Panimula

Ang shading ay isang napakakaraniwang problema sa totoong PV installations.

Mga anino ng puno, utility poles, alikabok, dumi ng ibon, snow, kahit bahagyang hindi pantay na mounting angles ng module ay maaaring magdulot ng partial shading. Ang shading ay hindi lamang nagpapababa ng output ng module, maaari rin itong mag-trigger ng mas seryosong isyu: hot spots.

Sa nakalipas na ilang taon, ang BC solar cells ay nakakuha ng higit na 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 temperature 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 ginagamit ang taas ng tubig mula sa isang 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 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 serye.

Ang isang series circuit ay may isang katangian: ang kasalukuyang ay dapat na pareho sa lahat ng dako.

Ibig sabihin, ang kasalukuyang sa buong string ay itinakda ng loop sa kabuuan. Kapag ang bawat cell ay nakakatanggap ng buong liwanag, bawat isa ay gumagawa ng kuryente at lahat sila ay nasa isang medyo pare-parehong estado.

Ngunit kung ang isang cell ay may shade, ang photo-generated current na kayang gawin nito ay bumababa. Kung ang buong string ay kailangan pa ring magdala ng malaking current, ang shaded na cell ay maaaring mapilitan sa reverse bias ng iba pang hindi shaded na mga cell. Sa puntong iyon, ito ay tumitigil sa pagiging power source at nagiging power consumer.

Para sa partial shading, ang shaded na cell ay hindi ganap na humihinto sa pag-generate. Ang hindi shaded na bahagi nito ay gumagawa pa rin ng ilang photo-current. Kaya ang aktwal na dapat 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 kayang gawin ng cell na iyon.

Ang pagkakaibang ito ay maaaring tawaging mismatch current:

Imismatch = Istring - Igenerate

Kaya ang hot spot power dissipation ay maaaring isulat nang halos ganito:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

na kung saan ay:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)

Ang formula na ito ay tumuturo sa isang mahalagang bagay: sa parehong string current, mas mataas ang reverse voltage, mas maraming power ang na-dissipate ng shaded na 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 na cell at gawing mas pantay ang pag-init.

Ito mismo ang kung saan kumikinang ang BC cells.

Paano Nagkakaiba ang BC Cells sa Istruktura

Paano naiiba ang istruktura ng BC cell sa regular na cell?

Ang 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 nalilikha sa loob ng cell at pagkatapos ay kinokolekta sa pamamagitan ng front at back electrodes.

Ang BC cell, na nangangahulugang Back Contact, ay may isang natatanging tampok:

parehong positive at negative electrodes ay nasa likod ng cell, walang metal gridlines sa harap.

Iyan ay nagbibigay ng dalawang direktang benepisyo:

1. Walang gridline shading sa harap, kaya mas maraming light-receiving area;

2. Ang back electrodes ay maaaring gawing interdigitated pattern, kaya mas pantay ang koleksyon ng current.

Figure 1 Schematic ng istruktura ng BC cell.

Pinagmulan: 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 nagdadala ng maraming magkakasamang p-rehiyon at n-rehiyon. Sa pagitan ng mga rehiyong ito ay maraming maikli at mabigat na doped na PN junction. Mula sa pananaw ng circuit, hindi na ito kumikilos tulad ng isang malaking diode, kundi parang maraming maliliit na diode na magkakasabay. Sa ilalim ng reverse bias, ang mga distributed na PN junction na ito ay maaaring bumuo ng mas pantay na reverse conduction path.

Dahil ang mga back PN junction na ito ay maikli at lokal na mabigat na doped, maaari silang pumasok sa reverse breakdown sa medyo mababang reverse voltage.

Siyempre, ito ay nakadepende sa mga tiyak na parameter ng disenyo ng BC cell.

Halimbawa, mas maliit ang agwat sa pagitan ng p-rehiyon at n-rehiyon, mas malakas ang lokal na field, at karaniwang mas madaling bumuo ng mas mababang reverse breakdown voltage. Ngunit maaari rin itong magdulot ng trade-off sa leakage at shunt resistance. Kaya ang shading tolerance ng isang BC cell ay hindi isang nakapirming halaga. Ito ay malapit na nauugnay sa tiyak na istraktura ng cell, disenyo ng back pattern, laki ng agwat, konsentrasyon ng doping, kalidad ng passivation, at proseso ng paggawa.

