Почему солнечные элементы BC лучше справляются с затенением
Содержание
Краткий ответ: Тыльные контактные солнечные элементы лучше справляются с частичным затенением, чем лицевые контактные элементы, потому что оба полюсных контакта расположены на задней стороне, что меняет перераспределение тока, когда часть модуля затенена. В модуле с лицевыми контактами затенённый элемент может быть принудительно смещён в обратном направлении и рассеивать мощность в виде тепла; температура элемента может подниматься до 120 °C–160 °C в затенённом переходе, тогда как окружающий модуль остаётся около 90 °C. Геометрия заднего перехода BC-элементов снижает напряжение обратного смещения, которое испытывает затенённый элемент, и распределяет потери по более короткому проводящему пути. Преимущество реально, но ограничено: BC-элементы всё ещё нуждаются в обходных диодах и всё ещё теряют выходную мощность при затенении. Меняется лишь то, сколько тепла затенённый элемент должен поглотить до того, как диод начнёт проводить, а именно это определяет, является ли событие затенения временной потерей выходной мощности или необратимым дефектом.
Производство PV-модулей · от Джерри, Ooitech
Введение
О том, что горячая точка делает с инкапсулянтом, задним листом, стеклом и межсоединениями — и почему температура является запасом безопасности, а не просто показателем производительности — см. горячие точки солнечных панелей: почему температура важна и что повреждает тепло.
Затенение — очень распространенная проблема в реальных фотоэлектрических установках.
Тени от деревьев, столбы линий электропередач, пыль, птичий помет, снег, даже незначительно отличающиеся углы установки модулей — все это может вызвать частичное затенение. Затенение не только снижает выходную мощность модуля, но и может вызвать более серьезную проблему: горячие точки.
За последние несколько лет BC солнечные элементы привлекают все больше внимания в распределенных кровельных, балконных фотоэлектрических системах и премиальных модулях. Одна из ключевых причин заключается в следующем: BC солнечные элементы обычно обеспечивают лучшую устойчивость к затенению, и температура их горячих точек остается ниже при затенении.
На выставке SNEC часто можно увидеть, как производители затеняют часть цепочки элементов, а затем используют высоту воды от насоса, чтобы продемонстрировать устойчивость к затенению своей продукции BC.
Так почему же BC элементы имеют это преимущество? Какая физика за этим стоит?
Давайте попробуем объяснить это довольно простыми словами.
Почему затенение вызывает горячие точки
Почему затенение вызывает горячие точки?
Элементы внутри PV-модуля обычно соединены последовательно.
Последовательная цепь имеет одну определяющую характеристику: ток должен быть одинаковым везде.
Это означает, что ток через всю цепочку задается контуром в целом. Когда каждый элемент получает полный свет, каждый из них генерирует энергию, и все они находятся в довольно согласованном состоянии.
Но если один элемент затенен, фототок, который он может генерировать, падает. Если вся цепочка по-прежнему должна пропускать большой ток, этот затененный элемент может быть переведен в режим обратного смещения другими незатененными элементами. В этот момент он перестает быть источником энергии и превращается в потребителя энергии.
При частичном затенении затененная ячейка не прекращает генерацию полностью. Ее незатененная область все еще производит некоторый фототок. Таким образом, через путь обратного пробоя, путь утечки или байпасный путь должен протекать не полный ток струны, а разница между током струны и током, который эта ячейка все еще может производить.
Эту разницу можно назвать током рассогласования:
Imismatch = Istring - Igenerate
Таким образом, мощность рассеивания горячей точки можно приблизительно записать как:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch
что равно:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)
Эта формула указывает на одну ключевую вещь: при одинаковом токе струны, чем выше обратное напряжение, тем больше мощность, рассеиваемая затененной ячейкой, и тем горячее становится горячая точка.
Таким образом, один из ключей к сопротивлению горячим точкам:
как снизить обратное напряжение на затененной ячейке и сделать нагрев более равномерным.
Именно здесь BC-ячейки проявляют себя.
Чем BC-ячейки отличаются по структуре
Чем BC-ячейка структурно отличается от обычной ячейки?
Обычные кристаллические кремниевые ячейки обычно используют структуру с контактами спереди и сзади.
Проще говоря:
Спереди есть тонкие линии сетки и шины, и свет попадает с передней стороны;
Ток генерируется внутри ячейки, а затем собирается через передний и задний электроды.
