Introduzione

L'ombreggiamento è un problema molto comune negli impianti fotovoltaici reali.

Ombre di alberi, pali della luce, polvere, escrementi di uccelli, neve, persino angoli di montaggio dei moduli leggermente disallineati possono causare ombreggiamento parziale. L'ombreggiamento non solo riduce la resa del modulo, ma può anche innescare un problema più serio: punti caldi.

Negli ultimi anni, le celle solari BC hanno attirato sempre più attenzione nei tetti distribuiti, nel fotovoltaico da balcone e nei moduli premium. Una ragione chiave è questa: Le celle solari BC di solito offrono una migliore tolleranza all'ombreggiamento e le temperature dei loro punti caldi rimangono più basse in condizioni di ombreggiamento.

Alla fiera SNEC, spesso vedi i produttori ombreggiare parte di una stringa di celle e poi usare l'altezza dell'acqua di una pompa per mostrare la tolleranza all'ombreggiamento dei loro prodotti BC.

Allora perché le celle BC hanno questo vantaggio? Qual è la fisica dietro?

Proviamo a spiegarlo in termini abbastanza semplici.

Perché l'Ombreggiamento Causa Punti Caldi

Perché l'ombreggiamento causa punti caldi?

Le celle all'interno di un modulo fotovoltaico sono solitamente collegate in serie.

Un circuito in serie ha una caratteristica distintiva: la corrente deve essere la stessa ovunque.

Ciò significa che la corrente attraverso l'intera stringa è determinata dal circuito nel suo insieme. Quando ogni cella riceve piena luce, ciascuna genera energia e tutte si trovano in uno stato abbastanza uniforme.

Ma se una cella viene ombreggiata, la corrente fotogenerata che può produrre diminuisce. Se l'intera stringa deve ancora trasportare una corrente elevata, quella cella ombreggiata può essere spinta in polarizzazione inversa dalle altre celle non ombreggiate. A quel punto smette di essere una fonte di energia e diventa un consumatore di energia.

Per l'ombreggiamento parziale, la cella ombreggiata non smette completamente di generare. La sua area non ombreggiata produce ancora una certa fotocorrente. Quindi ciò che effettivamente deve fluire attraverso il percorso di rottura inversa, il percorso di dispersione o il percorso di bypass non è l'intera corrente della stringa, ma la differenza tra la corrente della stringa e la corrente che quella cella può ancora produrre.

Questa differenza può essere chiamata corrente di disadattamento:

Imismatch = Istring - Igenerate

Quindi la potenza dissipata nel punto caldo può essere approssimativamente scritta come:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

che è:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)

Questa formula indica una cosa chiave: a parità di corrente di stringa, maggiore è la tensione inversa, maggiore è la potenza dissipata dalla cella ombreggiata e più caldo diventa il punto caldo.

Quindi una delle chiavi per resistere ai punti caldi è:

come abbassare la tensione inversa sulla cella ombreggiata e rendere il riscaldamento più uniforme.

Questo è esattamente il punto in cui le celle BC eccellono.

Come le celle BC differiscono nella struttura

In cosa una cella BC è strutturalmente diversa da una cella normale?

Le normali celle in silicio cristallino utilizzano solitamente una struttura a contatto frontale e posteriore.

In parole semplici:

• La parte anteriore ha linee di griglia sottili e barre collettrici, e la luce entra dal davanti;

• La corrente viene generata all'interno della cella e poi raccolta attraverso elettrodi anteriori e posteriori.

Una cella BC, che significa Back Contact, ha una caratteristica distintiva:

sia gli elettrodi positivi che quelli negativi si trovano sul retro della cella, senza linee di griglia metalliche sulla parte anteriore.

Ciò offre due vantaggi diretti:

1. Nessuna ombreggiatura delle linee di griglia sulla parte anteriore, quindi maggiore area di ricezione della luce;

2. Gli elettrodi posteriori possono essere realizzati in un pattern interdigitato, quindi la raccolta di corrente è più uniforme.

Figura 1 Schema della struttura della cella BC.

Fonte: 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

Il retro di una cella BC presenta molte regioni p e n interdigitale. Tra queste regioni si trovano numerose giunzioni PN corte e fortemente drogate. Da un punto di vista circuitale, non si comporta più come un singolo grande diodo, ma piuttosto come molti piccoli diodi in parallelo. In polarizzazione inversa, queste giunzioni PN distribuite possono formare un percorso di conduzione inversa più uniforme.

Poiché queste giunzioni PN posteriori sono corte e localmente fortemente drogate, possono entrare in rottura inversa a una tensione inversa relativamente bassa.

Naturalmente, ciò dipende dai parametri di progettazione specifici della cella BC.

