Bakit Mas Mahusay na Hinahawakan ng BC Solar Cells ang Shading
Talaan ng Nilalaman
Mabilis na sagot: Ang back-contact solar cells ay humahawak ng partial shading nang mas mahusay kaysa sa front-contact cells dahil ang parehong polarity contacts ay nasa likod, na nagbabago kung paano nagre-redistribute ang current kapag ang bahagi ng module ay na-shade. Sa isang front-contact module, ang isang shaded cell ay maaaring mapuwersa sa reverse bias at mag-dissipate ng power bilang heat; ang cell temperature ay maaaring umakyat patungo sa 120 °C hanggang 160 °C sa shaded junction habang ang nakapaligid na module ay nananatili malapit sa 90 °C. Ang rear-junction geometry ng BC cells ay nagbabawas ng reverse-bias stress na nararanasan ng isang shaded cell at ipinapamahagi ang loss sa isang mas maikling conductive path. Ang benepisyo ay totoo ngunit may hangganan: ang BC cells ay nangangailangan pa rin ng bypass diodes at nawawalan pa rin ng output kapag na-shade. Ang nagbabago ay kung gaano karaming heat ang kailangang absorsbihin ng shaded cell bago mag-conduct ang diode, na siyang nagtatakda kung ang isang shading event ay pansamantalang output loss o permanenteng defect.
PV Module Manufacturing · ni Jerry, Ooitech
Introduction
Para sa kung ano ang ginagawa ng hot spot sa encapsulant, backsheet, glass at interconnects — at kung bakit ang temperatura ay isang safety margin sa halip na isang performance number lamang — tingnan ang mga hot spot ng solar panel, bakit mahalaga ang temperatura at kung ano ang nasisira ng init.
Ang shading ay isang napakakaraniwang problema sa mga totoong PV installations.
Ang mga anino ng puno, utility poles, alikabok, dumi ng ibon, snow, kahit bahagyang hindi pantay na module mounting angles ay maaaring lahat magdulot ng partial shading. Ang shading ay hindi lamang nagpapababa ng module output, maaari rin itong mag-trigger ng mas seryosong isyu: hot spots.
Sa nakaraang ilang taon, ang BC solar cells ay nakakuha ng mas marami at mas maraming atensyon sa distributed rooftop, balcony PV, at premium modules. Isang pangunahing dahilan ay ito: Ang BC solar cells ay karaniwang nag-aalok ng mas mahusay na shading tolerance, at ang kanilang hot spot temperatures ay nananatiling mas mababa sa ilalim ng shading.
Sa SNEC, madalas mong makita ang mga manufacturer na nag-shade ng bahagi ng cell string at pagkatapos ay gumagamit ng water height mula sa pump upang ipakita ang shading tolerance ng kanilang BC products.
Kaya bakit may ganitong advantage ang BC cells? Ano ang physics sa likod nito?
Subukan nating ipaliwanag ito sa medyo simpleng mga termino.
Bakit Nagdudulot ng Hot Spots ang Shading
Bakit nagdudulot ng hot spots ang shading?
Ang mga cell sa loob ng isang PV module ay karaniwang konektado sa series.
Ang isang series circuit ay may isang defining trait: ang current ay dapat pareho sa lahat ng dako.
Ibig sabihin, ang current sa buong string ay itinatakda ng loop sa kabuuan. Kapag ang bawat cell ay nakakakuha ng buong liwanag, ang bawat isa ay bumubuo ng power at lahat sila ay nasa medyo pare-parehong estado.
Ngunit kung ang isang cell ay na-shade, ang photo-generated current na maaari nitong mabuo ay bumababa. Kung ang buong string ay kailangan pa ring magdala ng malaking current, ang shaded cell na iyon ay maaaring maitulak sa reverse bias ng iba pang unshaded cells. Sa puntong iyon, tumitigil ito sa pagiging power source at nagiging power consumer.
Para sa partial shading, ang shaded cell ay hindi ganap na tumitigil sa pagbuo. Ang unshaded area nito ay nagbubuo pa rin ng ilang photo-current. Kaya ang aktwal na kailangang dumaloy sa reverse breakdown path, leakage path, o bypass path ay hindi ang buong string current, kundi ang pagkakaiba sa pagitan ng string current at ng current na maaari pa ring mabuo ng cell na iyon.
Ang pagkakaibang ito ay maaaring tawaging mismatch current:
Imismatch = Istring - Igenerate
Kaya ang hot spot power dissipation ay maaaring halos isulat bilang:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch
na kung saan ay:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)
Ang formula na ito ay tumutukoy sa isang pangunahing bagay: sa parehong string current, mas mataas ang reverse voltage, mas maraming power ang dine-dissipate ng shaded cell, at mas umiinit ang hot spot.