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 na-shade, ang string current ay nagtutulak sa shaded cell papunta sa reverse bias. Habang lumalala ang shading, patuloy na bumababa ang kabuuang boltahe sa substring na iyon.

Sa tradisyonal na mga module, ang isang bypass diode ay karaniwang inilalagay nang magkakasabay sa isang seksyon ng string. Ang bypass diode ay hindi aktibong binubuksan ng isang controller. Ito ay isang passive device. Kung ito ay magsasagawa ay nakadepende 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 protektado 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 unshaded na cell ay gumagawa pa rin ng forward voltage;

• Ang mga shaded na cell ay reverse biased at gumagawa ng negatibong boltahe.

Ang kondisyon ng pag-on ng bypass diode ay mababasa bilang:

∣∑Vshaded∣ ≥ ∑Vunshaded + Vf

Sa madaling salita:

ang kabuuang reverse boltahe ng mga shaded na cell ay dapat lumampas sa kabuuang forward boltahe ng natitirang unshaded na mga cell, kasama ang forward drop ng bypass diode, bago mag-on ang bypass diode.

Ang bentahe ng BC modules ay na, bago pa man mag-on ang external bypass diode, ang interdigitated back PN junction structure ng BC cell mismo ay nagbibigay na ng distributed reverse conduction capability. Ito ay 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 naglilimita sa karagdagang pagtaas ng reverse boltahe. Kaya sa ilalim ng partial shading, kapag ang external bypass diode ay hindi pa naka-on, 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 shaded.

Source: 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. Available: https://doi.org/10.1051/epjpv/2024001

Ang Mas Mahusay na Pagtitiis ay Hindi Nangangahulugang Immune sa Shading

Ang mas mahusay na shading tolerance ay hindi nangangahulugang ang BC cells ay immune sa shading

Isang karaniwang maling akala ang kailangang linawin.

Ang mas mahusay na shading tolerance ay hindi nangangahulugang ang isang BC cell ay hindi naaapektuhan ng shading.

Ang anumang PV cell ay gumagawa ng mas kaunting power kapag ito ay shaded.

Kung ang shaded area sa loob ng isang substring ay masyadong malaki, o ilang mga cell ay ganap na shaded, ang kabuuang reverse boltahe ng mga shaded na cell ay maaari pa ring lumampas sa kabuuang forward boltahe ng natitirang unshaded na mga cell. Sa puntong iyon, ang external bypass diode ay mag-o-on.

Kapag nag-on ang bypass diode, ang current ay dumadaan sa paligid ng buong substring na iyon. Ang mga unshaded na cell sa substring na iyon ay na-bypass din, at ang kanilang kontribusyon sa output ay bumaba nang husto. Kaya kapag malaki ang shaded area, humihina rin ang generation advantage ng isang BC module.

Ang mga sitwasyon kung saan talagang nagpapakita ng galing ang BC modules ay karaniwang:

• Isang cell o ilang mga cell ang nakakakuha ng partial shading;

• Ang may kulay na lugar sa bawat substring ay nananatiling maliit;

• Ang pagtatabing ay dayagonal, hugis-strip, o lokal na nakakalat;

• Ang panlabas na bypass diode ay hindi pa ganap na naka-on.

Halimbawa, ang isang dayagonal na anino mula sa isang poste ng kuryente ay maaaring mag-iwan sa bawat substring ng maliit na may kulay na lugar. Sa kasong iyon, ang isang BC module ay may posibilidad na magpakita ng mas mahusay na pagbuo ng kuryente sa ilalim ng pagtatabing.

Bakit Mas Malamig ang Hot Spots ng BC Modules

Bakit mas mababa ang temperatura ng hot spot sa BC modules?

Mayroong dalawang pangunahing dahilan kung bakit mas malamig ang hot spots ng BC modules.

Una, mas kumakalat ang reverse current

Para sa ordinaryong cells, ang distribusyon ng reverse current ay madalas na hindi pantay. Ang reverse breakdown ay maaaring unang mangyari sa ilang lokal na mahinang punto, tulad ng:

• Mga lokal na depekto;

• Mga gilid ng cell;

• Mga anomalya sa metallization;

• Mga microcrack o kontaminadong lugar;

• Mga rehiyon na may mahinang lokal na passivation.

