Введение

Затенение — очень распространенная проблема в реальных фотоэлектрических установках.

Тени от деревьев, столбы линий электропередач, пыль, птичий помет, снег, даже небольшие различия в углах установки модулей могут вызывать 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 привлекли все больше внимания в распределенных крышных, балконных фотоэлектрических системах и премиальных модулях. Одна из ключевых причин заключается в следующем: BC солнечные элементы обычно обеспечивают лучшую толерантность к затенению, а температуры их горячих точек остаются ниже при затенении.

На SNEC часто можно увидеть, как производители затеняют часть цепочки ячеек, а затем используют высоту воды от насоса, чтобы продемонстрировать толерантность к затенению своих BC продуктов.

Так почему же BC элементы имеют это преимущество? Какова физика, стоящая за этим?

Давайте попробуем объяснить это довольно простыми терминами.

Почему затенение вызывает горячие точки

Почему затенение вызывает горячие точки?

Ячейки 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 каждая ячейка получает полный свет, все они генерируют энергию и находятся в довольно согласованном состоянии.

Но если одна ячейка затеняется, фототок, который она может генерировать, падает. Если вся строка все еще должна пропускать большой ток, эта затененная ячейка может быть переведена в обратное смещение другими незатененными ячейками. В этот момент она перестает быть источником питания 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, утечки или шунтирования фактически протекает не полный ток строки, а разница между током строки и током, который эта ячейка все еще может генерировать.

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 строки, чем выше обратное напряжение, тем больше мощность, рассеиваемая затененной ячейкой, и тем горячее становится горячая точка.

Таким образом, один из ключей к устойчивости к горячим точкам:

как снизить обратное напряжение на затененной ячейке и сделать нагрев более равномерным.

Именно здесь BC-ячейки проявляют себя наилучшим образом.

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 сетки и шины, и свет попадает с лицевой стороны;

• Ток генерируется внутри ячейки, а затем собирается через передний и задний электроды.

BC-ячейка, что означает Back Contact (задний контакт), имеет одну выдающуюся особенность:

как положительный, так и отрицательный электроды находятся на задней стороне ячейки, без металлических сеток на лицевой стороне.

Это дает два прямых преимущества:

1. Отсутствие затенения сетками спереди, поэтому больше площади для приема света;

2. Задние электроды могут быть выполнены в виде гребенчатой структуры, поэтому сбор тока более равномерен.

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

На задней стороне BC-элемента расположено множество чередующихся p-областей и n-областей. Между этими областями находятся 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 задние PN-переходы короткие и локально сильно легированы, они могут войти в обратный пробой 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 легче сформировать более низкое напряжение обратного пробоя. Но это также может привести к компромиссам в отношении токов утечки и шунтирующего сопротивления. Таким образом, устойчивость к затенению BC-элемента не является фиксированной величиной. Она тесно связана с конкретной структурой элемента, дизайном заднего рисунка, 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 затеняется, ток струны вынуждает затененный элемент работать в режиме обратного смещения. По мере ухудшения затенения общее напряжение на этой подстроке продолжает падать.

В традиционных модулях байпасный диод обычно устанавливается параллельно участку струны. Байпасный диод не включается активно контроллером. Это пассивное устройство. Его проводимость зависит только от напряжения на нем. Когда общее напряжение этой подстроки становится достаточно отрицательным, байпасный диод смещается в прямом направлении и автоматически включается.

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 понимать как:

Vподстрока = ∑Vнезатененные + ∑Vзатененные

где:

• Незатененные элементы все еще создают прямое напряжение;

• Затененные ячейки смещены в обратном направлении и создают отрицательное напряжение.

Условие включения байпасного диода можно записать как:

∣∑Vзатененных∣ ≥ ∑Vнезатененных + Vf

Другими словами:

общее обратное напряжение затененных ячеек должно превышать общее прямое напряжение остальных незатененных ячеек плюс падение напряжения на байпасном диоде, прежде чем байпасный диод включится.

Преимущество BC-модулей в том, что еще до включения внешнего байпасного диода структура встречно-гребенчатых PN-переходов на задней стороне самой BC-ячейки уже обеспечивает некоторую распределенную обратную проводимость. Это ведет себя как встроенный стабилитрон внутри ячейки.

