Inleiding

Schaduw is een veelvoorkomend probleem in echte PV-installaties.

Boom schaduwen, nutspalen, stof, vogelpoep, sneeuw, zelfs licht afwijkende montagehoeken van modules kunnen gedeeltelijke schaduw veroorzaken. Schaduw verlaagt niet alleen de module opbrengst, maar kan ook een ernstiger probleem veroorzaken: hot spots.

In de afgelopen jaren hebben BC zonnecellen steeds meer aandacht getrokken in gedistribueerde dak-, balkon-PV en premium modules. Een belangrijke reden is dit: BC zonnecellen bieden meestal een betere schaduwtolerantie, en hun hot spot temperaturen blijven lager bij schaduw.

Op SNEC zie je vaak dat fabrikanten een deel van een celstring in de schaduw zetten en vervolgens de waterhoogte van een pomp gebruiken om de schaduwtolerantie van hun BC-producten te demonstreren.

Waarom hebben BC-cellen dit voordeel? Wat is de fysica erachter?

Laten we het proberen uit te leggen in vrij eenvoudige termen.

Waarom Schaduw Hot Spots Veroorzaakt

Waarom veroorzaakt schaduw hot spots?

Cellen in een PV-module zijn meestal in serie geschakeld.

Een serieschakeling heeft één bepalend kenmerk: de stroom moet overal hetzelfde zijn.

Dat betekent dat de stroom door de hele string wordt bepaald door de lus als geheel. Wanneer elke cel volledig licht krijgt, genereert elke cel stroom en bevinden ze zich allemaal in een redelijk consistente toestand.

Maar als één cel in de schaduw komt, daalt de fotogegenereerde stroom die hij kan produceren. Als de hele string nog steeds een grote stroom moet voeren, kan die beschaduwde cel door de andere onbeschaduwde cellen in sperrichting worden gedwongen. Op dat moment houdt hij op een stroombron te zijn en wordt hij een stroomverbruiker.

Bij gedeeltelijke beschaduwing stopt de beschaduwde cel niet volledig met genereren. Het onbeschaduwde gebied produceert nog steeds wat fotostroom. Wat er dus werkelijk door het doorslagpad, lekpad of bypass-pad moet stromen, is niet de volledige stringstroom, maar het verschil tussen de stringstroom en de stroom die die cel nog kan produceren.

Dit verschil kan de mismatchstroom worden genoemd:

Imismatch = Istring - Igenerate

Dus het vermogensverlies door de hotspot kan ruwweg worden geschreven als:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

wat is:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)

Deze formule wijst op één belangrijk ding: bij dezelfde stringstroom, hoe hoger de sperspanning, hoe meer vermogen de beschaduwde cel dissipeert, en hoe heter de hotspot wordt.

Dus een van de sleutels tot het weerstaan van hotspots is:

hoe de sperspanning op de beschaduwde cel te verlagen en de verwarming gelijkmatiger te maken.

Dit is precies waar BC-cellen uitblinken.

Hoe BC-cellen structureel verschillen

Hoe verschilt een BC-cel structureel van een gewone cel?

Gewone kristallijne siliciumcellen gebruiken meestal een voor- en achtercontactstructuur.

Simpel gezegd:

• De voorkant heeft fijne gridlijnen en busbars, en licht valt aan de voorkant binnen;

• Stroom wordt in de cel gegenereerd en vervolgens via voor- en achterelektroden opgevangen.

Een BC-cel, wat staat voor Back Contact, heeft één opvallend kenmerk:

zowel de positieve als de negatieve elektrode bevinden zich aan de achterkant van de cel, zonder metalen gridlijnen aan de voorkant.

Dat levert twee directe voordelen op:

1. Geen gridlijnschaduw aan de voorkant, dus meer lichtopvangend oppervlak;

2. De achterelektroden kunnen in een interdigitated patroon worden gebouwd, waardoor de stroomopvang gelijkmatiger is.

Figuur 1 Schematische weergave van BC-celstructuur.

Bron: 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

De achterkant van een BC-cel bevat veel afwisselende p-gebieden en n-gebieden. Tussen deze gebieden bevinden zich veel korte, zwaar gedoteerde PN-overgangen. Vanuit een circuitperspectief gedraagt het zich niet langer als een enkele grote diode, maar meer als vele kleine diodes parallel. Onder reverse bias kunnen deze verdeelde PN-overgangen een gelijkmatiger reverse-geleidingspad vormen.

Omdat deze achterste PN-overgangen kort en lokaal zwaar gedoteerd zijn, kunnen ze bij een relatief lage reverse-spanning in reverse doorslag gaan.