Kaya isa sa mga susi sa paglaban sa hot spots ay:
kung paano babaan ang reverse voltage sa shaded cell at gawing mas pantay ang pag-init.
Ito mismo ang lugar kung saan nag-e-excel ang BC cells.
Paano Naiiba ang BC Cells Sa Estruktura
Paano naiiba ang isang BC cell sa estruktura kumpara sa isang regular na cell?
Ang mga ordinaryong crystalline silicon cells ay karaniwang gumagamit ng front-and-back contact structure.
Sa madaling salita:
Ang harap ay may pinong gridlines at busbars, at ang liwanag ay pumapasok mula sa harap;
Ang current ay nabubuo sa loob ng cell at pagkatapos ay kinokolekta sa pamamagitan ng front at back electrodes.
Ang isang BC cell, ibig sabihin ay Back Contact, ay may isang standout feature:
parehong positive at negative electrodes ay nasa likod ng cell, na walang metal gridlines sa harap.
Nagbibigay ito ng dalawang direktang benepisyo:
Walang gridline shading sa harap, kaya mas maraming light-receiving area;
Ang back electrodes ay maaaring gawin sa isang interdigitated pattern, kaya ang current collection ay mas pantay.
Figure 1 Schematic ng BC cell structure.
Source: 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
Ang likod ng isang BC cell ay may dalang maraming interleaved p-regions at n-regions. Sa pagitan ng mga rehiyon na ito ay may maraming maikli, heavily-doped PN junctions. Mula sa circuit view, hindi na ito kumikilos tulad ng isang malaking diode, kundi mas tulad ng maraming maliliit na diodes na magkakapareho sa parallel. Sa ilalim ng reverse bias, ang mga distributed PN junctions na ito ay maaaring bumuo ng mas pantay na reverse conduction path.
Dahil ang mga back PN junctions na ito ay maikli at lokal na heavily doped, maaari silang pumasok sa reverse breakdown sa medyo mababang reverse voltage.
Siyempre, depende ito sa mga partikular na design parameters ng BC cell.
Halimbawa, mas maliit ang gap sa pagitan ng p-region at n-region, mas malakas ang local field, at karaniwang mas madali itong bumuo ng mas mababang reverse breakdown voltage. Ngunit maaari rin itong magdala ng trade-offs sa leakage at shunt resistance. Kaya ang shading tolerance ng isang BC cell ay hindi isang fixed value. Malapit itong nauugnay sa partikular na cell structure, back pattern design, gap size, doping concentration, passivation quality, at manufacturing process.
Bakit Mas Kaunting Power ang Nawawala sa BC Cells Sa Ilalim ng Shading
Bakit mas kaunting power ang nawawala sa BC cells pagkatapos ng shading?
Kapag ang isang module ay bahagyang naaanino, ang kasalukuyang string ay nagtutulak sa naaninong cell sa reverse bias. Habang lumalala ang pagaanino, ang kabuuang boltahe sa substring na iyon ay patuloy na bumababa.
Sa mga tradisyonal na module, ang isang bypass diode ay karaniwang inilalagay nang parallel sa isang seksyon ng string. Ang bypass diode ay hindi aktibong binubuksan ng isang controller. Ito ay isang passive na device. Kung ito ay magsasagawa ay nakasalalay lamang sa boltahe sa kabuuan nito. Kapag ang kabuuang boltahe ng substring na iyon ay naging sapat na negatibo, ang bypass diode ay nagiging forward biased at awtomatikong bumubukas.
Ang kondisyon ng pagbukas ay maaaring isulat bilang:
Vsubstring ≤ -Vf
Ang Vsubstring ay ang kabuuang boltahe ng substring na pinoprotektahan ng bypass diode;
Ang Vf ay ang forward voltage drop ng bypass diode.
Para sa isang substring, ang kabuuang boltahe nito ay mauunawaan bilang:
Vsubstring = ∑Vunshaded + ∑Vshaded
kung saan:
Ang mga hindi naaninong cell ay nagpo-produce pa rin ng forward voltage;
Ang mga naaninong cell ay reverse biased at nagpo-produce ng negatibong boltahe.
Ang kondisyon ng pagbukas ng bypass diode ay mababasa bilang:
∣∑Vshaded∣ ≥ ∑Vunshaded + Vf
Sa madaling salita:
ang kabuuang reverse voltage ng mga naaninong cell ay kailangang lumampas sa kabuuang forward voltage ng natitirang hindi naaninong mga cell, kasama ang forward drop ng bypass diode, bago bumukas ang bypass diode.