Ad esempio, minore è il gap tra la regione p e la regione n, più forte è il campo locale e di solito è più facile ottenere una tensione di rottura inversa più bassa. Ma ciò può anche comportare compromessi in termini di corrente di perdita e resistenza di shunt. Quindi la tolleranza all'ombreggiamento di una cella BC non è un valore fisso. È strettamente legata alla struttura specifica della cella, al design del pattern posteriore, alla dimensione del gap, alla concentrazione di drogaggio, alla qualità della passivazione e al processo di fabbricazione.

Perché le celle BC perdono meno potenza sotto ombreggiamento

Perché le celle BC perdono meno potenza dopo l'ombreggiamento?

Quando un modulo viene parzialmente ombreggiato, la corrente della stringa spinge la cella ombreggiata in polarizzazione inversa. Con l'aggravarsi dell'ombreggiamento, la tensione totale su quella sottostringa continua a diminuire.

Nei moduli tradizionali, un diodo di bypass è solitamente posto in parallelo a una sezione della stringa. Il diodo di bypass non viene attivato attivamente da un controller. È un dispositivo passivo. La sua conduzione dipende solo dalla tensione ai suoi capi. Quando la tensione totale di quella sottostringa diventa sufficientemente negativa, il diodo di bypass viene polarizzato direttamente e si accende automaticamente.

La condizione di accensione può essere scritta come:

Vsubstring ≤ -Vf

Vsubstring è la tensione totale della sottostringa protetta dal diodo di bypass;

Vf è la caduta di tensione diretta del diodo di bypass.

Per una sottostringa, la sua tensione totale può essere intesa come:

Vsubstring = ∑Vnon ombreggiata + ∑Vombreggiata

dove:

• Le celle non ombreggiate producono ancora una tensione diretta;

• Le celle ombreggiate sono polarizzate inversamente e producono una tensione negativa.

La condizione di attivazione del diodo di bypass può essere letta come:

∣∑Vombraggiate∣ ≥ ∑Vnon ombreggiate + Vf

In altre parole:

la tensione inversa totale delle celle ombreggiate deve superare la tensione diretta totale delle restanti celle non ombreggiate, più la caduta diretta del diodo di bypass, prima che il diodo di bypass si attivi.

Il vantaggio dei moduli BC è che, prima ancora che il diodo di bypass esterno si attivi, la struttura a giunzione PN posteriore interdigitata della cella BC stessa fornisce già una certa capacità di conduzione inversa distribuita. Questo si comporta un po' come un diodo Zener integrato all'interno della cella.

Sotto polarizzazione inversa, le giunzioni PN posteriori interdigitale di una cella BC possono formare una conduzione inversa distribuita a una tensione inferiore, limitando un ulteriore aumento della tensione inversa. Quindi, in condizioni di ombreggiamento parziale, quando il diodo di bypass esterno non si è ancora attivato, un modulo BC può comunque mantenere una potenza in uscita relativamente elevata.

Figura 2 Curva IV del modulo con una cella ombreggiata.

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

Migliore tolleranza non significa immunità all'ombreggiamento

Una migliore tolleranza all'ombreggiamento non significa che le celle BC siano immuni all'ombreggiamento

Un equivoco comune va chiarito.

Una migliore tolleranza all'ombreggiamento non significa che una cella BC non sia influenzata dall'ombreggiamento.

Qualsiasi cella fotovoltaica produce meno energia una volta ombreggiata.

Se l'area ombreggiata all'interno di una sottostringa diventa troppo grande, o più celle sono completamente ombreggiate, allora la tensione inversa totale delle celle ombreggiate può comunque eventualmente superare la tensione diretta totale delle restanti celle non ombreggiate. A quel punto il diodo di bypass esterno si attiva.

Una volta che il diodo di bypass si attiva, la corrente aggira l'intera sottostringa. Anche le celle non ombreggiate in quella sottostringa vengono bypassate e il loro contributo alla potenza in uscita diminuisce drasticamente. Quindi, quando l'area ombreggiata è grande, anche il vantaggio di generazione di un modulo BC si riduce.

Gli scenari in cui i moduli BC brillano davvero sono solitamente:

• Una cella o poche celle ricevono un ombreggiamento parziale;

• L'area ombreggiata in ogni sottostringa rimane piccola;

• L'ombreggiatura è diagonale, a strisce o localmente sparsa;

• Il diodo di bypass esterno non si è completamente acceso.

Ad esempio, un'ombra diagonale da un palo della luce potrebbe lasciare ogni sottostringa con solo una piccola area ombreggiata. In tal caso, un modulo BC tende a mostrare una migliore generazione tollerante all'ombreggiatura.