Dit hangt natuurlijk af van de specifieke ontwerpparameters van de BC-cel.

Bijvoorbeeld, hoe kleiner de opening tussen het p-gebied en n-gebied, hoe sterker het lokale veld, en meestal is het gemakkelijker om een lagere reverse doorslagspanning te vormen. Maar dat kan ook compromissen met zich meebrengen in lekstroom en shuntweerstand. Dus de schaduwtolerantie van een BC-cel is geen vaste waarde. Het hangt nauw samen met de specifieke celstructuur, het ontwerp van het achterpatroon, de openingsgrootte, doteringsconcentratie, passiveringskwaliteit en productieproces.

Waarom BC-cellen minder vermogen verliezen onder schaduw

Waarom verliezen BC-cellen minder vermogen na schaduw?

Wanneer een module gedeeltelijk in de schaduw staat, duwt de stringstroom de beschaduwde cel in reverse bias. Naarmate de schaduw erger wordt, blijft de totale spanning over die substring dalen.

In traditionele modules wordt meestal een bypass-diode parallel over een deel van de string geplaatst. De bypass-diode wordt niet actief ingeschakeld door een controller. Het is een passief apparaat. Of het geleidt hangt alleen af van de spanning erover. Wanneer de totale spanning van die substring voldoende negatief wordt, wordt de bypass-diode in doorlaatrichting voorgespannen en schakelt automatisch in.

De inschakelvoorwaarde kan worden geschreven als:

Vsubstring ≤ -Vf

Vsubstring is de totale spanning van de substring die wordt beschermd door de bypass-diode;

Vf is de doorlaatspanning van de bypass-diode.

Voor een substring kan de totale spanning worden begrepen als:

Vsubstring = ∑Vongeschaduwd + ∑Vbeschaduwd

waarbij:

• Ongeschaduwde cellen produceren nog steeds een voorwaartse spanning;

• Gearceerde cellen zijn in sperrichting gepolariseerd en produceren een negatieve spanning.

De inschakelvoorwaarde van de bypass-diode kan worden gelezen als:

∣∑Vgearceerd∣ ≥ ∑Vniet-gearceerd + Vf

Met andere woorden:

de totale reverse spanning van de gearceerde cellen moet groter zijn dan de totale forward spanning van de overige niet-gearceerde cellen, plus de forward spanningsval van de bypass-diode, voordat de bypass-diode inschakelt.

Het voordeel van BC-modules is dat, voordat de externe bypass-diode zelfs maar inschakelt, de interdigitated back PN-junctiestructuur van de BC-cel zelf al enige gedistribueerde reverse geleiding biedt. Dit gedraagt zich een beetje als een ingebouwde Zener-diode in de cel.

Onder reverse bias kunnen de interdigitated back PN-juncties van een BC-cel gedistribueerde reverse geleiding vormen bij een lagere spanning, waardoor verdere stijging van de reverse spanning wordt beperkt. Dus bij gedeeltelijke beschaduwing, wanneer de externe bypass-diode nog niet is ingeschakeld, kan een BC-module nog steeds een relatief hoog uitgangsvermogen behouden.

Figuur 2 IV-curve van de module met één gearceerde cel.

Bron: E. Özkalay, F. Valoti, M. Caccivio, A. Virtuani, G. Friesen, en 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. Beschikbaar: https://doi.org/10.1051/epjpv/2024001

Betere tolerantie betekent niet immuun voor beschaduwing

Betere schaduwtolerantie betekent niet dat BC-cellen immuun zijn voor beschaduwing

Een veelvoorkomend misverstand moet worden opgehelderd.

Betere schaduwtolerantie betekent niet dat een BC-cel onaangetast blijft door beschaduwing.

Elke PV-cel produceert minder vermogen zodra deze wordt beschaduwd.

Als het beschaduwde gebied binnen één substring te groot wordt, of meerdere cellen volledig worden beschaduwd, dan kan de totale reverse spanning van de gearceerde cellen uiteindelijk nog steeds de totale forward spanning van de overige niet-gearceerde cellen overschrijden. Op dat punt schakelt de externe bypass-diode in.

Zodra de bypass-diode inschakelt, wordt de stroom om de hele substring heen geleid. De niet-gearceerde cellen in die substring worden ook omzeild, en hun bijdrage aan het uitgangsvermogen daalt sterk. Dus wanneer het beschaduwde gebied groot is, verzwakt ook het opbrengstvoordeel van een BC-module.

De scenario's waarin BC-modules echt uitblinken zijn meestal:

• Eén cel of een paar cellen worden gedeeltelijk beschaduwd;

• Het gearceerde gebied in elke substring blijft klein;

• Arceering is diagonaal, strookvormig of lokaal verspreid;

• De externe bypass-diode is niet volledig ingeschakeld.

