Varför BC-solceller hanterar skuggning bättre

Snabbt svar: Baksideskontaktade solceller hanterar partiell skuggning bättre än framsideskontaktade celler eftersom båda polaritetskontakterna sitter på baksidan, vilket förändrar hur strömmen omfördelas när en del av modulen är skuggad. I en framsideskontaktad modul kan en skuggad cell tvingas in i backspänning och avge effekt som värme; celltemperaturen kan stiga mot 120 °C till 160 °C vid den skuggade övergången medan den omgivande modulen håller sig nära 90 °C. Den bakre övergångsgeometrin hos BC-celler minskar den backspänningspåfrestning en skuggad cell utsätts för och sprider förlusten över en kortare ledningsväg. Fördelen är verklig men begränsad: BC-celler behöver fortfarande förbikopplingsdioder och förlorar fortfarande uteffekt när de skuggas. Det som förändras är hur mycket värme den skuggade cellen måste absorbera innan dioden leder, vilket är det som avgör om en skuggningshändelse är en tillfällig uteffektförlust eller en permanent defekt.

PV-modultillverkning · av Jerry, Ooitech

Introduktion

För vad en hot spot gör med inkapslingsmaterialet, backsheet, glas och sammankopplingar — och varför temperatur är en säkerhetsmarginal snarare än bara en prestandasiffra — se solpanelers hotspots, varför temperaturen spelar roll och vad värmen skadar.

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

Trädskuggor, elstolpar, damm, fågelspillning, snö, till och med något inkonsekventa modulmonteringsvinklar kan alla orsaka partiell skuggning. Skuggning sänker inte bara moduleffekten, den kan också utlösa ett allvarligare problem: hot spots.

Under de senaste åren har BC-solceller fått allt mer uppmärksamhet i distribuerade tak-, balkong-PV- och premiummoduler. En viktig anledning är detta: BC-solceller erbjuder vanligtvis bättre skuggtolerans, och deras hot spot-temperaturer 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 villkor.

Varför orsakar skuggning hot spots

Varför orsakar skuggning hot spots?

Celler inuti en PV-modul är vanligtvis kopplade i serie.

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 kraft och de sitter alla i ett ganska konsekvent tillstånd.

Men om en cell blir skuggad, sjunker den fotogenererade strömmen den kan producera. Om hela strängen fortfarande behöver bära en stor ström, kan den skuggade cellen tryckas in i omvänd förspänning av de andra oskuggade cellerna. Vid den tidpunkten slutar den att 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 backspänningsnedbrytningsvägen, läckvägen eller bypassvägen är inte hela strängströmmen, utan skillnaden mellan strängströmmen och den ström som cellen fortfarande kan producera.

Denna skillnad kan kallas för mismatchströmmen:

Imismatch = Isträng - Igenerera

Så hot spot-effektförlusten kan ungefär skrivas som:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

vilket är:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Isträng - Igenerera)

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

Så en av nycklarna till att motstå hot spots 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 strukturellt

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

Vanliga kristallina kiselceller använder vanligtvis en kontaktstruktur med fram- och baksida.

Enkelt uttryckt:

• Framsidan har fina gridlines och busbars, och ljus kommer in från framsidan;

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

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

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

Det ger två direkta fördelar:

1. Ingen gridline-skuggning på framsidan, så mer ljusmottagningsyta;

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 en kretssynpunkt beter den sig inte längre som en enda stor diod, utan mer som många små dioder parallellkopplade. 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 in i backgenombrott vid en relativt låg backspänning.

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

Till exempel, ju mindre gapet mellan p-regionen och n-regionen är, desto starkare är det lokala fältet, och vanligtvis är det lättare att bilda en lägre backgenombrottsspänning. Men det kan också medföra avvägningar i läckström och shuntresistans. Så skuggtoleransen hos 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 till backspänning. När skuggningen förvärras, fortsätter den totala spänningen över den delsträngen att sjunka.

I traditionella moduler placeras vanligtvis en bypass-diod parallellt över en sektion av strängen. Bypass-dioden aktiveras inte aktivt av en styrenhet. Den är en passiv enhet. Huruvida den leder beror endast på spänningen över den. När den totala spänningen för den delsträngen blir tillräckligt negativ, blir bypass-dioden framspänd och slås på automatiskt.

Tändningsvillkoret kan skrivas som:

Vdelsträng ≤ -Vf

Vdelsträng är den totala spänningen för den delsträng som skyddas av bypass-dioden;

Vf är framspänningsfallet för bypass-dioden.

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 över de skuggade cellerna måste överstiga den totala framspänningen över de återstående oskuggade cellerna, plus framspänningsfallet över bypassdioden, innan bypassdioden leder.

Fördelen med BC-moduler är att innan den externa bypassdioden ens börjar leda, ger den interdigiterade bakre PN-övergångsstrukturen i själva BC-cellen redan en viss distribuerad backledningsförmåga. Detta fungerar lite som en inbyggd zenerdiod i cellen.

Under backspänning kan de interdigiterade bakre PN-övergångarna i en BC-cell bilda distribuerad backledning vid en lägre spänning, vilket begränsar ytterligare ökning av backspänningen. Så vid partiell skuggning, när den externa bypassdioden ännu inte har börjat leda, 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 behöver klargöras.