BC-ячейка, означающая Back Contact, имеет одну выдающуюся особенность:
оба положительный и отрицательный электроды находятся на задней стороне ячейки, без металлических линий сетки спереди.
Это дает два прямых преимущества:
Нет затенения от линий сетки спереди, поэтому больше площади для приема света;
Задние электроды могут быть выполнены в виде гребенчатой структуры, поэтому сбор тока более равномерный.
Рисунок 1 Схема структуры BC-ячейки.
Источник: 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
Обратная сторона BC-элемента несет множество чередующихся p-областей и n-областей. Между этими областями расположено множество коротких, сильно легированных PN-переходов. С точки зрения схемы, он больше не ведет себя как один большой диод, а скорее как множество маленьких диодов, соединенных параллельно. При обратном смещении эти распределенные PN-переходы могут образовывать более равномерный путь обратной проводимости.
Поскольку эти обратные PN-переходы короткие и локально сильно легированные, они могут войти в режим обратного пробоя при относительно низком обратном напряжении.
Конечно, это зависит от конкретных параметров конструкции BC-элемента.
Например, чем меньше зазор между p-областью и n-областью, тем сильнее локальное поле, и обычно тем легче сформировать более низкое напряжение обратного пробоя. Но это также может привести к компромиссам в отношении токов утечки и шунтирующего сопротивления. Таким образом, устойчивость BC-элемента к затенению не является фиксированной величиной. Она тесно связана с конкретной структурой элемента, дизайном обратной стороны, размером зазора, концентрацией легирования, качеством пассивации и технологическим процессом.
Почему BC-элементы теряют меньше мощности при затенении
Почему BC-элементы теряют меньше мощности после затенения?
Когда модуль частично затенен, ток стринга толкает затененный элемент в режим обратного смещения. По мере ухудшения затенения общее напряжение на этой подстроке продолжает падать.
В традиционных модулях байпасный диод обычно размещается параллельно секции стринга. Байпасный диод не включается активно контроллером. Это пассивное устройство. Проводит ли он, зависит только от напряжения на нем. Когда общее напряжение этой подстроки становится достаточно отрицательным, байпасный диод смещается в прямом направлении и включается автоматически.
Условие включения можно записать как:
Vподстрока ≤ -Vf
Vподстрока — это общее напряжение подстроки, защищаемой байпасным диодом;
Vf — это прямое падение напряжения на байпасном диоде.
Для подстроки ее общее напряжение можно понять как:
Vподстрока = ∑Vнезатененные + ∑Vзатененные
где:
Незатененные элементы все еще создают прямое напряжение;
Затененные элементы находятся в обратном смещении и создают отрицательное напряжение.
Условие включения байпасного диода можно прочитать как:
∣∑Vзатененные∣ ≥ ∑Vнезатененные + Vf
Другими словами:
суммарное обратное напряжение затенённых ячеек должно превысить суммарное прямое напряжение остальных незатенённых ячеек, плюс прямое падение напряжения на байпасном диоде, прежде чем байпасный диод включится.
Преимущество BC-модулей заключается в том, что ещё до включения внешнего байпасного диода гребенчатая структура обратных PN-переходов на тыльной стороне самой BC-ячейки уже обеспечивает некоторую распределённую проводимость в обратном направлении. Это ведёт себя подобно встроенному стабилитрону внутри ячейки.
При обратном смещении гребенчатые обратные PN-переходы BC-ячейки могут формировать распределённую обратную проводимость при более низком напряжении, ограничивая дальнейший рост обратного напряжения. Поэтому при частичном затенении, когда внешний байпасный диод ещё не включился, BC-модуль может сохранять относительно высокую выходную мощность.
Рисунок 2 ВАХ модуля с одной затенённой ячейкой.
Источник: 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. Доступно: https://doi.org/10.1051/epjpv/2024001
Лучшая толерантность не означает невосприимчивость к затенению
Лучшая толерантность к затенению не означает, что BC-ячейки невосприимчивы к затенению
Нужно прояснить одно распространённое заблуждение.
Лучшая толерантность к затенению не означает, что BC-ячейка не подвержена влиянию затенения.
Любая фотоэлектрическая ячейка производит меньше энергии, если она затенена.
Если затенённая область внутри одной подстроки становится слишком большой, или несколько ячеек полностью затенены, то суммарное обратное напряжение затенённых ячеек всё же может в конечном итоге превысить суммарное прямое напряжение остальных незатенённых ячеек. В этот момент включается внешний байпасный диод.