Ang bentahe ng BC modules ay, bago pa man bumukas ang external bypass diode, ang interdigitated back PN junction structure ng BC cell mismo ay nagbibigay na ng ilang distributed reverse conduction capability. Ito ay kumikilos nang medyo parang built-in na Zener diode sa loob ng cell.
Sa ilalim ng reverse bias, ang interdigitated back PN junctions ng isang BC cell ay maaaring bumuo ng distributed reverse conduction sa mas mababang boltahe, na nililimitahan ang karagdagang pagtaas ng reverse voltage. Kaya sa ilalim ng partial shading, kapag ang external bypass diode ay hindi pa bumubukas, ang isang BC module ay maaari pa ring mapanatili ang medyo mataas na output power.
Figure 2 IV curve ng module na may isang cell na naanino.
Pinagmulan: E. Özkalay, F. Valoti, M. Caccivio, A. Virtuani, G. Friesen, at C. Ballif, "Ang epekto ng partial shading sa pagiging maaasahan ng mga photovoltaic module sa built-environment," EPJ Photovoltaics, vol. 15, p. 7, Ene. 2024, doi: 10.1051/epjpv/2024001. Makukuha sa: https://doi.org/10.1051/epjpv/2024001
Ang Mas Mabuting Tolerance ay Hindi Nangangahulugang Immune sa Pagaanino
Ang mas mabuting shading tolerance ay hindi nangangahulugang ang mga BC cell ay immune sa pagaanino
Isang karaniwang maling kuru-kuro ang kailangang linawin.
Ang mas mabuting shading tolerance ay hindi nangangahulugang ang isang BC cell ay hindi apektado ng pagaanino.
Anumang PV cell ay nagpo-produce ng mas kaunting power kapag ito ay naanino.
Kung ang naaninong lugar sa loob ng isang substring ay naging masyadong malaki, o ilang cell ang ganap na naanino, ang kabuuang reverse voltage ng mga naaninong cell ay maaari pa ring tuluyang lumampas sa kabuuang forward voltage ng natitirang hindi naaninong mga cell. Sa puntong iyon, bubukas ang external bypass diode.
Kapag bumukas na ang bypass diode, ang kasalukuyang ay dumadaan sa paligid ng buong substring na iyon. Ang mga hindi naaninong cell sa substring na iyon ay na-bypass din, at ang kanilang kontribusyon sa output ay biglang bumababa. Kaya kapag ang naaninong lugar ay malaki, ang generation advantage ng isang BC module ay humihina rin.
Ang mga senaryo kung saan talagang nagiging kapansin-pansin ang mga BC module ay karaniwang:
Isang cell o ilang cell ang bahagyang naanino;
Ang naaninong lugar sa bawat substring ay nananatiling maliit;
Ang pagaanino ay diagonal, hugis-strip, o lokal na nakakalat;
Ang external bypass diode ay hindi pa ganap na bumubukas.
Halimbawa, ang isang diagonal na anino mula sa isang utility pole ay maaaring mag-iwan sa bawat substring ng maliit lamang na naaninong lugar. Sa ganoong kaso, ang isang BC module ay may tendensiyang ipakita ang mas mabuting shading-tolerant generation nito.
Bakit Mas Malamig ang Hot Spots ng BC Modules
Bakit mas mababa ang hot spot temperatures ng BC modules?
May dalawang pangunahing dahilan kung bakit mas malamig ang hot spots ng BC modules.
Una, ang reverse current ay mas nakakalat
Para sa mga ordinaryong cell, ang distribusyon ng reverse current ay kadalasang hindi pantay. Ang reverse breakdown ay maaaring unang mangyari sa ilang lokal na mahihinang bahagi, tulad ng:
Mga lokal na defect site;
Mga gilid ng cell;
Mga anomalya sa metallization;
Mga microcrack o kontaminadong lugar;
Mga rehiyon na may mas mahinang lokal na passivation.
Ang mga bahaging ito ay kumikilos na parang mahihinang punto.
Kapag ang reverse current ay nag-concentrate sa mga mahihinang puntong ito, ang lokal na power density ay nagiging napakataas, mabilis na tumataas ang temperatura, at nabubuo ang malinaw na hot spot.
Ito ay parang paggamit ng parehong dami ng init sa dalawang bagay:
Isang buong metal plate;
Isang maliit na bahagi na kasingliit ng pin.
Ang huli ay tiyak na mas mabilis uminit.
