Почему BC солнечные элементы обеспечивают лучшую толерантность к затенению и более низкую температуру горячей точки?

Введение в продукт

Затенение — одна из самых распространенных проблем в реальных фотоэлектрических установках.

Тени от деревьев, столбы линий электропередач, пыль, птичий помет, снег, даже неравномерные углы установки могут вызвать частичное затенение. Затенение не только снижает выходную мощность модуля, но и может вызвать более серьезную проблему: горячие точки.

В последнее время BC солнечные элементы привлекли большое внимание в распределенных крышных установках, балконных фотоэлектрических системах и премиальных модулях. Одна из главных причин: BC элементы обычно лучше справляются с затенением и имеют более низкую температуру горячей точки при затенении.

На SNEC часто можно увидеть, как продавцы затеняют часть элемента, а затем демонстрируют устойчивость к затенению своих BC продуктов, наблюдая, насколько высоко может подняться водяной насос.

Так почему же BC элементы имеют это преимущество? Какая физика за этим стоит?

Давайте попробуем объяснить это простым языком.

Почему затенение вызывает горячие точки?

Ячейки в фотоэлектрическом модуле обычно соединены последовательно.

Последовательные цепи имеют одну ключевую особенность: ток должен быть одинаковым везде.

Это означает, что ток через всю цепочку определяется последовательным контуром в целом. Когда каждый элемент получает полный свет, каждый генерирует энергию, и все они ведут себя достаточно согласованно.

Но если один элемент затенен, фотоиндуцированный ток, который он может производить, падает. Если цепочка все еще должна пропускать больший ток, этот затененный элемент может быть принудительно смещен в обратном направлении другими незатененными элементами. В этот момент он перестает быть генератором и превращается в элемент, потребляющий энергию.

При частичном затенении затененная ячейка не полностью мертва. Незатененная часть все еще генерирует 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 нагрева горячей точки можно приблизительно записать как:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

что равно:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)

Эта формула указывает на ключевую проблему: 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 борьбе с горячими точками:

как снизить обратное напряжение на затененной ячейке и более равномерно распределить тепло.

Именно здесь BC-ячейки проявляют себя.

Чем BC-ячейка структурно отличается от обычной ячейки?

Обычные кристаллические кремниевые ячейки обычно имеют структуру с фронтальным и тыльным контактами.

Проще говоря:

• на лицевой стороне есть тонкие токосборные линии и шины, и свет падает с лицевой стороны;

• ток, генерируемый внутри ячейки, собирается лицевым и тыльным электродами.

BC-ячейка (Back Contact) имеет одну определяющую особенность:

как положительный, так и отрицательный электроды находятся на тыльной стороне ячейки, а на лицевой стороне нет металлических токосборных линий.

Это дает два прямых преимущества:

1. отсутствие затенения от токосборных линий на лицевой стороне, что увеличивает площадь приема света;

2. тыльные электроды могут быть выполнены в виде гребенчатой структуры, что обеспечивает более равномерный сбор тока.

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

Тыльная сторона BC-ячейки содержит множество чередующихся p- и n-областей. Между этими областями расположено множество коротких, сильнолегированных PN-переходов. С точки зрения схемы, она 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.

В то же время, из-за того, что эти тыльные PN-переходы короткие и локально сильнолегированные, они могут входить в режим обратного пробоя при относительно низком обратном напряжении.

Конечно, это зависит от конкретных параметров конструкции BC-элемента.

Например, чем меньше зазор между p- и n-областями, тем сильнее локальное поле, и обычно легче получить более низкое напряжение обратного пробоя. Но это также может привести к компромиссам в отношении утечки и шунтирующего сопротивления. Таким образом, толерантность BC-элемента к затенению не является фиксированным числом, она тесно связана со структурой элемента, конструкцией заднего рисунка, размером зазора, концентрацией легирования, качеством пассивации и производственным процессом.

Почему BC-модули теряют меньше мощности после затенения?

Когда модуль частично затенен, затененный элемент смещается в обратном направлении током стринга. По мере ухудшения затенения общее напряжение этого участка стринга продолжает падать.

В традиционных модулях байпасный диод обычно подключается параллельно участку стринга. Байпасный диод не включается активно контроллером. Это пассивное устройство. Проводит он или нет, зависит только от напряжения на нем. Когда общее напряжение этого участка стринга становится достаточно отрицательным, байпасный диод смещается в прямом направлении и включается сам.