Как только байпасный диод включается, ток обходит всю эту подстроку. Незатенённые ячейки в этой подстроке также шунтируются, и их вклад в выходную мощность резко падает. Поэтому когда затенённая область велика, преимущество BC-модуля в генерации также ослабевает.
Сценарии, в которых BC-модули действительно проявляют себя наилучшим образом, обычно таковы:
Одна ячейка или несколько ячеек частично затенены;
Затенённая область в каждой подстроке остаётся небольшой;
Затенение диагональное, полосовое или локально рассеянное;
Внешний байпасный диод не включился полностью.
Например, диагональная тень от столба электропередачи может оставить на каждой подстроке лишь небольшую затенённую область. В этом случае BC-модуль, как правило, демонстрирует лучшую генерацию при частичном затенении.
Почему BC-модули имеют более холодные горячие точки
Почему у BC-модулей температура горячих точек ниже?
В основном есть две причины, по которым BC-модули имеют более холодные горячие точки.
Во-первых, обратный ток распределяется более равномерно
Для обычных ячеек распределение обратного тока часто неравномерно. Обратный пробой может сначала возникнуть в некоторых локальных слабых местах, таких как:
Локальные дефектные участки;
Края ячеек;
Аномалии металлизации;
Микротрещины или загрязнённые участки;
Области с более слабой локальной пассивацией.
Эти места действуют как слабые точки.
Как только обратный ток концентрируется в этих слабых местах, локальная плотность мощности становится очень высокой, температура быстро растёт, и образуется явная горячая точка.
Это как использовать одинаковое количество тепла на двух объектах:
Целая металлическая пластина;
Точка размером с булавочную головку.
Последний, безусловно, нагревается быстрее.
Таким образом, риск для обычной ячейки при затенении заключается не в «равномерном нагреве всей ячейки», а в сильном локальном точечном нагреве.
BC-ячейка имеет множество чередующихся PN-переходов на своей задней стороне. Обратная проводимость может распространяться более легко по нескольким областям, а не концентрироваться в нескольких точках дефектов.
Таким образом, обратный ток в BC-ячейке распределяется более равномерно, локальная плотность мощности остаётся ниже, и температура горячей точки также остаётся ниже.
Во-вторых, напряжение обратного пробоя ниже
Из формулы мощности горячей точки:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch
при том же токе рассогласования более низкое обратное напряжение означает меньшую рассеиваемую мощность.
Вот почему низкое напряжение обратного пробоя на самом деле может действовать как защитный механизм в сценариях затенения.
Вот простой пример.
Предположим, ток струны составляет 10 А, и одна ячейка сильно затенена.
Если обычная ячейка после затенения достигает обратного напряжения 15 В, рассеиваемая ею мощность примерно равна:
P = 15 В × 10 А = 150 Вт
Если BC-элемент зажимается из-за своей тыльной структуры, и обратное напряжение ограничено примерно 6 В, рассеиваемая им мощность составляет примерно:
P = 6 В × 10 А = 60 Вт
Разница очень очевидна.
Реальная температура горячей точки зависит от площади затенения, температуры окружающей среды, скорости ветра, герметизации модуля, размера стекла, конструкции элемента и метода испытаний, поэтому вы не можете судить о ней по одному фиксированному числу.
Но в некоторых реальных испытаниях и полевом опыте BC-модули обычно имеют более низкие температуры горячих точек, чем обычные. Например, некоторые BC-модули могут поддерживать температуру горячей точки ниже примерно 120 °C, в то время как другие типы модулей могут достигать 160 °C или даже выше.
Некоторые специально разработанные BC-элементы достигают чего-то вроде «встроенного байпасного диода внутри элемента». Это может снизить температуру горячей точки примерно до 90 °C, в то время как эталонный модуль находится около 190 °C, что показывает, что такая распределенная конструкция обратной проводимости может значительно снизить температуру горячей точки.
Всегда ли лучше более низкое обратное напряжение пробоя
Всегда ли лучше более низкое обратное напряжение пробоя?
Не обязательно.
Низкое обратное напряжение пробоя помогает снизить температуру горячей точки при затенении, но также может привести к компромиссам в конструкции.
Если путь обратной проводимости спроектирован плохо, это может увеличить утечку и снизить шунтирующее сопротивление, что ухудшает нормальные характеристики генерации элемента.
Поэтому высокоэффективный BC-элемент обычно должен балансировать две цели:
Во время нормальной работы поддерживать высокую эффективность, низкую утечку и высокое шунтирующее сопротивление;
При обратном смещении из-за затенения формировать безопасную и равномерную обратную проводимость при более низком напряжении.
