Perché le celle solari BC gestiscono meglio l'ombreggiamento

Risposta rapida: Le celle solari a contatto posteriore gestiscono l'ombreggiamento parziale meglio delle celle a contatto frontale perché entrambi i contatti di polarità si trovano sul retro, il che cambia il modo in cui la corrente si ridistribuisce quando una parte del modulo è ombreggiata. In un modulo a contatto frontale, una cella ombreggiata può essere forzata in polarizzazione inversa e dissipare potenza sotto forma di calore; la temperatura della cella può salire fino a 120 °C - 160 °C in corrispondenza della giunzione ombreggiata mentre il modulo circostante rimane intorno ai 90 °C. La geometria a giunzione posteriore delle celle BC riduce lo stress da polarizzazione inversa che una cella ombreggiata subisce e distribuisce la perdita su un percorso conduttivo più breve. Il beneficio è reale ma limitato: le celle BC necessitano comunque di diodi di bypass e perdono comunque potenza quando sono ombreggiate. Ciò che cambia è la quantità di calore che la cella ombreggiata deve assorbire prima che il diodo conduca, il che determina se un evento di ombreggiamento è una perdita temporanea di potenza o un difetto permanente.

Produzione di moduli fotovoltaici · di Jerry, Ooitech

Introduzione

Per ciò che un punto caldo fa all'incapsulante, al backsheet, al vetro e agli interconnettori — e perché la temperatura è un margine di sicurezza più che un semplice valore di prestazione — vedi punti caldi dei pannelli solari, perché la temperatura è importante e cosa danneggia il calore.

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

Ombre degli alberi, pali della luce, polvere, escrementi di uccelli, neve, anche angoli di montaggio dei moduli leggermente inconsistenti possono causare ombreggiamento parziale. L'ombreggiamento non solo riduce la produzione 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 loro temperature dei punti caldi rimangono più basse sotto ombreggiamento.

Al SNEC, vedi spesso i produttori ombreggiare parte di una stringa di celle e poi usare l'altezza dell'acqua da 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 impostata dal circuito nel suo insieme. Quando ogni cella riceve piena luce, ciascuna genera energia e tutte si trovano in uno stato abbastanza coerente.

Ma se una cella viene ombreggiata, la corrente foto-generata che può produrre diminuisce. Se l'intera stringa deve ancora trasportare una grande corrente, 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.

In caso di ombreggiamento parziale, la cella ombreggiata non smette completamente di generare. La sua area non ombreggiata produce ancora una certa fotocorrente. Quindi ciò che deve effettivamente fluire attraverso il percorso di rottura inversa, il percorso di dispersione o il percorso di bypass non è la corrente totale 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 dissipazione di potenza del punto caldo può essere approssimativamente scritta come:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

che è:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)

Questa formula indica una cosa chiave: alla stessa 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 ridurre la tensione inversa sulla cella ombreggiata e rendere il riscaldamento più uniforme.

È esattamente qui che le celle BC brillano.

Come Differiscono le Celle BC nella Struttura

Come è strutturalmente diversa una cella BC da una cella normale?

Le celle ordinarie in silicio cristallino di solito usano una struttura a contatto frontale e posteriore.

In parole semplici:

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

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

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

sia gli elettrodi positivi che negativi si trovano sul retro della cella, senza linee metalliche sul fronte.

Questo offre due vantaggi diretti:

1. Nessuna ombreggiatura delle linee sul fronte, quindi maggiore area di ricezione della luce;

2. Gli elettrodi posteriori possono essere costruiti in un motivo 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 porta molte regioni p e regioni n intervallate. Tra queste regioni si trovano molte giunzioni PN corte e fortemente drogate. Da un punto di vista circuitale, non si comporta più come un singolo grande diodo, ma più come molti piccoli diodi in parallelo. Sotto 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, questo dipende dai parametri di progettazione specifici della cella BC.

Ad esempio, minore è il divario tra la regione p e la regione n, più forte è il campo locale, e di solito è più facile formare una tensione di rottura inversa più bassa. Ma questo può anche portare a compromessi in termini di perdite 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 divario, alla concentrazione di drogaggio, alla qualità della passivazione e al processo di produzione.

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 attraverso quella sottostringa continua a diminuire.

