Introduksyon ng Produkto

Ang shading ay isa sa mga pinakakaraniwang problema sa totoong mundo na PV installations.

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

Kamakailan, ang BC solar cells ay nakakuha ng maraming atensyon sa distributed rooftops, balcony PV, at premium modules. Isang malaking dahilan: Ang BC cells ay karaniwang mas mahusay na humahawak ng shading, at mas mababa ang hot-spot temperature nila sa ilalim ng shading.

Sa SNEC, madalas mong makita ang mga vendor na nag-shade ng bahagi ng cell at pagkatapos ay ipinapakita ang shading tolerance ng kanilang BC products sa pamamagitan ng pagmamasid kung gaano kataas ang spray ng water pump.

Kaya bakit may ganitong advantage ang BC cells? Ano ang physics sa likod nito?

Subukan nating ipaliwanag ito sa simpleng wika.

Bakit nagdudulot ng hot spots ang shading?

Ang mga cell sa isang PV module ay karaniwang naka-wire nang series.

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

Ibig sabihin, ang current sa buong string ay itinakda ng series loop nang magkasama. Kapag ang bawat cell ay nakakakuha ng buong liwanag, bawat isa ay gumagawa ng power at sila ay kumikilos nang pare-pareho.

Ngunit kung ang isang cell ay na-shade, ang photo-generated current na kayang gawin nito ay bumababa. Kung ang string ay kailangan pa ring magpasa ng mas malaking current, ang shaded cell na iyon ay mapipilitang pumasok sa reverse bias ng iba pang unshaded cells. Sa puntong iyon, ito ay tumitigil sa pagiging generator at nagiging power-consuming element.

Para sa partial shading, ang shaded cell ay hindi ganap na patay. Ang hindi shaded na bahagi ay gumagawa pa rin ng 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.

Maaari nating tawagin ang pagkakaibang ito na mismatch current:

Imismatch = Istring - Igenerate

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

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

na kung saan ay:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)

Ang pormulang ito ay tumuturo sa isang pangunahing isyu: sa parehong string current, mas mataas ang reverse voltage, mas maraming power ang nasusunog ng shaded cell, at mas umiinit ang hot spot.

Kaya isang susi sa paglaban sa hot spots ay:

kung paano babaan ang reverse voltage sa shaded cell, at mas pantay na ipamahagi ang init.

Ito mismo ang kung saan kumikinang ang BC cells.

Paano naiiba ang istraktura ng isang BC cell sa isang ordinaryong cell?

Ang mga ordinaryong crystalline silicon cell ay karaniwang may 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, kapag nabuo sa loob ng cell, ay kinokolekta ng mga electrodes sa harap at likod.

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

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

Nagdudulot ito ng dalawang direktang benepisyo:

1. walang gridline shading sa harap, kaya mas malaking lugar na tumatanggap ng liwanag;

2. ang mga electrodes sa likod ay maaaring gawing interdigitated, kaya mas pantay ang koleksyon ng current.

Figure 1 Schematic ng istraktura 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 maraming interleaved p at n regions. Sa pagitan ng mga rehiyong ito ay maraming maikli, heavily-doped PN junctions. Mula sa pananaw ng circuit, hindi na ito kumikilos tulad ng isang malaking diode, kundi parang maraming maliliit na diode na parallel. Sa ilalim ng reverse bias, ang mga distributed PN junctions na ito ay maaaring bumuo ng mas pantay na reverse conduction path.

Kasabay nito, dahil ang mga back PN junctions na ito ay maikli at locally heavily 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 at n regions, mas malakas ang local field, at kadalasan ay mas madaling makakuha 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 fixed number, ito ay mahigpit na nakatali sa cell structure, back pattern design, gap size, doping concentration, passivation quality, at manufacturing process.

Bakit ang mga BC module ay mas kaunti ang nawawalang power pagkatapos ng shading?

