Varför erbjuder BC-solceller bättre skuggtolerans och lägre hot-spot-temperatur?

Produktintroduktion

Skuggning är ett av de vanligaste problemen i verkliga PV-installationer.

Trädskuggor, elledningsstolpar, damm, fågelspillning, snö, till och med ojämna monteringsvinklar kan orsaka partiell skuggning. Skuggning minskar inte bara en moduls effekt, det kan också utlösa ett allvarligare problem: varma punkter.

På senare tid har BC-solceller väckt stor uppmärksamhet inom distribuerade takinstallationer, balkong-PV och premiummoduler. En stor anledning: BC-celler hanterar vanligtvis skuggning bättre, och de blir svalare under skuggning.

På SNEC ser man ofta leverantörer skugga en del av en cell och sedan visa upp skuggtoleransen hos sina BC-produkter genom att se hur högt en vattenpump kan spruta.

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

Låt oss försöka förklara det på ett enkelt sätt.

Varför orsakar skuggning varma punkter?

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

Seriekopplingar har en viktig egenskap: strömmen måste vara densamma överallt.

Det innebär att strömmen genom hela strängen bestäms av seriekopplingen tillsammans. När varje cell får fullt ljus genererar var och en ström och de beter sig ganska konsekvent.

Men om en cell blir skuggad minskar den fotogenererade ström den kan producera. Om strängen fortfarande måste driva en större ström genom sig, kan den skuggade cellen tvingas till omvänd polaritet av de andra oskuggade cellerna. Vid den punkten slutar den vara en generator och blir en strömförbrukande komponent.

Vid partiell skuggning är den skuggade cellen inte helt död. Den oskuggade delen producerar fortfarande en del fotoström. Så det som faktiskt måste flyta genom backspänningsgenombrottsvägen, läckvägen eller bypassvägen är inte hela strängströmmen, utan skillnaden mellan strängströmmen och den ström som cellen fortfarande kan producera.

Vi kan kalla denna skillnad för mismatchströmmen:

Imismatch = Istring - Igenerate

Så hotspot-värmekraften kan ungefär skrivas som:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

vilket är:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)

Denna formel pekar på en nyckelfråga: vid samma strängström, desto högre backspänning, desto mer effekt bränner den skuggade cellen, och desto varmare blir hotspoten.

Så en nyckel för att bekämpa hotspots är:

hur man sänker backspänningen över den skuggade cellen och sprider värmen jämnare.

Det är precis här BC-celler utmärker sig.

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

Vanliga kristallina kiselceller har vanligtvis en fram- och bakkontaktstruktur.

Enkelt uttryckt:

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

• strömmen, när den väl genererats inuti cellen, samlas upp av fram- och bakelektroderna.

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

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

Det ger två direkta fördelar:

1. ingen gridline-skuggning på framsidan, så en större ljusmottagande yta;

2. bakelektroderna kan göras interdigiterade, så strömuppsamlingen blir mer enhetlig.

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 har många sammanflätade p- och n-områden. Mellan dessa områden 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 mer enhetlig backledningsväg.

Samtidigt, eftersom dessa bakre PN-övergångar är korta och lokalt kraftigt dopade, kan de gå i backspänningsgenombrott vid en relativt låg backspänning.

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

Till exempel, ju mindre gapet mellan p- och n-regionerna är, desto starkare blir det lokala fältet, och desto lättare är det vanligtvis att få en lägre genombrottsspänning i backriktningen. Men det kan också medföra avvägningar när det gäller läckström och shuntresistans. Så en BC-cells skuggtolerans är inte ett fast tal, den är tätt knuten till cellstrukturen, bakmönsterdesignen, gapstorleken, dopningskoncentrationen, passiveringskvaliteten och tillverkningsprocessen.

Varför förlorar BC-moduler mindre effekt efter skuggning?

När en modul delvis skuggas, trycks den skuggade cellen in i backspänning av strängströmmen. När skuggningen blir värre, sjunker den totala spänningen för den delen av strängen kontinuerligt.

I traditionella moduler är en bypass-diod vanligtvis parallellkopplad över en sektion av strängen. Bypass-dioden slås inte aktivt på av en styrenhet. Den är en passiv komponent. Om den leder beror endast på spänningen över den. När den totala spänningen för den strängsektionen blir tillräckligt negativ, blir bypass-dioden framspänd och slår på av sig själv.

Påslagningstillståndet kan skrivas som:

Vdelsträng ≤ -Vf

Vsubstring är den totala spänningen för den strängsektion som skyddas av bypass-dioden;

Vf är framspänningsfallet för bypass-dioden.