При обратном смещении встречно-гребенчатые PN-переходы на задней стороне BC-ячейки могут образовывать распределенную обратную проводимость при более низком напряжении, ограничивая дальнейший рост обратного напряжения. Таким образом, при частичном затенении, когда внешний байпасный диод еще не включился, BC-модуль все еще может поддерживать относительно высокую выходную мощность.

Рисунок 2 ВАХ модуля с одной затененной 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

Better Tolerance Doesn't Mean Immune To Shading

Лучшая толерантность к затенению не означает, что BC-ячейки невосприимчивы к затенению

Одно распространенное заблуждение нуждается в разъяснении.

Лучшая толерантность к затенению не означает, что BC-ячейка не подвержена влиянию затенения.

Любая фотоэлектрическая ячейка производит меньше энергии, если она затенена.

Если затененная область в одной подстроке становится слишком большой или несколько ячеек полностью затенены, то общее обратное напряжение затененных ячеек все равно может превысить общее прямое напряжение остальных незатененных ячеек. В этот момент включается внешний байпасный диод.

Как только байпасный диод включается, ток обходит всю эту подстроку. Незатененные ячейки в этой подстроке также шунтируются, и их вклад в выходную мощность резко падает. Таким образом, при большой затененной области преимущество в генерации BC-модуля также ослабевает.

Сценарии, в которых BC-модули действительно проявляют себя, обычно:

• Одна ячейка или несколько ячеек частично затенены;

• Затененная область в каждой подстроке остается небольшой;

• Затенение диагональное, полосовидное или локально разбросанное;

• Внешний байпасный диод не полностью включился.

Например, диагональная тень от столба электропередачи может оставить в каждой подстроке лишь небольшую затененную область. В этом случае BC-модуль, как правило, демонстрирует лучшую генерацию при затенении.

Почему BC-модули имеют более холодные горячие точки

Почему BC-модули имеют более низкие температуры горячих точек?

В основном есть две причины, по которым BC-модули имеют более холодные горячие точки.

First, the reverse current is more spread out

Для обычных ячеек распределение обратного тока часто неравномерно. Обратный пробой может сначала произойти в некоторых локальных слабых местах, таких как:

• Локальные дефектные участки;

• Края ячеек;

• Аномалии металлизации;

• Микротрещины или загрязненные участки;

• Области с более слабой локальной пассивацией.

Эти места действуют как слабые точки.

Как только обратный ток концентрируется в этих слабых точках, локальная плотность мощности становится очень высокой, температура быстро растет, и образуется явная горячая точка.

Это как использовать одинаковое количество тепла на двух объектах:

• Целая металлическая пластина;

• Точечное пятно.

Последнее, 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 переплетенных PN-переходов на своей задней стороне. Обратная проводимость может легче распространяться по нескольким областям, а не концентрироваться в нескольких дефектных точках.

Таким образом, обратный ток в BC-ячейке распределяется более равномерно, локальная плотность мощности остается ниже, и температура горячей точки также остается ниже.

Во-вторых, напряжение обратного пробоя ниже

Из формулы мощности горячей точки:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

при одинаковом токе рассогласования более низкое обратное напряжение означает меньшую рассеиваемую мощность.

Вот почему низкое напряжение обратного пробоя может фактически действовать как механизм защиты в сценариях затенения.

Вот простой пример.

Допустим, ток в цепи составляет 10 А, и одна ячейка сильно затенена.

Если обычная ячейка после затенения достигает обратного напряжения 15 В, рассеиваемая мощность примерно равна:

P = 15 В × 10 А = 150 Вт

Если BC-ячейка ограничивает обратное напряжение до примерно 6 В благодаря своей тыльной структуре, рассеиваемая мощность примерно равна:

P = 6 В × 10 А = 60 Вт

Разница очевидна.

Реальная температура горячей точки зависит от площади затенения, температуры окружающей среды, скорости ветра, герметизации модуля, размера стекла, конструкции ячейки и метода испытаний, поэтому нельзя судить по одному фиксированному числу.

Но в некоторых реальных испытаниях и полевых условиях BC-модули обычно имеют более низкую температуру горячей точки, чем обычные. Например, некоторые BC-модули могут удерживать 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-ячейки реализуют что-то вроде «встроенного байпасного диода внутри ячейки». Это позволяет 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 ячейки.