Kapag ang isang module ay bahagyang na-shade, ang shaded cell ay napipilitang mag-reverse bias dahil sa string current. Habang lumalala ang shading, patuloy na bumababa ang kabuuang boltahe ng bahaging iyon ng string.

Sa tradisyonal na modules, ang isang bypass diode ay karaniwang naka-wire nang parallel sa isang bahagi ng string. Ang bypass diode ay hindi aktibong naka-switch on ng isang controller. Ito ay isang passive device. Kung ito ay mag-conduct ay nakadepende lamang sa boltahe sa kabila nito. Kapag ang kabuuang boltahe ng bahaging iyon ng string ay naging sapat na negatibo, ang bypass diode ay magiging forward-biased at bubukas nang mag-isa.

Ang kondisyon ng pagbukas ay maaaring isulat bilang:

Vsubstring ≤ -Vf

Ang Vsubstring ay ang kabuuang boltahe ng bahagi ng string na protektado ng bypass diode;

Ang Vf ay ang forward voltage drop ng bypass diode.

Para sa isang bahagi ng string, ang kabuuang boltahe nito ay mauunawaan bilang:

Vsubstring = ∑Vunshaded + ∑Vshaded

kung saan:

• ang mga unshaded cells ay gumagawa pa rin ng positibong boltahe;

• ang mga shaded cells 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 kabuuan ng reverse voltages ng mga shaded cells ay dapat lumampas sa kabuuan ng forward voltages ng natitirang unshaded cells, kasama ang turn-on drop ng bypass diode, bago mag-activate ang bypass diode.

Ang bentahe ng isang BC module ay, bago pa man mag-on ang external bypass diode, ang sariling back interdigitated PN junction structure ng BC cell ay nagbibigay na ng distributed reverse conduction. Ito ay medyo katulad ng isang zener diode na naka-embed sa cell.

Sa ilalim ng reverse bias, ang interdigitated PN junction structure sa likod ng isang BC cell ay maaaring bumuo ng distributed reverse conduction sa mas mababang boltahe, na naglilimita kung gaano kataas ang reverse voltage. Kaya sa ilalim ng partial shading, na hindi pa na-trigger ang external bypass diode, ang isang BC module ay maaari pa ring magpanatili ng medyo mataas na output power.

Figure 2 Ang module IV curve kapag ang isang cell ay na-shade.

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 shading tolerance ay hindi nangangahulugang immune sa shading

Isang karaniwang maling pagkaunawa ang kailangang linawin.

Ang BC cells ay mas mahusay na tumatanggap ng shading, ngunit hindi ito nangangahulugang walang epekto ang shading sa kanila.

Ang anumang PV cell ay magbubunga ng mas kaunting kuryente kapag ito ay may shade.

Kung ang shaded area sa loob ng isang substring ay masyadong malaki, o ilang mga cell ay ganap na may shade, ang kabuuang reverse voltage ng mga shaded cell ay maaaring lumampas sa kabuuang forward voltage ng natitirang mga unshaded cell. Sa puntong iyon, ang external bypass diode ay bumubukas.

Kapag bumukas ang bypass diode, ang kasalukuyang ay dumadaan sa buong string section na ito. Ang mga unshaded cell sa substring na ito ay na-bypass kasama ng mga shaded, at ang kanilang kontribusyon sa output ay kapansin-pansing bumababa. Kaya kapag malaki ang shaded area, humihina rin ang generation advantage ng BC module.

Ang mga BC module ay may kalamangan kapag:

• isang cell o ilang mga cell ay bahagyang may shade;

• ang shaded area sa loob ng bawat substring ay maliit;

• ang shading ay diagonal, parang strip, o lokal na nakakalat;

• ang external bypass diode ay hindi pa ganap na bumubukas.

Halimbawa, ang diagonal na anino mula sa isang utility pole ay maaaring mag-iwan sa bawat substring ng maliit na shaded area. Sa kasong iyon, ang isang BC module ay karaniwang nagpapakita ng mas mahusay na shading-tolerant generation.