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

Alla solceller producerar mindre effekt när de är skuggade.

Om det skuggade området inom en delsträng blir för stort, eller om flera celler är helt skuggade, kan den totala backspänningen över de skuggade cellerna fortfarande så småningom överstiga den totala framspänningen över de återstående oskuggade cellerna. Vid den tidpunkten börjar den externa bypassdioden leda.

När bypassdioden väl börjar leda, leds strömmen runt hela den delsträngen. De oskuggade cellerna i den delsträngen kringgås också, och deras bidrag till uteffekten sjunker kraftigt. Så när det skuggade området är stort, försvagas även generationsfördelen hos en BC-modul.

De scenarier där BC-moduler verkligen lyser är vanligtvis:

• En cell eller några få celler får partiell skuggning;

• Det skuggade området i varje delsträng förblir litet;

• Skuggningen är diagonal, remsformad eller lokalt spridd;

• Den externa bypassdioden har inte lett fullt ut.

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

Varför BC-moduler har svalare varma fläckar

Varför har BC-moduler lägre temperaturer på varma fläckar?

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

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 ställen fungerar som svaga punkter.

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

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

• En hel metallplatta;

• En punktstor fläck.

Det 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 interdigiterade PN-övergångar på baksidan. Backledning kan spridas lättare över flera regioner istället för att koncentreras vid några få defektpunkter.

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

För det andra är backnedbrytningsspänningen lägre

Från formeln för varm fläck-effekt:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

vid samma felström 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 strängströmmen är 10A och en cell blir kraftigt skuggad.

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

P = 15V × 10A = 150W

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

P = 6V × 10A = 60W

Skillnaden är mycket tydlig.

Verklig hotspot-temperatur beror på skuggad area, omgivningstemperatur, vindhastighet, modulinkapsling, 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 designad kan den öka läckaget och sänka shuntresistansen, vilket skadar cellens normala genereringsprestanda.

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

1. Under normal drift, bibehåll hög effektivitet, lågt läckage och hög shuntresistans;

2. Under skuggning med backspänning, bilda en säker och jämn backledning vid lägre spänning.

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

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

Så du kan inte helt enkelt 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 backspänning, och det förbättrar skugg- och hotspot-toleransen.

BC-cellens fördelar sammanfattade

BC-cells fördelar sammanfattade

Sammantaget inkluderar fördelarna med BC-celler under skuggning främst:

• Mindre modulförlust vid små skuggområden, innan den externa bypass-dioden aktiveras;

• Lägre lokal effekttäthet;

• Lägre hot spot-temperatur;

• Högre säkerhetsmarginal för modulen.

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;

• Balkongsolceller;

• BIPV;

• Montering i flera riktningar;

• Platser omgivna av komplexa byggnader.

I dessa tillämpningar kan moduler ofta utsättas för lokal skuggning.

Om en cell har bättre skuggtolerans och lägre hot spot-temperatur innebär det:

• Bättre modulsäkerhet: låg hetpunktstemperatur minskar inkapslingens åldrande, bakplåt skador, lokal glasstress och elektrisk risk.

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

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

• Vänligare systemdesign.

BC-moduler anpassar sig bättre till komplexa tak, distribuerade monteringsmiljöer och scenarier med flera skuggningar.

Sammanfattning

Sammanfattning

BC-celler erbjuder bättre skuggtolerans och lägre hot spot-temperatur, inte för att de "inte påverkas av skuggning", utan för att de har fördelar i struktur och backspänningsbeteende.

Under skuggning kan vanliga celler uppleva att backnedbrytning koncentreras vid lokala defektpunkter, vilket leder till hög lokal effekttäthet och hög hot spot-temperatur.

Den interdigiterade bakre PN-övergångsstrukturen hos en BC-cell fungerar som en distribuerad inbyggd backspänningsklämma. Under skuggning kan den bilda backledning vid lägre backspänning och fördela backströmmen jämnare, vilket sänker både hot spot-effekt och hot spot-temperatur.

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, slås den externa bypass-dioden fortfarande på. Vid den punkten sjunker den förbikopplade delsträngens uteffekt 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 skuggning av liten yta minskar den effektförlusten; vid kraftig skuggning minskar den risken för varma punkter.

Det är den grundläggande anledningen till att BC-celler har en fördel i komplexa skuggningsmiljöer.

Ooitechs syn

Det intressanta här är att skuggtolerans inte bara är ett val av celldesign, det beror också på hur konsekvent det interdigiterade bakmönstret reproduceras över varje cell i en linje. Små avvikelser i metallisering, gapstorlek eller passiveringskvalitet kan förändra det omvända genombrottsbeteende vi just beskrev, vilket är varför processkontroll på BC-modullinjer är lika viktigt som cellreceptet. Ooitech har i många år byggt kompletta modulproduktionslinjer för TOPCon, HPBC, ABC och andra BC-typmoduler, så vi följer dessa bakkontaktprocessfönster noggrant. Om du vill se hur dessa moduler faktiskt byggs på fabriksgolvet, vår YouTube-kanal på www.youtube.com/ooitech har mycket riktig produktionslinjefilm värd att titta på.