende.

Under skuggning kan vanliga celler uppleva omvänd nedbrytning koncentrerad till lokala defektpunkter, vilket leder till hög lokal effekttäthet och hög temperatur på varma punkter.

Den interdigiterade bakre PN-övergångsstrukturen hos en BC-cell fungerar som en distribuerad inbyggd backspänningsklämma. Vid skuggning kan den bilda backledning vid en lägre backspänning och sprida backströmmen jämnare, vilket sänker både hotspot-effekten och hotspot-temperaturen.

Men kom ihåg att BC-celler inte är helt immuna mot skuggning. När det skuggade området är för stort, flera celler är helt skuggade, och delsträngsspänningen blir tillräckligt negativ, slår den externa bypass-dioden fortfarande på. Vid den punkten sjunker utsignalen från den förbikopplade delsträngen märkbart.

Så ett mer korrekt sätt att uttrycka det:

fördelen med en BC-cell är inte att eliminera effekten av skuggning, utan att göra den effekten mer kontrollerbar. Vid små skuggområden minskar den effektförlusten; vid kraftig skuggning minskar den hotspot-risken.

Det är grundorsaken till att BC-celler har en fördel i komplexa skuggningsmiljöer.

Ooitechs syn

Det intressanta här är att skuggtolerans inte bara är ett cellkonstruktionsval, det beror också på hur konsekvent det interdigiterade bakmönstret reproduceras i varje cell i en linje. Små avvikelser i metallisering, gapstorlek eller passiveringskvalitet kan förändra backgenombrottsbeteendet som vi just beskrev, vilket är anledningen till att processkontroll på BC-modullinjer är lika viktig som cellreceptet. Ooitech har under många år byggt nyckelfärdiga modulproduktionslinjer för TOPCon, HPBC, ABC och andra BC-typsmoduler, så vi övervakar dessa bakkontaktprocessfönster noggrant. Om du vill se hur dessa moduler faktiskt byggs på fabriksgolvet, vår YouTube-kanal på www.youtube.com/ooitech har mycket verklig produktionslinjefilm värd att titta på.