För en strängsektion kan dess totala spänning förstås som:

Vdelsträng = ∑Voskuggad + ∑Vskuggad

där:

• oskuggade celler producerar fortfarande en positiv spänning;

• skuggade celler är backspända och producerar en negativ spänning.

Bypass-diodens tändningsvillkor kan läsas som:

∣∑Vskuggad∣ ≥ ∑Voskuggad + Vf

Med andra ord:

summan av backspänningarna för de skuggade cellerna måste överstiga summan av framspänningarna för de återstående oskuggade cellerna, plus bypass-diodens tröskelspänning, innan bypass-dioden aktiveras.

Fördelen med en BC-modul är att innan den externa bypass-dioden ens slår på, ger BC-cellens egen bakre interdigiterade PN-övergångsstruktur redan en distribuerad backledning. Detta beter sig lite som en zenerdiod inbyggd i cellen.

Under backspänning kan den interdigiterade PN-övergångsstrukturen på baksidan av en BC-cell bilda distribuerad backledning vid en lägre spänning, vilket begränsar hur högt backspänningen kan stiga. Så under partiell skuggning, med den externa bypass-dioden ännu inte aktiverad, kan en BC-modul fortfarande hålla en ganska hög uteffekt.

Figur 2 Modulens IV-kurva när en cell är skuggad.

Källa: 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. Tillgänglig: https://doi.org/10.1051/epjpv/2024001

Bättre skuggtolerans betyder inte immunitet mot skuggning

En vanlig missuppfattning måste klargöras.

BC-celler tolererar skuggning bättre, men det betyder inte att skuggning inte har någon effekt på dem.

Alla solceller producerar mindre effekt när de skuggas.

Om det skuggade området inom en delsträng är för stort, eller om flera celler är helt skuggade, kan den totala backspänningen över de skuggade cellerna till slut överstiga den totala framspänningen över de återstående oskuggade cellerna. Vid den punkten slår den externa bypass-dioden på.

När bypass-dioden slår på, leds strömmen förbi hela denna strängsektion. De oskuggade cellerna i denna delsträng kopplas förbi tillsammans med de skuggade, och deras bidrag till uteffekten minskar märkbart. Så när det skuggade området är stort, försvagas även BC-modulens generationsfördel.

BC-moduler har oftast övertaget när:

• en enskild cell eller några få celler är delvis skuggade;

• det skuggade området inom varje delsträng är litet;

• skuggningen är diagonal, randliknande eller lokalt spridd;

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

Till exempel kan en diagonal skugga från en elledningsstolpe lämna varje delsträng med endast ett litet skuggat område. I så fall visar en BC-modul vanligtvis bättre skuggtolerant generation.

Varför blir BC-moduler svalare vid varma punkter?

BC-moduler har lägre temperaturer vid varma punkter främst av två anledningar.

För det första är backströmmen mer utspridd

I vanliga celler är backströmsfördelningen ofta ojämn. Backnedbrytning tenderar att ske först på lokala svaga punkter, såsom:

• lokala defektställen;

• cellkanter;

• onormala metalliseringsområden;

• mikrosprickor eller kontaminerade områden;

• områden med svag 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 värma två föremål med samma mängd värme:

• en hel metallplatta;

• en punktstor prick.

Den senare värms upp snabbare, ingen tvekan.

Så en vanlig cells risk under skuggning är inte 'jämn uppvärmning över hela cellen', det är intensiv lokal punktuppvärmning.

En BC-cell har många interdigiterade PN-övergångar på baksidan. Omvänd ledning kan spridas lättare över många regioner istället för att hopa sig på några få defektpunkter.

Så en BC-cells omvända strömfördelning är mer enhetlig, den lokala effekttätheten är lägre, och hotspot-temperaturen är också lägre.

För det andra är backnedbrytningsspänningen lägre

Du kan se det från hotspot-effektformeln:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

Vid samma obalansström, desto lägre omvänd spänning, desto mindre värmeeffekt.

Det är därför en låg omvänd genombrottsspänning faktiskt kan fungera som en skyddsmekanism vid skuggning.

Här är ett enkelt exempel.

Säg att modulsträngsströmmen är 10 A, och en cell är kraftigt skuggad.

Om en vanlig cell når en omvänd spänning på 15 V efter skuggning, är effekten den bränner ungefär:

P = 15V × 10A = 150W

Om en BC-cell klämmer på grund av sin bakstruktur och den omvända spänningen begränsas till cirka 6 V, är effekten den bränner ungefär:

P = 6V × 10A = 60W

Skillnaden är slående.

