Perché le celle solari BC offrono una migliore tolleranza all'ombreggiamento e una temperatura del punto caldo più bassa?

Introduzione al prodotto

L'ombreggiamento è uno dei problemi più comuni negli impianti fotovoltaici reali.

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

Ultimamente le celle solari BC hanno attirato molta attenzione nei tetti distribuiti, nel fotovoltaico da balcone e nei moduli premium. Una grande ragione: Le celle BC di solito gestiscono meglio l'ombreggiamento e funzionano a temperature di punto caldo più basse in condizioni di ombreggiamento.

Alla fiera SNEC, spesso vedi i venditori ombreggiare parte di una cella e poi mostrare la tolleranza all'ombreggiamento dei loro prodotti BC osservando quanto in alto una pompa dell'acqua può spruzzare.

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

Proviamo a spiegarlo in parole semplici.

Perché l'ombreggiamento causa punti caldi?

Le celle in un modulo fotovoltaico sono solitamente collegate in serie.

I circuiti in serie hanno una caratteristica chiave: la corrente deve essere la stessa ovunque.

Ciò significa che la corrente attraverso l'intera stringa è impostata dal circuito in serie insieme. Quando ogni cella riceve piena luce, ognuna genera energia e si comportano tutte in modo abbastanza coerente.

Ma se una cella viene ombreggiata, la corrente foto-generata che può produrre diminuisce. Se la stringa deve ancora spingere una corrente maggiore attraverso, quella cella ombreggiata può essere forzata in polarizzazione inversa dalle altre celle non ombreggiate. A quel punto smette di essere un generatore e diventa un elemento che consuma energia.

Per l'ombreggiamento parziale, la cella ombreggiata non è completamente morta. La parte non ombreggiata produce ancora un po' di foto-corrente. 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.

Possiamo chiamare questa differenza corrente di disallineamento:

Imismatch = Istring - Igenerate

Quindi la potenza di riscaldamento del punto caldo può essere approssimativamente scritta come:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

che è:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)

Questa formula indica un problema 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 chiave per combattere i punti caldi è:

come ridurre la tensione inversa sulla cella ombreggiata e distribuire il calore in modo più uniforme.

È esattamente qui che le celle BC brillano.

In cosa differisce strutturalmente una cella BC da una cella ordinaria?

Le celle ordinarie in silicio cristallino hanno solitamente una struttura a contatti frontali e posteriori.

In parole povere:

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

• la corrente, una volta generata all'interno della cella, viene raccolta dagli elettrodi anteriore e posteriore.

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

sia gli elettrodi positivi che quelli negativi si trovano sul retro della cella, e il fronte non ha linee metalliche.

Questo porta due vantaggi diretti:

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

2. gli elettrodi posteriori possono essere realizzati interdigitati, 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 ha molte regioni p e n intervallate. Tra queste regioni ci sono molte giunzioni PN corte e fortemente drogate. Dal punto di vista circuitale, non si comporta più come un grande diodo, ma come molti piccoli diodi in parallelo. Sotto polarizzazione inversa, queste giunzioni PN distribuite possono formare un percorso di conduzione inversa più uniforme.

Allo stesso tempo, 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 le regioni p e n, più forte è il campo locale, e di solito è più facile ottenere una tensione di rottura inversa più bassa. Ma questo può anche comportare compromessi in termini di perdite e resistenza di shunt. Quindi la tolleranza all'ombreggiamento di una cella BC non è un numero fisso, ma è strettamente legata alla struttura 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 i moduli BC perdono meno potenza dopo l'ombreggiamento?

Quando un modulo viene parzialmente ombreggiato, la cella ombreggiata viene spinta in polarizzazione inversa dalla corrente di stringa. Man mano che l'ombreggiamento peggiora, la tensione totale di quella sezione della stringa continua a diminuire.

Nei moduli tradizionali, un diodo di bypass è solitamente collegato 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 sezione della stringa diventa sufficientemente negativa, il diodo di bypass viene polarizzato direttamente e si accende da solo.