Условие включения можно записать как:

Vподстрока ≤ -Vf

Vподстрока — это общее напряжение участка стринга, защищенного байпасным диодом;

Vf — это прямое падение напряжения на байпасном диоде.

Для участка стринга его общее напряжение можно понять как:

Vподстрока = ∑Vнезатененных + ∑Vзатененных

где:

• незатененные элементы все еще создают положительное напряжение;

• затененные элементы смещены в обратном направлении и создают отрицательное напряжение.

Условие включения байпасного диода можно записать как:

∣∑Vзатененных∣ ≥ ∑Vнезатененных + Vf

Другими словами:

сумма обратных напряжений затененных элементов должна превысить сумму прямых напряжений остальных незатененных элементов плюс падение напряжения включения байпасного диода, прежде чем байпасный диод сработает.

Преимущество BC-модуля в том, что еще до включения внешнего байпасного диода собственная задняя межпальцевая PN-структура BC-элемента уже обеспечивает некоторое распределенное обратное проведение. Это ведет себя немного как встроенный в элемент стабилитрон.

При обратном смещении межпальцевая PN-структура на задней стороне BC-элемента может формировать распределенное обратное проведение при более низком напряжении, что ограничивает рост обратного напряжения. Таким образом, при частичном затенении, когда внешний байпасный диод еще не сработал, BC-модуль все еще может выдавать довольно высокую выходную мощность.

Рисунок 2 ВАХ модуля при затенении одного элемента.

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 к затенению не означает невосприимчивость к затенению

Нужно прояснить одно распространенное заблуждение.

BC-элементы лучше переносят затенение, но это не значит, что затенение на них не влияет.

Любая фотоэлектрическая ячейка будет производить меньше энергии, если она затенена.

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

Как только байпасный диод включается, ток обходит всю эту секцию строки. Незатененные ячейки в этой подстроке шунтируются вместе с затененными, и их вклад в выходную мощность заметно падает. Таким образом, когда затененная область велика, преимущество BC-модуля в генерации также ослабевает.

BC-модули, как правило, имеют преимущество, когда:

• одна ячейка или несколько ячеек частично затенены;

• затененная область в каждой подстроке мала;

• затенение диагональное, полосовидное или локально рассеянное;

• внешний байпасный диод еще не полностью включился.

Например, диагональная тень от столба линии электропередачи может оставить в каждой подстроке лишь небольшую затененную область. В этом случае BC-модуль обычно показывает лучшую теневыносливую генерацию.

Почему BC-модули работают холоднее в горячих точках?

BC-модули имеют более низкие температуры горячих точек в основном по двум причинам.

Во-первых, обратный ток распределяется более равномерно

В обычных ячейках распределение обратного тока часто неравномерно. Обратный пробой имеет тенденцию происходить сначала в локальных слабых местах, таких как:

• локальные дефектные участки;

• края ячеек;

• аномальные области металлизации;

• микротрещины или загрязненные участки;

• области со слабой локальной пассивацией.

Эти места действуют как слабые точки.

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

Это как нагревать два объекта одинаковым количеством тепла:

• целая металлическая пластина;

• точка размером с булавочную головку.

Последняя нагревается быстрее, без вопросов.

Таким образом, риск обычной ячейки при затенении заключается не в "равномерном нагреве всей ячейки", а в интенсивном локальном точечном нагреве..

BC-элемент имеет множество переплетающихся PN-переходов на тыльной стороне. Обратная проводимость может распространяться более равномерно по многим областям, вместо того чтобы концентрироваться на нескольких дефектных точках.

Таким образом, распределение обратного тока в BC-элементе более равномерно, локальная плотность мощности ниже, и температура горячей точки также ниже.

Во-вторых, напряжение обратного пробоя ниже

Это видно из формулы мощности горячей точки:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

При одинаковом токе рассогласования, чем ниже обратное напряжение, тем меньше мощность нагрева.

Вот почему низкое напряжение обратного пробоя может фактически работать как механизм защиты при затенении.

Вот простой пример.

Допустим, ток стринга модуля составляет 10 А, и один элемент сильно затенен.

Если обычный элемент достигает обратного напряжения 15 В после затенения, рассеиваемая мощность составляет примерно:

P = 15 В × 10 А = 150 Вт

Если BC-элемент ограничивает напряжение из-за своей тыльной структуры и обратное напряжение ограничено примерно 6 В, рассеиваемая мощность составляет примерно:

P = 6 В × 10 А = 60 Вт

Разница впечатляет.