Именно поэтому устойчивость к затенению различается между разными BC-элементами.
Некоторые BC-элементы склоняются к эффективности и могут иметь более сильную изоляцию, поэтому их обратное напряжение пробоя выше. Другие склоняются к устойчивости к затенению и могут проектировать более низкие и равномерные пути обратного пробоя.
Поэтому нельзя просто сказать, что «все BC-элементы имеют одинаковую устойчивость к затенению». Более точный способ выразить это:
хорошо спроектированный BC-элемент может использовать свою межпальцевую тыльную PN-структуру для достижения более низкого и равномерного обратного пробоя, что улучшает устойчивость к затенению и горячим точкам.
Преимущества BC-элементов вкратце
Преимущества BC-элементов вкратце
В целом, преимущества BC-элементов при затенении в основном включают:
Меньшие потери генерации модуля при затенении небольшой площади до включения внешнего байпасного диода;
Более низкая локальная плотность мощности;
Более низкая температура горячей точки;
Более высокий запас прочности модуля.
Что это значит для применения модулей
Что это значит для применения модулей?
В реальном использовании затенения часто невозможно полностью избежать.
Особенно в распределенных сценариях, таких как:
Жилые крыши;
Коммерческие и промышленные крыши;
Балконные фотоэлектрические системы;
BIPV;
Многоориентационный монтаж;
Площадки, окруженные сложными зданиями.
В этих применениях модули часто могут сталкиваться с локальным затенением.
Если элемент имеет лучшую устойчивость к затенению и более низкую температуру горячей точки, это означает:
Better module safety: low hot spot temperature reduces encapsulation aging, задняя пленка damage, local glass stress, and electrical risk.
Лучшая долгосрочная надежность: локальная высокая температура ускоряет старение материалов. Чем слабее горячая точка, тем стабильнее модуль со временем.
Более контролируемые потери генерации: когда локальное затенение неизбежно, BC-модуль может уменьшить часть потерь мощности.
Более удобный дизайн системы.
BC-модули лучше адаптируются к сложным крышам, распределенным условиям монтажа и сценариям с множественным затенением.
Резюме
Резюме
BC-элементы обладают лучшей устойчивостью к затенению и более низкой температурой горячей точки не потому, что они "не подвержены затенению", а потому, что они имеют преимущества в структуре и поведении при обратном смещении.
При затенении обычные элементы могут испытывать концентрацию обратного пробоя в локальных точках дефектов, что приводит к высокой локальной плотности мощности и высокой температуре горячей точки.
Межпальцевая структура PN-перехода на задней стороне BC-элемента действует как распределенный встроенный обратный ограничитель. При затенении он может обеспечить обратную проводимость при более низком обратном напряжении и более равномерно распределить обратный ток, что снижает как мощность горячей точки, так и ее температуру.
Но имейте в виду, BC-элементы не полностью невосприимчивы к затенению. Когда затененная область слишком велика, несколько элементов полностью затенены, и напряжение подстроки становится достаточно отрицательным, внешний байпасный диод все равно включается. В этот момент выходная мощность затененной подстроки заметно падает.
Поэтому более точный способ сказать это:
преимущество BC-элемента заключается не в устранении эффекта затенения, а в том, чтобы сделать этот эффект более управляемым. При затенении малой площади он снижает потери мощности; при сильном затенении он снижает риск возникновения горячих точек.
Это коренная причина, по которой BC-элементы имеют преимущество в сложных условиях затенения.
Мнение Ooitech
Интересная деталь здесь в том, что устойчивость к затенению — это не просто выбор конструкции ячейки, она также зависит от того, насколько стабильно этот интердигитированный тыльный рисунок воспроизводится на каждой ячейке в линии. Небольшие дрейфы в металлизации, размере зазора или качестве пассивации могут сместить поведение обратного пробоя, которое мы только что описали, поэтому контроль процесса на линиях BC-модулей так же важен, как и рецепт ячейки. Ooitech потратила годы на создание комплексных линий производства модулей для TOPCon, HPBC, ABC и других модулей BC-типа, поэтому мы внимательно следим за этими окнами процесса обратного контакта. Если вы хотите увидеть, как эти модули на самом деле собираются на заводе, наш канал на YouTube по адресу www.youtube.com/ooitech есть много реальных видеозаписей производственных линий, которые стоит посмотреть.