Bijvoorbeeld, een diagonale schaduw van een elektriciteitspaal kan elke substring slechts een klein gearceerd gebied geven. In dat geval vertoont een BC-module doorgaans een betere schaduwtolerante opbrengst.

Waarom BC-modules koelere hotspots hebben

Waarom hebben BC-modules lagere hotspot-temperaturen?

Er zijn hoofdzakelijk twee redenen waarom BC-modules koelere hotspots hebben.

First, the reverse current is more spread out

Voor gewone cellen is de omgekeerde stroomverdeling vaak ongelijkmatig. Omgekeerde doorslag kan eerst optreden op lokale zwakke plekken, zoals:

• Lokale defecten;

• Celranden;

• Metallisatie-afwijkingen;

• Microscheuren of vervuilde gebieden;

• Gebieden met zwakkere lokale passivering.

Deze plekken fungeren als zwakke punten.

Zodra de omgekeerde stroom zich op deze zwakke punten concentreert, wordt de lokale vermogensdichtheid zeer hoog, stijgt de temperatuur snel en ontstaat een duidelijke hotspot.

Het is alsof je dezelfde hoeveelheid warmte op twee objecten gebruikt:

• Een hele metalen plaat;

• Een speldenpuntgrote plek.

De laatste warmt zeker sneller op.

Dus het risico voor een gewone cel onder schaduw is niet 'gelijkmatige verwarming over de hele cel,' maar sterke lokale puntverwarming.

Een BC-cel heeft veel interdigiterende PN-overgangen op de achterkant. Omgekeerde geleiding kan zich gemakkelijker over meerdere gebieden verspreiden in plaats van zich te concentreren op enkele defectpunten.

Dus de omgekeerde stroom in een BC-cel verdeelt zich gelijkmatiger, de lokale vermogensdichtheid blijft lager en de hotspot-temperatuur blijft ook lager.

Ten tweede is de omgekeerde doorslagspanning lager

Uit de hotspot-vermogensformule:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

bij dezelfde mismatch-stroom betekent een lagere omgekeerde spanning minder vermogensdissipatie.

Daarom kan een lage omgekeerde doorslagspanning in schaduwsituaties juist als beschermingsmechanisme fungeren.

Hier is een eenvoudig voorbeeld.

Stel dat de stroom 10A is en één cel zwaar beschaduwd raakt.

Als een gewone cel na beschaduwing een reverse spanning van 15V bereikt, is het gedissipeerde vermogen ongeveer:

P = 15V × 10A = 150W

Als een BC-cel klemt vanwege zijn achterstructuur en de reverse spanning wordt beperkt tot ongeveer 6V, is het gedissipeerde vermogen ongeveer:

P = 6V × 10A = 60W

Het verschil is heel duidelijk.

De werkelijke hot spot temperatuur hangt af van het beschaduwde oppervlak, omgevingstemperatuur, windsnelheid, module-inkapseling, glasgrootte, celontwerp en testmethode, dus je kunt het niet beoordelen op basis van één vast getal.

Maar in sommige echte tests en veldervaring hebben BC-modules meestal lagere hot spot temperaturen dan conventionele. Sommige BC-modules kunnen de hot spot temperatuur bijvoorbeeld onder ongeveer 120 °C houden, terwijl andere moduletypes 160 °C of zelfs hoger kunnen bereiken.

Sommige speciaal ontworpen BC-cellen bereiken zoiets als een "ingebouwde bypass diode in de cel." Dat kan de hot spot temperatuur verlagen tot ongeveer 90 °C terwijl een referentiemodule rond 190 °C zit, wat laat zien dat dit soort gedistribueerd reverse geleidingsontwerp de hot spot temperatuur aanzienlijk kan verlagen.

Is een Lagere Reverse Doorslagspanning Altijd Beter

Is een lagere reverse doorslagspanning altijd beter?

Niet noodzakelijk.

Een lage reverse doorslagspanning helpt de hot spot temperatuur tijdens beschaduwing te verlagen, maar het kan ook ontwerpafwegingen met zich meebrengen.

Als het reverse geleidingspad slecht is ontworpen, kan het de lekstroom verhogen en de shuntweerstand verlagen, wat de normale opbrengstprestatie van de cel schaadt.

Dus een hoogrendement BC-cel moet meestal twee doelen balanceren:

1. Tijdens normaal bedrijf: hoge efficiëntie, lage lekstroom en hoge shuntweerstand behouden;

2. Onder beschaduwde reverse bias: een veilige en gelijkmatige reverse geleiding bij een lagere spanning vormen.

Daarom varieert de tolerantie voor beschaduwing ook tussen verschillende BC-cellen.