Kaya ang panganib para sa isang ordinaryong cell sa ilalim ng pagaanino ay hindi "pantay na pag-init sa buong cell," kundi malakas na lokal na point heating.
Ang isang BC cell ay may maraming interdigitated PN junctions sa likod nito. Ang reverse conduction ay mas madaling kumalat sa maraming rehiyon sa halip na mag-concentrate sa ilang defect point.
Kaya ang reverse current sa isang BC cell ay mas pantay na naipapamahagi, ang lokal na power density ay nananatiling mas mababa, at ang hot spot temperature ay nananatiling mas mababa rin.
Ikalawa, ang reverse breakdown voltage ay mas mababa
Mula sa hot spot power formula:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch
sa parehong mismatch current, ang mas mababang reverse voltage ay nangangahulugan ng mas kaunting power dissipation.
Iyon ang dahilan kung bakit ang isang mababang reverse breakdown voltage ay maaaring kumilos bilang mekanismo ng proteksyon sa mga senaryo ng pagaanino.
Narito ang isang simpleng halimbawa.
Sabihin nating ang string current ay 10A at ang isang cell ay matinding naanino.
Kung ang isang ordinaryong cell ay umabot sa 15V reverse voltage pagkatapos maanino, ang power na dinidisiipate nito ay humigit-kumulang:
P = 15V × 10A = 150W
Kung ang isang BC cell ay nag-clamp dahil sa back structure nito at ang reverse voltage ay nalilimitahan sa humigit-kumulang 6V, ang power na dinidisiipate nito ay humigit-kumulang:
P = 6V × 10A = 60W
Ang pagkakaiba ay napakalinaw.
Ang tunay na temperatura ng hot spot ay depende sa shaded area, ambient temperature, bilis ng hangin, encapsulation ng module, laki ng salamin, disenyo ng cell, at paraan ng pagsubok, kaya hindi mo ito mahuhusgahan sa isang nakapirming numero lamang.
Ngunit sa ilang tunay na pagsubok at karanasan sa field, ang mga BC module ay karaniwang may mas mababang hot spot temperature kaysa sa mga conventional. Halimbawa, ang ilang BC module ay kayang panatilihin ang hot spot temperature sa ibaba ng mga 120 °C, habang ang ibang uri ng module ay maaaring umabot sa 160 °C o mas mataas pa.
Ang ilang espesyal na dinisenyong BC cell ay nakakamit ng isang bagay tulad ng "built-in bypass diode sa loob ng cell." Maaari nitong ibaba ang hot spot temperature sa mga 90 °C habang ang reference module ay nasa paligid ng 190 °C, na nagpapakita na ang ganitong distributed reverse conduction design ay makabuluhang nakakababa ng hot spot temperature.
Laging Mas Mabuti ba ang Mas Mababang Reverse Breakdown Voltage
Laging mas mabuti ba ang mas mababang reverse breakdown voltage?
Hindi kinakailangan.
Ang mababang reverse breakdown voltage ay tumutulong na ibaba ang hot spot temperature sa panahon ng shading, ngunit maaari rin itong magdala ng mga trade-off sa disenyo.
Kung ang reverse conduction path ay hindi maayos na dinisenyo, maaari nitong taasan ang leakage at ibaba ang shunt resistance, na nakakasama sa normal na performance ng pagbuo ng kuryente ng cell.
Kaya ang isang high-efficiency BC cell ay karaniwang kailangang balansehin ang dalawang layunin:
Sa normal na operasyon, panatilihin ang mataas na efficiency, mababang leakage, at mataas na shunt resistance;
Sa ilalim ng shading reverse bias, bumuo ng ligtas at pantay na reverse conduction sa mas mababang boltahe.
Ito rin ang dahilan kung bakit nagkakaiba ang shading tolerance sa iba't ibang BC cell.
Ang ilang BC cell ay nakahilig sa efficiency at maaaring bumuo ng mas malakas na isolation, kaya mas mataas ang kanilang reverse breakdown voltage. Ang iba ay nakahilig sa shading tolerance at maaaring magdisenyo ng mas mababa at mas pantay na reverse breakdown path.
Kaya hindi mo basta masasabi na "lahat ng BC cell ay may parehong shading tolerance." Ang mas tumpak na paraan ng pagsasabi ay:
ang isang mahusay na dinisenyong BC cell ay maaaring gamitin ang interdigitated back PN junction structure nito upang makamit ang mas mababa at mas pantay na reverse breakdown, at pinapabuti nito ang shading at hot spot tolerance.