Perché i moduli BC hanno punti caldi più freddi

Perché i moduli BC hanno temperature dei punti caldi più basse?

Ci sono principalmente due ragioni per cui i moduli BC hanno punti caldi più freddi.

First, the reverse current is more spread out

Per le celle ordinarie, la distribuzione della corrente inversa è spesso non uniforme. La rottura inversa può verificarsi prima in alcuni punti deboli locali, come:

• Siti di difetti locali;

• Bordi della cella;

• Anomalie di metallizzazione;

• Microfratture o aree contaminate;

• Regioni con passivazione locale più debole.

Questi punti agiscono come punti deboli.

Una volta che la corrente inversa si concentra in questi punti deboli, la densità di potenza locale diventa molto alta, la temperatura sale rapidamente e si forma un punto caldo evidente.

È come usare la stessa quantità di calore su due oggetti:

• Un'intera piastra metallica;

• Un punto delle dimensioni di una capocchia di spillo.

Quest'ultimo si riscalda più velocemente di sicuro.

Quindi il rischio per una cella ordinaria sotto ombreggiatura non è 'riscaldamento uniforme su tutta la cella', ma un forte riscaldamento puntuale locale.

Una cella BC ha molte giunzioni PN interdigitale sul retro. La conduzione inversa può diffondersi più facilmente su più regioni invece di concentrarsi in pochi punti di difetto.

Quindi la corrente inversa in una cella BC si distribuisce più uniformemente, la densità di potenza locale rimane più bassa e anche la temperatura del punto caldo rimane più bassa.

Secondo, la tensione di rottura inversa è più bassa

Dalla formula della potenza del punto caldo:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

alla stessa corrente di disadattamento, una tensione inversa più bassa significa minore dissipazione di potenza.

Ecco perché una bassa tensione di rottura inversa può effettivamente fungere da meccanismo di protezione in scenari di ombreggiatura.

Ecco un semplice esempio.

Supponiamo che la corrente di stringa sia 10A e una cella venga fortemente ombreggiata.

Se una cella ordinaria raggiunge 15V di tensione inversa dopo l'ombreggiamento, la potenza che dissipa è approssimativamente:

P = 15V × 10A = 150W

Se una cella BC si blocca grazie alla sua struttura posteriore e la tensione inversa è limitata a circa 6V, la potenza che dissipa è approssimativamente:

P = 6V × 10A = 60W

La differenza è molto chiara.

La temperatura reale del punto caldo dipende dall'area ombreggiata, dalla temperatura ambiente, dalla velocità del vento, dall'incapsulamento del modulo, dalle dimensioni del vetro, dal design della cella e dal metodo di test, quindi non si può giudicare con un singolo numero fisso.

Ma in alcuni test reali e esperienze sul campo, i moduli BC di solito hanno temperature del punto caldo inferiori rispetto a quelli convenzionali. Ad esempio, alcuni moduli BC possono mantenere la temperatura del punto caldo sotto circa 120 °C, mentre altri tipi di moduli possono raggiungere 160 °C o anche di più.

Alcune celle BC appositamente progettate ottengono una sorta di "diodo di bypass integrato all'interno della cella". Ciò può ridurre la temperatura del punto caldo a circa 90 °C mentre un modulo di riferimento si aggira intorno ai 190 °C, dimostrando che questo tipo di design di conduzione inversa distribuita può ridurre significativamente la temperatura del punto caldo.

Una Tensione di Rottura Inversa Più Bassa è Sempre Meglio?

Una tensione di rottura inversa più bassa è sempre meglio?

Non necessariamente.

Una bassa tensione di rottura inversa aiuta a ridurre la temperatura del punto caldo durante l'ombreggiamento, ma può anche comportare compromessi di progettazione.

Se il percorso di conduzione inversa è mal progettato, può aumentare la corrente di dispersione e ridurre la resistenza di shunt, danneggiando le prestazioni normali di generazione della cella.

Quindi una cella BC ad alta efficienza di solito deve bilanciare due obiettivi:

1. Durante il funzionamento normale, mantenere alta efficienza, bassa dispersione e alta resistenza di shunt;

2. Sotto polarizzazione inversa da ombreggiamento, formare una conduzione inversa sicura e uniforme a una tensione più bassa.

Ecco anche perché la tolleranza all'ombreggiamento varia tra diverse celle BC.

Alcune celle BC puntano all'efficienza e possono costruire un isolamento più forte, quindi la loro tensione di rottura inversa è più alta. Altre puntano alla tolleranza all'ombreggiamento e possono progettare percorsi di rottura inversa più bassi e uniformi.