Ang mga spot na ito ay kumikilos tulad ng mga mahinang punto.

Kapag ang reverse current ay nag-concentrate sa mga mahinang punto na ito, ang lokal na power density ay nagiging napakataas, mabilis na tumataas ang temperatura, at nabubuo ang isang malinaw na hot spot.

Parang paggamit ng parehong dami ng init sa dalawang bagay:

• Isang buong metal plate;

• Isang puntong kasing laki ng pinhead.

Ang huli ay tiyak na mas mabilis uminit.

Kaya ang panganib para sa isang ordinaryong cell sa ilalim ng pagtatabing ay hindi 'pantay na pag-init sa buong cell,' kundi malakas na lokal na pag-init sa punto.

Ang isang BC cell ay may maraming interdigitated PN junctions sa likod nito. Ang reverse conduction ay maaaring kumalat nang mas madali sa maraming rehiyon sa halip na mag-concentrate sa ilang defect point.

Kaya ang reverse current sa isang BC cell ay mas pantay na namamahagi, ang lokal na power density ay nananatiling mas mababa, at ang temperatura ng hot spot ay nananatiling mas mababa rin.

Pangalawa, mas mababa ang reverse breakdown voltage

Mula sa formula ng hot spot power:

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 mababang reverse breakdown voltage ay maaaring kumilos bilang isang mekanismo ng proteksyon sa mga sitwasyon ng pagtatabing.

Narito ang isang simpleng halimbawa.

Sabihin nating ang kasalukuyang string ay 10A at isang cell ay lubhang naliliman.

Kung ang isang ordinaryong cell ay umabot sa 15V reverse voltage pagkatapos maliliman, ang power na nawawala 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 limitado sa humigit-kumulang 6V, ang power na nawawala nito ay humigit-kumulang:

P = 6V × 10A = 60W

Ang pagkakaiba ay napakalinaw.

Ang aktwal na temperatura ng hot spot ay depende sa naliliman na lugar, temperatura ng paligid, bilis ng hangin, encapsulation ng module, laki ng salamin, disenyo ng cell, at paraan ng pagsubok, kaya hindi mo ito mahuhusgahan sa pamamagitan ng iisang fixed number.

Ngunit sa ilang aktwal na pagsubok at field experience, ang mga BC module ay karaniwang may mas mababang hot spot temperature kaysa sa mga conventional. Halimbawa, ang ilang BC module ay maaaring panatilihin ang hot spot temperature sa ibaba ng humigit-kumulang 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 ang isang bagay tulad ng "built-in bypass diode sa loob ng cell." Iyon ay maaaring magpababa ng hot spot temperature sa humigit-kumulang 90 °C habang ang isang reference module ay nasa paligid ng 190 °C, na nagpapakita na ang ganitong uri ng distributed reverse conduction design ay maaaring makabuluhang bawasan ang hot spot temperature.

Mas Mabuti Ba ang Mas Mababang Reverse Breakdown Voltage?

Ang mas mababang reverse breakdown voltage ba ay laging mas mabuti?

Hindi naman kinakailangan.

Ang mababang reverse breakdown voltage ay tumutulong na mapababa ang hot spot temperature sa panahon ng paglilim, ngunit maaari rin itong magdulot ng mga trade-off sa disenyo.

Kung ang reverse conduction path ay hindi maganda ang disenyo, maaari itong magpataas ng leakage at magpababa ng shunt resistance, na nakakasama sa normal na pagganap ng cell.

Kaya ang isang high-efficiency BC cell ay karaniwang kailangang balansehin ang dalawang layunin:

1. Sa normal na operasyon, panatilihin ang mataas na efficiency, mababang leakage, at mataas na shunt resistance;

2. Sa ilalim ng shading reverse bias, bumuo ng ligtas at pantay na reverse conduction sa mas mababang boltahe.

Iyon din ang dahilan kung bakit ang shading tolerance ay nag-iiba sa pagitan ng iba't ibang BC cell.

Ang ilang BC cell ay mas nakatuon sa efficiency at maaaring bumuo ng mas malakas na isolation, kaya ang kanilang reverse breakdown voltage ay mas mataas. Ang iba naman ay mas nakatuon sa shading tolerance at maaaring magdisenyo ng mas mababa at mas pantay na reverse breakdown paths.