La condizione di accensione può essere scritta come:

Vsubstring ≤ -Vf

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

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

Per una sezione della stringa, la sua tensione totale può essere intesa come:

Vsubstring = ∑Vnon ombreggiata + ∑Vombreggiata

dove:

• le celle non ombreggiate producono ancora una tensione positiva;

• 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 somma delle tensioni inverse delle celle ombreggiate deve superare la somma delle tensioni dirette delle restanti celle non ombreggiate, più la caduta di accensione del diodo di bypass, prima che il diodo di bypass entri in funzione.

Il vantaggio di un modulo BC è che, prima ancora che il diodo di bypass esterno si accenda, la struttura a giunzione PN interdigitata sul retro della cella BC fornisce già una certa conduzione inversa distribuita. Questo si comporta un po' come un diodo zener integrato nella cella.

Sotto polarizzazione inversa, la struttura a giunzione PN interdigitata sul retro di una cella BC può formare una conduzione inversa distribuita a una tensione più bassa, che limita quanto la tensione inversa possa salire. Quindi, in condizioni di ombreggiamento parziale, con il diodo di bypass esterno non ancora attivato, un modulo BC può comunque mantenere una potenza di uscita abbastanza elevata.

Figura 2 La curva IV del modulo quando una cella è 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 all'ombreggiamento non significa immunità all'ombreggiamento

Un malinteso comune deve essere chiarito.

Le celle BC tollerano meglio l'ombreggiamento, ma ciò non significa che l'ombreggiamento non abbia effetto su di esse.

Qualsiasi cella fotovoltaica produrrà meno energia una volta ombreggiata.

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

Una volta che il diodo di bypass si accende, la corrente bypassa l'intera sezione della stringa. Le celle non ombreggiate in questa sottostringa vengono bypassate insieme a quelle ombreggiate, e il loro contributo all'uscita diminuisce notevolmente. Quindi, quando l'area ombreggiata è grande, anche il vantaggio di generazione di un modulo BC si indebolisce.

I moduli BC tendono ad avere il sopravvento quando:

• una singola cella o poche celle sono parzialmente ombreggiate;

• l'area ombreggiata all'interno di ogni sottostringa è piccola;

• l'ombreggiatura è diagonale, a strisce o localmente dispersa;

• il diodo di bypass esterno non si è completamente attivato.

Ad esempio, un'ombra diagonale da un palo della luce può lasciare ogni sottostringa con solo una piccola area ombreggiata. In tal caso, un modulo BC di solito mostra una generazione più tollerante all'ombreggiatura.

Perché i moduli BC si raffreddano di più nei punti caldi?

I moduli BC hanno temperature dei punti caldi più basse principalmente per due motivi.

Primo, la corrente inversa è più distribuita

Nelle celle ordinarie, la distribuzione della corrente inversa è spesso non uniforme. La rottura inversa tende a verificarsi prima in punti deboli locali, come:

• siti di difetti locali;

• bordi delle celle;

• aree di metallizzazione anomale;

• microfratture o aree contaminate;

• aree con passivazione locale debole.

Questi punti agiscono come punti deboli.

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

È come riscaldare due oggetti con la stessa quantità di calore:

• un'intera piastra metallica;

• un punto delle dimensioni di una capocchia di spillo.

Quest'ultimo si riscalda più velocemente, senza dubbio.

Quindi il rischio di una cella ordinaria sotto ombreggiatura non è "riscaldamento uniforme su tutta la cella", è un intenso riscaldamento puntuale locale.

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

Quindi la distribuzione della corrente inversa di una cella BC è più uniforme, la densità di potenza locale è più bassa e anche la temperatura del punto caldo è più bassa.

Secondo, la tensione di rottura inversa è più bassa

Puoi vederlo dalla formula della potenza del punto caldo:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

Alla stessa corrente di disadattamento, minore è la tensione inversa, minore è la potenza di riscaldamento.

Ecco perché una bassa tensione di rottura inversa può effettivamente funzionare come meccanismo di protezione sotto ombreggiatura.

Ecco un semplice esempio.