Quindi non si può semplicemente dire "tutte le celle BC hanno la stessa tolleranza all'ombreggiamento". Un modo più accurato per esprimerlo è:

una cella BC ben progettata può utilizzare la sua struttura interdigitata a giunzione PN posteriore per ottenere una rottura inversa più bassa e uniforme, migliorando la tolleranza all'ombreggiamento e ai punti caldi.

Vantaggi delle celle BC riassunti

Vantaggi delle celle BC riassunti

Complessivamente, i vantaggi delle celle BC in condizioni di ombreggiamento includono principalmente:

• Minore perdita di generazione del modulo in caso di ombreggiamento su piccola area, prima che il diodo di bypass esterno si attivi;

• Minore densità di potenza locale;

• Minore temperatura del punto caldo;

• Maggiore margine di sicurezza del modulo.

Cosa significa per le applicazioni dei moduli

Cosa significa per le applicazioni dei moduli?

Nell'uso reale, l'ombreggiamento spesso non può essere completamente evitato.

Specialmente in scenari distribuiti, come:

• Tetti residenziali;

• Tetti commerciali e industriali;

• Fotovoltaico da balcone;

• BIPV;

• Montaggio multi-orientamento;

• Siti circondati da edifici complessi.

In queste applicazioni, i moduli possono spesso affrontare ombreggiamenti locali.

Se una cella ha una migliore tolleranza all'ombreggiamento e una temperatura del punto caldo più bassa, significa:

• Migliore sicurezza del modulo: la bassa temperatura del punto caldo riduce l'invecchiamento dell'incapsulamento, il danneggiamento del backsheet, lo stress locale del vetro e il rischio elettrico.

• Migliore affidabilità a lungo termine: l'alta temperatura locale accelera l'invecchiamento dei materiali. Più debole è il punto caldo, più stabile rimane il modulo nel tempo.

• Perdita di generazione più controllabile: quando l'ombreggiamento locale è inevitabile, un modulo BC può ridurre parte della perdita di potenza.

• Progettazione del sistema più amichevole.

I moduli BC si adattano meglio a tetti complessi, ambienti di montaggio distribuiti e scenari con ombreggiamento multiplo.

Riepilogo

Riepilogo

Le celle BC offrono una migliore tolleranza all'ombreggiamento e una temperatura del punto caldo più bassa, non perché 'non sono influenzate dall'ombreggiamento', ma perché hanno vantaggi nella struttura e nel comportamento di polarizzazione inversa.

Sotto ombreggiamento, le celle ordinarie possono vedere la rottura inversa concentrarsi in punti di difetto locali, portando a un'alta densità di potenza locale e un'alta temperatura del punto caldo.

La struttura a giunzione PN posteriore interdigitata di una cella BC agisce come un morsetto inverso integrato distribuito. In condizioni di ombreggiatura, può formare una conduzione inversa a una tensione inversa inferiore e distribuire la corrente inversa in modo più uniforme, riducendo sia la potenza del punto caldo che la temperatura del punto caldo.

Ma tieni presente che le celle BC non sono completamente immuni all'ombreggiatura. Quando l'area ombreggiata è troppo grande, diverse celle sono completamente ombreggiate e la tensione della sottostringa diventa sufficientemente negativa, il diodo di bypass esterno si attiva comunque. A quel punto, l'uscita della sottostringa bypassata diminuisce notevolmente.

Quindi un modo più accurato per dirlo:

il vantaggio di una cella BC non è eliminare l'effetto dell'ombreggiatura, ma rendere quell'effetto più controllabile. Sotto ombreggiatura di piccola area, riduce la perdita di potenza; sotto ombreggiatura pesante, riduce il rischio di punti caldi.

Questa è la ragione fondamentale per cui le celle BC hanno un vantaggio in ambienti di ombreggiatura complessi.

Il punto di vista di Ooitech

La parte interessante qui è che la tolleranza all'ombreggiatura non è solo una scelta di progettazione della cella, ma dipende anche da quanto coerentemente quel pattern posteriore interdigitato viene riprodotto in ogni cella di una linea. Piccole derive nella metallizzazione, nella dimensione del gap o nella qualità della passivazione possono spostare il comportamento di rottura inversa che abbiamo appena descritto, motivo per cui il controllo di processo sulle linee di moduli BC è importante quanto la ricetta della cella. Ooitech ha trascorso anni a costruire linee di produzione di moduli chiavi in mano per moduli TOPCon, HPBC, ABC e altri tipi BC, quindi osserviamo attentamente queste finestre di processo dei contatti posteriori. Se vuoi vedere come questi moduli vengono effettivamente costruiti in fabbrica, il nostro canale YouTube all'indirizzo www.youtube.com/ooitech ha molti filmati reali delle linee di produzione che vale la pena vedere.