Kaya hindi mo masasabing "lahat ng BC cell ay may parehong shading tolerance." Ang mas tumpak na paraan upang sabihin ito ay:

Ang isang mahusay na disenyong BC cell ay maaaring gumamit ng interdigitated back PN junction structure nito upang makamit ang mas mababa at mas pantay na reverse breakdown, at ito ay nagpapabuti sa shading at hot spot tolerance.

Buod ng Mga Bentahe ng BC Cell

Buod ng mga bentahe ng BC cell

Sa kabuuan, ang mga bentahe ng BC cells sa ilalim ng shading ay pangunahing kasama ang:

• Mas maliit na module generation loss sa ilalim ng maliit na lugar na shading, bago bumukas 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 lubos na maiiwasan.

Lalo na sa mga distributed scenarios, tulad ng:

• Mga bubong ng tirahan;

• Mga bubong ng komersyal at industriyal;

• Balcony PV;

• BIPV;

• Multi-orientation mounting;

• Mga site na napapalibutan ng mga kumplikadong gusali.

Sa mga aplikasyong ito, ang mga module ay madalas na nakakaranas ng lokal na shading.

Kung ang isang cell ay may mas mahusay na shading tolerance at mas mababang hot spot temperature, nangangahulugan ito ng:

• Mas mahusay na kaligtasan ng module: ang mababang hot spot temperature ay nagbabawas ng encapsulation aging, backsheet damage, local glass stress, at electrical risk.

• Mas mahusay na pangmatagalang pagiging maaasahan: ang lokal na mataas na temperatura ay nagpapabilis ng pagtanda ng materyal. Kung mas mahina ang hot spot, mas nananatiling matatag ang module sa paglipas ng panahon.

• Mas kontroladong generation loss: kapag ang lokal na shading ay hindi maiiwasan, ang isang BC module ay maaaring magpabawas ng bahagi ng pagkawala ng kuryente.

• Mas magiliw na disenyo ng sistema.

Ang mga BC module ay mas mahusay na umaangkop sa mga kumplikadong bubong, distributed mounting environment, 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 "hindi sila naaapektuhan ng shading," kundi dahil may mga bentahe sila sa istraktura at reverse bias behavior.

Sa ilalim ng shading, ang mga ordinaryong cell ay maaaring makaranas ng reverse breakdown na kumokonsentra sa mga lokal na defect point, na humahantong sa mataas na local power density at mataas na hot spot temperature.

Ang interdigitated back PN junction structure ng isang BC cell ay gumagana tulad ng isang distributed built-in reverse clamp. Sa ilalim ng shading, maaari itong bumuo ng reverse conduction sa mas mababang reverse voltage at mas pantay na maikalat 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 masyadong malaki ang shaded area, maraming cell ang fully shaded, at ang substring voltage ay sapat na negatibo, ang external bypass diode ay bumubukas pa rin. Sa puntong iyon, ang bypassed substring output ay kapansin-pansing bumababa.

Kaya isang mas tumpak na paraan upang sabihin ito:

ang bentahe ng isang BC cell ay hindi upang alisin ang epekto ng shading, kundi upang gawing mas kontrolado ang epektong iyon. Sa ilalim ng maliit na lugar na shading, binabawasan nito ang pagkawala ng kuryente; sa ilalim ng mabigat na shading, pinabababa nito ang panganib ng hot spot.

Iyan ang pangunahing dahilan kung bakit ang mga BC cell ay may kalamangan sa mga kumplikadong shading environment.

Pananaw ng Ooitech

Ang kawili-wiling bahagi dito ay ang shading tolerance ay hindi lamang isang pagpipilian sa disenyo ng cell, depende rin ito sa kung gaano kaconsistent ang interdigitated back pattern na iyon na na-reproduce sa bawat cell sa isang linya. Ang maliliit na paglihis sa metallization, gap size, o passivation quality ay maaaring magbago ng reverse breakdown behavior na inilarawan natin, kaya naman ang process control sa BC module lines ay kasinghalaga ng cell recipe. Ang Ooitech ay gumugol ng maraming taon sa pagbuo ng turnkey module production lines para sa TOPCon, HPBC, ABC at iba pang BC-type modules, kaya binabantayan naming mabuti ang mga back-contact process windows 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 real production line footage na dapat panoorin.