Bakit mas malamig ang takbo ng mga BC module sa mga hot spot?

Ang mga BC module ay may mas mababang hot-spot temperature dahil sa dalawang pangunahing dahilan.

Una, mas kumakalat ang reverse current

Sa ordinaryong mga cell, ang reverse current distribution ay madalas na hindi pantay. Ang reverse breakdown ay may posibilidad na mangyari muna sa mga lokal na mahinang spot, tulad ng:

• mga lokal na defect site;

• mga gilid ng cell;

• mga abnormal na metallization area;

• mga microcrack o kontaminadong lugar;

• mga lugar na may mahinang local passivation.

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

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

Para itong pag-init ng dalawang bagay na may parehong dami ng init:

• isang buong metal plate;

• isang puntong kasing laki ng pinhead.

Ang huli ay mas mabilis uminit, walang duda.

Kaya ang panganib ng ordinaryong cell sa ilalim ng shading ay hindi "pantay na pag-init sa buong cell", ito ay matinding lokal na point heating..

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

Kaya ang distribusyon ng reverse current ng isang BC cell ay mas pare-pareho, mas mababa ang lokal na power density, at mas mababa rin ang temperatura ng hot-spot.

Pangalawa, mas mababa ang reverse breakdown voltage

Makikita mo ito mula sa formula ng hot-spot power:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

Sa parehong mismatch current, mas mababa ang reverse voltage, mas kaunti ang heating power.

Iyan ang dahilan kung bakit ang mababang reverse breakdown voltage ay maaaring gumana bilang isang proteksyon mechanism sa ilalim ng shading.

Narito ang isang simpleng halimbawa.

Sabihin nating ang module string current ay 10A, at ang isang cell ay lubhang na-shade.

Kung ang isang ordinaryong cell ay umabot sa reverse voltage na 15V pagkatapos ng shading, ang power na nasusunog 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 nasusunog nito ay humigit-kumulang:

P = 6V × 10A = 60W

Ang pagkakaiba ay kapansin-pansin.

Siyempre, ang tunay na hot-spot temperature ay depende sa shaded area, ambient temperature, bilis ng hangin, module encapsulation, laki ng salamin, disenyo ng cell, at test method, kaya hindi mo ito mahuhusgahan sa pamamagitan ng iisang fixed number.

Gayunpaman, sa ilang tunay na pagsubok at field experience, ang mga BC module ay karaniwang mas malamig sa hot spots kaysa sa conventional modules. 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 cells ay nakakamit ang isang bagay tulad ng "built-in bypass diode", na nagpapababa ng hot-spot temperature sa humigit-kumulang 90 °C habang ang isang reference module ay nasa malapit sa 190 °C, na nagpapakita na ang distributed reverse conduction design na ito ay maaaring magbawas nang malaki sa hot-spot temperature.

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 ilalim ng shading, 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 reverse bias mula sa shading, bumuo ng ligtas at pare-parehong reverse conduction sa mababang voltage.

Iyan din ang dahilan kung bakit nag-iiba-iba ang shading performance ng iba't ibang BC cells.

Ang ilang BC cells ay mas nakatuon sa efficiency, kaya maaari silang mag-isolate nang mas malakas at magresulta sa mas mataas na reverse breakdown voltage. Ang iba naman ay mas nakatuon sa shading tolerance, kaya maaari silang magdisenyo ng mas mababa at mas pare-parehong reverse breakdown paths.

Kaya hindi mo masasabing "lahat ng BC cells ay pare-pareho ang shading tolerance". Ang mas tumpak na pahayag ay:

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

Buod ng mga bentahe ng BC cell

Pinagsama-sama, ang mga bentahe ng BC cell sa ilalim ng shading ay pangunahing kasama ang:

• mas kaunting pagkawala ng kuryente ng module sa ilalim ng maliit na lugar na shading, bago bumukas ang external bypass diode;

• mas mababang lokal na power density;

• mas mababang hot-spot temperature;

• mas mataas na safety margin ng module.