Supponiamo che la corrente della stringa del modulo sia 10A e una cella sia gravemente ombreggiata.

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

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 brucia è circa:

P = 6V × 10A = 60W

La differenza è sorprendente.

Naturalmente, 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.

Tuttavia, in alcuni test reali e nell'esperienza sul campo, i moduli BC di solito funzionano più freddi nei punti caldi 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", portando la temperatura del punto caldo a circa 90 °C mentre un modulo di riferimento si trova vicino a 190 °C, il che dimostra che questo design di conduzione inversa distribuita può ridurre notevolmente la temperatura del punto caldo.

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 in condizioni di ombreggiamento, ma può comportare anche 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, bassa dispersione e alta resistenza di shunt;

2. sotto polarizzazione inversa dovuta all'ombreggiamento, formare una conduzione inversa sicura e uniforme a bassa tensione.

Questo è anche il motivo per cui diverse celle BC variano nelle prestazioni di ombreggiamento.

Alcune celle BC tendono all'efficienza, quindi possono isolare più fortemente e finire con una tensione di rottura inversa più alta. Altre tendono alla tolleranza all'ombreggiamento, quindi possono progettare percorsi di rottura inversa più bassi e uniformi.

Quindi non si può semplicemente dire "tutte le celle BC tollerano l'ombreggiamento allo stesso modo". Un'affermazione più accurata è:

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

Riepilogo dei vantaggi delle celle BC

Mettendo tutto insieme, i vantaggi di una cella BC in condizioni di ombreggiamento includono principalmente:

• minore perdita di potenza 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 questo per le applicazioni dei moduli?

In pratica, l'ombreggiamento spesso non può essere completamente evitato.

Soprattutto in scenari distribuiti, come:

• tetti residenziali;

• tetti commerciali e industriali;

• balcone fotovoltaico;

• BIPV;

• montaggio multi-orientazione;

• siti con edifici circostanti complessi.

In queste applicazioni, i moduli possono spesso essere parzialmente ombreggiati.

Se una cella tollera meglio l'ombreggiamento e si raffredda di più nei punti caldi, ciò significa:

• Migliore sicurezza del modulo: una temperatura inferiore del punto caldo riduce l'invecchiamento dell'incapsulante, i danni al 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 parziale 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 multi-ombreggiamento.

Conclusione

Le celle BC tollerano meglio l'ombreggiamento e si raffreddano di più nei punti caldi, principalmente non perché "non sono influenzate dall'ombreggiamento", ma perché hanno vantaggi nella struttura e nel comportamento in polarizzazione inversa.

Con una cella ordinaria sotto ombreggiamento, la rottura inversa può concentrarsi su punti di difetto locali, portando a un'alta densità di potenza locale e a un'alta temperatura del punto caldo.

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

Ma tieni presente che le celle BC non sono completamente a prova di 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, più precisamente:

Il vantaggio di una cella BC non è eliminare gli effetti dell'ombreggiamento, ma renderli più controllabili. Sotto ombreggiamento di piccola area può ridurre la perdita di potenza; sotto ombreggiamento intenso può ridurre il rischio di punti caldi.

Questo è il motivo fondamentale per cui le celle BC funzionano meglio in ambienti di ombreggiamento complessi.

Il Punto di Vista di Ooitech

Ciò che ci colpisce davvero qui è che il vantaggio dell'ombreggiamento di BC risiede nella fase di metallizzazione dei contatti posteriori, non in un materiale magico, il che significa che la linea di produzione del modulo deve rispettare tolleranze strette sul pattern interdigitato per ottenere effettivamente quella rottura inversa bassa e uniforme. Su una linea di produzione abbiamo visto la stessa fisica manifestarsi nei test EL e dei punti caldi, dove una patterning posteriore irregolare si mostra come punti di rottura sparsi molto prima che il modulo veda un'ombra. Se ti piace questo tipo di analisi di ciò che accade tra la cella e un modulo finito, il nostro canale YouTube su www.youtube.com/ooitech ha altro dall'interno di vere fabbriche solari.