Mga Kalamangan ng BC Cell na Buod
Mga kalamangan ng BC cell na buod
Sa kabuuan, ang mga kalamangan ng BC cell sa ilalim ng shading ay pangunahing kasama ang:
Mas maliit na module generation loss sa ilalim ng small-area shading, bago mag-on ang external bypass diode;
Mas mababang local power density;
Mas mababang hot spot temperature;
Mas mataas na module safety margin.
Ano ang Ibig Sabihin Nito Para sa Mga Aplikasyon ng Module
Ano ang ibig sabihin nito para sa mga aplikasyon ng module?
Sa tunay na paggamit, ang shading ay madalas na hindi ganap na maiiwasan.
Lalo na sa mga distributed scenario, tulad ng:
Residential rooftops;
Commercial at industrial rooftops;
Balcony PV;
BIPV;
Multi-orientation mounting;
Mga site na napapalibutan ng kumplikadong mga gusali.
Sa mga aplikasyong ito, ang mga module ay madalas na nahaharap sa lokal na shading.
Kung ang isang cell ay may mas mahusay na shading tolerance at mas mababang hot spot temperature, ibig sabihin:
Mas mahusay na module safety: ang mababang hot spot temperature ay nagpapababa ng encapsulation aging, backsheet damage, lokal na stress sa salamin, at electrical risk.
Mas mahusay na pangmatagalang reliability: ang lokal na mataas na temperatura ay nagpapabilis ng pagtanda ng materyal. Ang mas mahina ang hot spot, mas stable ang module sa paglipas ng panahon.
Mas kontroladong generation loss: kapag ang lokal na shading ay hindi maiiwasan, ang BC module ay makakapagpababa ng bahagi ng power loss.
Mas friendly na disenyo ng system.
Ang mga BC module ay mas umaangkop sa kumplikadong mga bubong, distributed mounting environments, at multi-shading scenarios.
Buod
Buod
Ang mga BC cell ay nag-aalok ng mas mahusay na shading tolerance at mas mababang hot spot temperature, hindi dahil sila ay "hindi apektado ng shading," kundi dahil may mga kalamangan sila sa istruktura at reverse bias behavior.
Sa ilalim ng shading, ang mga ordinaryong cell ay maaaring makaranas ng reverse breakdown na nagko-concentrate sa lokal na mga defect point, na nagdudulot ng mataas na local power density at mataas na hot spot temperature.
Ang interdigitated back PN junction structure ng isang BC cell ay kumikilos tulad ng isang distributed built-in reverse clamp. Sa ilalim ng shading, makakabuo ito ng reverse conduction sa mas mababang reverse voltage at mas pantay na ipinapamahagi ang reverse current, na nagpapababa sa parehong hot spot power at hot spot temperature.
Ngunit tandaan, ang mga BC cell ay hindi ganap na immune sa shading. Kapag ang shaded area ay masyadong malaki, ang ilang cell ay ganap na shaded, at ang substring voltage ay nagiging sapat na negatibo, ang external bypass diode ay nag-o-on pa rin. Sa puntong iyon, ang bypassed substring output ay kapansin-pansing bumababa.
Kaya ang mas tumpak na paraan ng pagsasabi:
ang kalamangan ng isang BC cell ay hindi ang alisin ang epekto ng shading, kundi gawing mas kontrolado ang epektong iyon. Sa ilalim ng small-area shading, binabawasan nito ang power loss; sa ilalim ng mabigat na shading, binabawasan nito ang hot spot risk.
Ito ang pangunahing dahilan kung bakit ang mga BC cell ay may kalamangan sa kumplikadong mga shading environment.
Pananaw ng Ooitech
Ang kawili-wiling bahagi dito ay ang shading tolerance ay hindi lamang isang pagpipilian sa disenyo ng cell, ito rin ay depende sa kung gaano ka-consistent ang interdigitated back pattern na naire-reproduce sa bawat cell sa isang linya. Ang maliliit na paglihis sa metallization, laki ng gap, o kalidad ng passivation ay maaaring magbago sa reverse breakdown behavior na inilarawan natin, kaya ang process control sa mga BC module line ay kasinghalaga ng cell recipe. Ang Ooitech ay maraming taon nang bumubuo ng turnkey module production lines para sa TOPCon, HPBC, ABC at iba pang BC-type modules, kaya sinusubaybayan namin nang mabuti ang mga back-contact process window na ito. Kung gusto mong makita kung paano talaga ginagawa ang mga module na ito sa factory floor, ang aming YouTube channel sa www.youtube.com/ooitech ay may maraming tunay na footage ng production line na sulit tingnan.