Ano ang ibig sabihin nito para sa mga aplikasyon ng module?

Sa praktika, ang shading ay madalas na hindi maiiwasan.

Lalo na sa mga distributed scenarios, tulad ng:

• mga residential rooftop;

• mga commercial at industrial rooftop;

• balcony PV;

• BIPV;

• multi-orientation mounting;

• mga site na may kumplikadong nakapaligid na mga gusali.

Sa mga application na ito, ang mga module ay madalas na bahagyang na-shade.

Kung ang isang cell ay mas mahusay na tumatanggap ng shading at mas mababa ang init sa hot spots, nangangahulugan ito na:

• Mas mahusay na kaligtasan ng module: ang mas mababang hot-spot temperature ay nagbabawas ng pagtanda ng encapsulant, pinsala sa backsheet, lokal na stress sa salamin, at panganib sa kuryente.

• 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 pagkawala ng generation: kapag hindi maiiwasan ang partial shading, ang isang BC module ay maaaring magpabawas ng ilang pagkawala ng kuryente.

• Mas friendly na disenyo ng system

Ang mga BC module ay mas mahusay na umaangkop sa mga kumplikadong bubong, distributed mounting environment, at multi-shading scenarios.

Pagtatapos

Ang mga BC cell ay mas mahusay na tumatanggap ng shading at mas mababa ang init sa hot spots, hindi dahil "hindi sila naaapektuhan ng shading", kundi dahil may mga bentahe sila sa istraktura at reverse-bias behavior.

Sa isang ordinaryong cell sa ilalim ng shading, ang reverse breakdown ay maaaring mag-concentrate sa mga lokal na defect point, na nagdudulot ng mataas na lokal na power density at mataas na hot-spot temperature.

Ang back interdigitated PN junction structure ng isang BC cell ay parang distributed, built-in reverse clamp. Sa ilalim ng shading, maaari itong bumuo ng reverse conduction sa mas mababang reverse voltage at ikalat ang reverse current nang mas pantay, na nagpapababa ng hot-spot power at hot-spot temperature.

Ngunit tandaan, ang mga BC cell ay hindi ganap na shading-proof. Kapag masyadong malaki ang shaded area, ilang cell ang fully shaded, at ang substring voltage ay nagiging sapat na negatibo, ang external bypass diode ay bumubukas pa rin. Sa puntong iyon, ang output ng bypassed substring ay kapansin-pansing bumababa.

Kaya mas tiyak:

Ang bentahe ng isang BC cell ay hindi ang pag-aalis ng mga epekto ng shading, kundi ang paggawa nitong mas kontrolado. Sa ilalim ng maliit na lugar na shading, maaari nitong bawasan ang pagkawala ng kuryente; sa ilalim ng mabigat na shading, maaari nitong bawasan ang panganib ng hot-spot.

Iyan ang pangunahing dahilan kung bakit mas mahusay ang mga BC cell sa mga kumplikadong kapaligiran ng shading.

Pananaw ng Ooitech

Ang talagang kapansin-pansin dito ay ang bentahe ng BC sa shading ay nasa back-contact metallization step, hindi sa ilang magic material, na nangangahulugang ang module line ay dapat tumama sa mahigpit na tolerances sa interdigitated pattern upang aktwal na makuha ang mababa at pantay na reverse breakdown. Sa isang production line, nakita namin ang parehong physics na naglalaro sa EL at hot-spot testing, kung saan ang hindi pantay na back patterning ay lumilitaw bilang scattered breakdown points bago pa man makakita ng anino ang module. Kung gusto mo ang ganitong uri ng pagsusuri ng nangyayari sa pagitan ng cell at ng natapos na module, ang aming YouTube channel sa www.youtube.com/ooitech ay may higit pa mula sa loob ng mga tunay na solar factory.