Naturligtvis beror den verkliga hotspot-temperaturen på skuggat område, omgivningstemperatur, vindhastighet, modulinkapsling, glasstorlek, celldesign och testmetod, så du kan inte bedöma det med ett enda fast tal.

Ändå, i vissa verkliga tester och fälterfarenheter, kör BC-moduler vanligtvis svalare vid hotspots 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", vilket sänker hotspot-temperaturen till cirka 90 °C medan en referensmodul ligger nära 190 °C, vilket visar att denna distribuerade omvända ledningsdesign kan minska hotspot-temperaturen avsevärt.

Är en lägre backspänning alltid bättre?

Inte nödvändigtvis.

En låg omvänd genombrottsspänning 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 verkningsgrad, låg läckström och hög shuntresistans;

2. under omvänd spänning från skuggning, bilda säker, enhetlig omvänd ledning vid låg spänning.

Det är också därför olika BC-celler varierar i skuggningsprestanda.

Vissa BC-celler lutar åt verkningsgrad, så de kan isolera starkare och sluta med en högre omvänd genombrottsspänning. Andra lutar åt skuggtolerans, så de kan designa lägre, mer enhetliga omvända genombrottsvägar.

Så du kan inte bara säga "alla BC-celler tolererar skuggning likadant". Ett mer korrekt påstående är:

En väldesignad BC-cell kan uppnå lägre, mer enhetlig omvänd nedbrytning genom sin bakre interdigiterade PN-övergångsstruktur, vilket förbättrar skuggtolerans och hot-spot-tolerans.

Sammanfattning av BC-cellens fördelar

Sammanfattningsvis inkluderar en BC-cells fördelar vid skuggning främst:

• mindre modul-effektförlust vid små skuggområden, innan den externa bypass-dioden slår på;

• lägre lokal effekttäthet;

• lägre hot-spot-temperatur;

• högre modulsäkerhetsmarginal.

Vad innebär detta för modultillämpningar?

I praktiken kan skuggning ofta inte helt undvikas.

Särskilt i distribuerade scenarier, såsom:

• bostadstak;

• kommersiella och industriella tak;

• balkong-PV;

• BIPV;

• flerriktningsmontering;

• platser med komplexa omgivande byggnader.

I dessa tillämpningar kan moduler ofta bli delvis skuggade.

Om en cell tolererar skuggning bättre och blir svalare vid hot spots innebär det:

• Bättre modulsäkerhet: lägre hot-spot-temperatur minskar inkapslingsmedelsåldring, bakskade-skada, 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 generationsförlust: när partiell 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 scenarier med flera skuggningar.

Avslutning

BC-celler tolererar skuggning bättre och blir svalare vid hot spots, främst inte för att de 'inte påverkas av skuggning', utan för att de har fördelar i struktur och omvänd spänningsbeteende.

Med en vanlig cell under skuggning kan omvänd nedbrytning koncentreras till lokala defektpunkter, vilket driver hög lokal effekttäthet och hög hot-spot-temperatur.

Den bakre interdigiterade PN-övergångsstrukturen hos en BC-cell fungerar som en distribuerad, inbyggd omvänd klämma. Under skuggning kan den bilda omvänd ledning vid en lägre omvänd spänning och sprida den omvända strömmen mer jämnt, vilket sänker hot-spot-effekten och hot-spot-temperaturen.

Men kom ihåg, BC-celler är inte helt skuggsäkra. 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 tidpunkten sjunker den bypassade delsträngens uteffekt märkbart.

Så mer exakt:

En BC-cells fördel är inte att eliminera skuggeffekter, utan att göra dem mer kontrollerbara. Vid små skuggområden kan den minska effektförlusten; vid kraftig skuggning kan den minska risken för varma punkter.

Det är den grundläggande anledningen till att BC-celler presterar bättre i komplexa skuggningsmiljöer.

Ooitechs syn

Vad som verkligen slår oss här är att BC:s skuggningsfördel ligger i bakkontaktmetalliseringssteget, inte i något magiskt material, vilket innebär att modullinjen måste hålla snäva toleranser på det interdigiterade mönstret för att faktiskt uppnå det låga, jämna genombrottet. På en produktionslinje har vi sett samma fysik spela ut i EL- och varmpunktsprovning, där ojämn bakmönstring visar sig som spridda genombrottspunkter långt innan modulen någonsin ser en skugga. Om du gillar den här typen av nedbrytning av vad som händer mellan cellen och en färdig modul, har vår YouTube-kanal på www.youtube.com/ooitech mer från insidan av riktiga solfabriker.