Поэтому высокоэффективная BC-ячейка обычно должна балансировать между двумя целями:

1. Во время нормальной работы: поддерживать высокую эффективность, низкую утечку и высокое шунтирующее сопротивление;

2. При обратном смещении из-за затенения: формировать безопасную и равномерную обратную проводимость при более низком напряжении.

Именно поэтому устойчивость к затенению различается у разных BC-ячеек.

Некоторые BC-ячейки склоняются в сторону эффективности и могут создавать более сильную изоляцию, поэтому их обратное напряжение пробоя выше. Другие склоняются в сторону устойчивости к затенению и могут проектировать более низкие и равномерные пути обратного пробоя.

Поэтому нельзя просто сказать, что «все BC-ячейки имеют одинаковую устойчивость к затенению». Более точная формулировка:

хорошо спроектированная BC-ячейка может использовать свою структуру с переплетенными обратными PN-переходами для достижения более низкого и равномерного обратного пробоя, что улучшает устойчивость к затенению и горячим точкам.

Преимущества BC-ячеек: итог

Преимущества BC-ячеек: итог

В целом, преимущества BC-ячеек при затенении включают:

• Меньшие потери генерации модуля при затенении малой площади до включения внешнего байпасного диода;

• Более низкая локальная плотность мощности;

• Более низкая температура горячей точки;

• Более высокий запас безопасности модуля.

Что это значит для применения модулей

Что это значит для применения модулей?

В реальной эксплуатации затенение часто невозможно полностью избежать.

Особенно в распределенных сценариях, таких как:

• Жилые крыши;

• Коммерческие и промышленные крыши;

• Балконные фотоэлектрические системы;

• BIPV;

• Многоориентационный монтаж;

• Участки, окруженные сложными зданиями.

В таких применениях модули часто могут сталкиваться с локальным затенением.

Если ячейка имеет лучшую устойчивость к затенению и более низкую температуру горячей точки, это означает:

• Лучшая безопасность модуля: низкая температура горячей точки снижает старение инкапсуляции, повреждение задней панели, локальное напряжение стекла и электрический риск.

• 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 дружественный дизайн системы.

BC-модули лучше адаптируются к сложным крышам, распределенным условиям монтажа и сценариям с множественным затенением.

Резюме

Резюме

BC-ячейки обеспечивают лучшую устойчивость к затенению и более низкую температуру горячей точки не потому, что они «не подвержены затенению», а потому что имеют преимущества в структуре и поведении при обратном смещении.

При затенении обычные ячейки могут испытывать концентрацию обратного пробоя в локальных дефектных точках, что приводит к высокой локальной плотности мощности и высокой температуре горячей точки.

Междигитальная структура PN-перехода на задней стороне BC-элемента действует как распределенный встроенный обратный ограничитель. При затенении она может формировать обратную проводимость при более низком обратном напряжении и более равномерно распределять обратный ток, что снижает как мощность горячей точки, так и ее температуру.

Но имейте в виду, BC-элементы не полностью защищены от затенения. 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 зашунтированной подстроки заметно падает.

Поэтому более точная формулировка:

преимущество BC-элемента не в устранении эффекта затенения, а в том, чтобы сделать этот эффект более контролируемым. При малом затенении он снижает потери мощности; при сильном затенении уменьшает риск возникновения горячей точки.

Вот коренная причина, по которой BC-элементы имеют преимущество в сложных условиях затенения.

Мнение Ooitech

Интересно здесь то, что устойчивость к затенению зависит не только от конструкции элемента, но и от того, насколько последовательно воспроизводится эта междигитальная задняя структура на каждом элементе в линии. Небольшие отклонения в металлизации, размере зазора или качестве пассивации могут изменить описанное выше поведение обратного пробоя, поэтому контроль процесса на линиях производства BC-модулей так же важен, как и рецептура элемента. Ooitech потратила годы на создание под ключ линий производства модулей для TOPCon, HPBC, ABC и других BC-типов, 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 YouTube по адресу www.youtube.com/ooitech содержит много реальных кадров с производственной линии, которые стоит посмотреть.