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

Тем не менее, в некоторых реальных испытаниях и полевом опыте BC-модули обычно работают холоднее в горячих точках, 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», снижая температуру горячей точки примерно до 90 °C, в то время как эталонный модуль находится около 190 °C, что показывает, что эта конструкция с распределенной обратной проводимостью может значительно снизить температуру горячей точки.

Всегда ли более низкое обратное напряжение пробоя лучше?

Не обязательно.

Низкое напряжение обратного пробоя помогает снизить температуру горячей точки при затенении, но может привести к компромиссам в конструкции.

Если путь обратного тока плохо спроектирован, это может увеличить утечку и снизить шунтирующее сопротивление, что ухудшает нормальные характеристики генерации ячейки.

Поэтому высокоэффективная BC-ячейка обычно должна балансировать две цели:

1. во время нормальной работы поддерживать высокую эффективность, низкий ток утечки и высокое шунтирующее сопротивление;

2. при обратном смещении из-за затенения формировать безопасную, равномерную обратную проводимость при низком напряжении.

Вот почему разные BC-элементы различаются по характеристикам затенения.

Некоторые BC-элементы склоняются к эффективности, поэтому они могут быть более изолированными и иметь более высокое напряжение обратного пробоя. Другие склоняются к толерантности к затенению, поэтому они могут проектировать более низкие и равномерные пути обратного пробоя.

Поэтому нельзя просто сказать, что «все BC-элементы одинаково переносят затенение». Более точное утверждение:

хорошо спроектированная BC-ячейка может достичь более низкого и более равномерного обратного пробоя благодаря своей задней интердигитальной PN-переходной структуре, что улучшает устойчивость к затенению и горячим точкам.

Резюме преимуществ BC-ячеек

Собирая всё вместе, преимущества BC-ячейки при затенении в основном включают:

• меньшие потери мощности модуля при затенении небольшой площади до включения внешнего байпасного диода;

• меньшая локальная плотность мощности;

• более низкая температура горячей точки;

• более высокий запас безопасности модуля.

Что это значит для применения модулей?

На практике затенение часто невозможно полностью избежать.

Особенно в распределенных сценариях, таких как:

• жилые крыши;

• коммерческие и промышленные крыши;

• балконные фотоэлектрические системы;

• BIPV;

• многоориентационный монтаж;

• участки со сложными окружающими зданиями.

В этих приложениях модули могут часто частично затеняться.

Если ячейка лучше переносит затенение и меньше нагревается в горячих точках, это означает:

• Лучшая безопасность модуля: более низкая температура горячей точки снижает старение инкапсулянта, 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 частичное 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.

Подведение итогов

BC-ячейки лучше переносят затенение и меньше нагреваются в горячих точках, в основном не потому, что они «не подвержены влиянию затенения», а потому, что имеют преимущества в структуре и поведении при обратном смещении.

У обычной ячейки при затенении обратный пробой может концентрироваться на локальных дефектных точках, вызывая высокую локальную плотность мощности и высокую температуру горячей точки.

Задняя интердигитальная PN-переходная структура BC-ячейки действует как распределенный встроенный обратный фиксатор. При затенении она может формировать обратную проводимость при более низком обратном напряжении и более равномерно распределять обратный ток, что снижает мощность горячей точки и температуру горячей точки.

Но имейте в виду, BC-ячейки не полностью защищены от затенения. Когда затененная область слишком велика, несколько ячеек полностью затенены, и напряжение подстроки становится достаточно отрицательным, внешний байпасный диод все равно включается. В этот момент выходная мощность зашунтированной подстроки заметно падает.

Так что точнее:

Преимущество BC-элемента не в устранении эффектов затенения, а в том, чтобы сделать их более контролируемыми. При малом затенении он может снизить потери мощности; при сильном затенении — уменьшить риск горячих точек.

Это основная причина, по которой BC-элементы работают лучше в сложных условиях затенения.

Мнение Ooitech

Что нас здесь действительно поражает, так это то, что преимущество BC в затенении заключается в этапе металлизации заднего контакта, а не в каком-то волшебном материале, что означает, что линия модулей должна выдерживать жесткие допуски на переплетенный рисунок, чтобы действительно получить этот низкий, равномерный обратный пробой. На производственной линии мы видели, как та же физика проявляется в EL-тестировании и тестировании горячих точек, где неравномерное обратное рисунок проявляется в виде разбросанных точек пробоя задолго до того, как модуль увидит тень. Если вам нравится такой разбор того, что происходит между элементом и готовым модулем, наш канал YouTube по адресу www.youtube.com/ooitech содержит больше изнутри реальных солнечных фабрик.