Nei moduli tradizionali, un diodo di bypass è solitamente posto in parallelo attraverso una sezione della stringa. Il diodo di bypass non viene attivato attivamente da un controller. È un dispositivo passivo. Se conduce o meno 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 accensione del diodo di bypass può essere letta come:

∣∑Vombreggiata∣ ≥ ∑Vnon ombreggiata + Vf

In altre parole:

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

Il vantaggio dei moduli BC è che, prima ancora che il diodo di bypass esterno si accenda, la struttura interdigitata delle giunzioni PN posteriori 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 più bassa, limitando un ulteriore aumento della tensione inversa. Quindi, in condizioni di ombreggiamento parziale, quando il diodo di bypass esterno non si è ancora acceso, un modulo BC può comunque mantenere una potenza di uscita relativamente alta.

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

Una 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 potenza 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 celle rimanenti non ombreggiate. A quel punto il diodo di bypass esterno si accende.

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

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'ombreggiamento è diagonale, a strisce o localmente disperso;

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

Ad esempio, un'ombra diagonale da un palo della luce potrebbe lasciare a ogni sottostringa solo una piccola area ombreggiata. In tal caso, un modulo BC tende a mostrare la sua migliore tolleranza alla generazione in ombra.

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.

Primo, la corrente inversa è più distribuita

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

• Siti di difetti locali;

• Bordi delle celle;

• 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:

• Una piastra metallica intera;

• 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 attraverso 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 meno dissipazione di potenza.

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

Ecco un semplice esempio.

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

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

P = 15V × 10A = 150W

Se una cella BC si blocca a causa della 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 puoi giudicarla con un singolo numero fisso.

Ma in alcuni test reali e nell'esperienza sul campo, i moduli BC di solito hanno temperature del punto caldo più basse 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 qualcosa come un "diodo di bypass integrato nella cella". Questo può portare 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 Migliore?

Una tensione di rottura inversa più bassa è sempre migliore?

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 le perdite e ridurre la resistenza di shunt, il che danneggia le prestazioni di generazione normali della cella.

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

1. Durante il funzionamento normale, mantenere alta efficienza, basse perdite e alta resistenza di shunt;

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

Questo è anche il motivo per cui la tolleranza all'ombreggiamento varia tra diverse celle BC.

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

Quindi non puoi semplicemente dire "tutte le celle BC hanno la stessa tolleranza all'ombreggiamento". Un modo più accurato di dirlo è:

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

Vantaggi delle Celle BC Riassunti

Vantaggi delle celle BC in sintesi

Nel complesso, 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 questo per le applicazioni dei moduli?

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

Soprattutto in scenari distribuiti, come:

• Tetti residenziali;

• Tetti commerciali e industriali;

• Fotovoltaico da balcone;

• BIPV;

• Montaggio multi-orientazione;

• Siti circondati da edifici complessi.

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

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

• Maggiore sicurezza del modulo: la bassa temperatura dei punti caldi riduce l'invecchiamento dell'incapsulamento, foglio posteriore danni, stress locale del vetro e 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 attenuare 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 multi-ombreggiamento.

Riepilogo

Riepilogo

Le celle BC offrono una migliore tolleranza all'ombreggiamento e una minore temperatura del punto caldo, 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 ad alta densità di potenza locale e alta temperatura del punto caldo.

La struttura interdigitata della giunzione PN posteriore di una cella BC agisce come un blocco inverso distribuito integrato. Sotto ombreggiamento, può formare conduzione inversa a una tensione inversa più bassa 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 del tutto immuni all'ombreggiamento. 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'ombreggiamento, ma rendere tale effetto più controllabile. Sotto ombreggiamento di piccola area, riduce la perdita di potenza; sotto ombreggiamento intenso, riduce il rischio di punti caldi.

Questa è la ragione fondamentale per cui le celle BC hanno un vantaggio in ambienti con ombreggiamento complesso.

Il Punto di Vista di Ooitech

La parte interessante qui è che la tolleranza all'ombreggiamento non è solo una scelta di progettazione della cella, dipende anche da quanto coerentemente quel motivo interdigitato posteriore venga riprodotto su ogni cella di una linea. Piccole derive nella metallizzazione, nella dimensione del gap o nella qualità della passivazione possono modificare il comportamento di rottura inversa che abbiamo appena descritto, ed è per questo che il controllo di processo sulle linee di moduli BC conta tanto quanto la ricetta della cella. Ooitech ha trascorso anni a costruire linee di produzione di moduli chiavi in mano per TOPCon, HPBC, ABC e altri moduli di tipo BC, quindi osserviamo da vicino queste finestre di processo per il back-contact. Se vuoi vedere come questi moduli vengono effettivamente costruiti in fabbrica, il nostro canale YouTube all'indirizzo www.youtube.com/ooitech ha molte riprese reali della linea di produzione che vale la pena guardare.