Sommige BC-cellen neigen naar efficiëntie en kunnen sterkere isolatie opbouwen, waardoor hun reverse doorslagspanning hoger is. Anderen neigen naar tolerantie voor beschaduwing en kunnen lagere, gelijkmatigere reverse doorslagpaden ontwerpen.

Dus je kunt niet simpelweg zeggen "alle BC-cellen hebben dezelfde tolerantie voor beschaduwing." Een nauwkeurigere manier om het te zeggen is:

Een goed ontworpen BC-cel kan met zijn interdigitated back PN-junctiestructuur een lagere en gelijkmatigere omgekeerde doorslag bereiken, wat de tolerantie voor schaduw en hotspots verbetert.

Voordelen van BC-cellen samengevat

Voordelen van BC-cellen samengevat

Samengevat omvatten de voordelen van BC-cellen bij schaduw vooral:

• Kleiner moduleverlies bij kleine schaduwvlakken, voordat de externe bypass-diode inschakelt;

• Lagere lokale vermogensdichtheid;

• Lagere hotspot-temperatuur;

• Hogere veiligheidsmarge van de module.

Wat dit betekent voor moduletoepassingen

Wat betekent dit voor moduletoepassingen?

In de praktijk kan schaduw vaak niet volledig worden vermeden.

Vooral in gedistribueerde scenario's, zoals:

• Daken van woningen;

• Commerciële en industriële daken;

• Balkon-PV;

• BIPV;

• Montage in meerdere oriëntaties;

• Locaties omringd door complexe gebouwen.

In deze toepassingen kunnen modules vaak te maken krijgen met lokale schaduw.

Als een cel een betere schaduwtolerantie en lagere hotspot-temperatuur heeft, betekent dit:

• Betere moduleveiligheid: lage hotspot-temperatuur vermindert veroudering van encapsulatie, schade aan backsheet, lokale glasstress en elektrisch risico.

• Betere langetermijnbetrouwbaarheid: lokale hoge temperatuur versnelt materiaalveroudering. Hoe zwakker de hotspot, hoe stabieler de module blijft in de loop van de tijd.

• Beheersbaarder opbrengstverlies: wanneer lokale schaduw onvermijdelijk is, kan een BC-module een deel van het vermogensverlies verminderen.

• Vriendelijker systeemontwerp.

BC-modules passen zich beter aan complexe daken, gedistribueerde montageomgevingen en scenario's met meerdere schaduwen aan.

Samenvatting

Samenvatting

BC-cellen bieden een betere schaduwtolerantie en lagere hotspot-temperatuur, niet omdat ze 'niet worden beïnvloed door schaduw', maar omdat ze voordelen hebben in structuur en omgekeerd spanningsgedrag.

Bij schaduw kunnen gewone cellen omgekeerde doorslag concentreren op lokale defectpunten, wat leidt tot hoge lokale vermogensdichtheid en hoge hotspot-temperatuur.

De interdigitated back PN-junctiestructuur van een BC-cel werkt als een gedistribueerde ingebouwde reverse clamp. Bij beschaduwing kan het bij een lagere reverse-spanning reverse-geleiding vormen en de reverse-stroom gelijkmatiger verdelen, wat zowel het hotspot-vermogen als de hotspot-temperatuur verlaagt.

Maar houd er rekening mee dat BC-cellen niet volledig immuun zijn voor beschaduwing. Wanneer het beschaduwde gebied te groot is, meerdere cellen volledig beschaduwd zijn en de substring-spanning voldoende negatief wordt, schakelt de externe bypass-diode alsnog in. Op dat moment daalt de output van de omzeilde substring merkbaar.

Dus een nauwkeurigere manier om het te zeggen:

het voordeel van een BC-cel is niet om het effect van beschaduwing te elimineren, maar om dat effect beter beheersbaar te maken. Bij kleinschalige beschaduwing vermindert het vermogensverlies; bij zware beschaduwing verlaagt het het hotspot-risico.

Dat is de fundamentele reden waarom BC-cellen een voordeel hebben in complexe beschaduwingsomgevingen.

Ooitech's Visie

Het interessante hier is dat beschaduwingsbestendigheid niet alleen een kwestie van celontwerp is, maar ook afhangt van hoe consistent dat interdigitated back-patroon wordt gereproduceerd in elke cel van een lijn. Kleine afwijkingen in metallisatie, openinggrootte of passiveringskwaliteit kunnen het omgekeerde doorslaggedrag dat we zojuist beschreven, verschuiven. Daarom is procesbeheersing op BC-modulelijnen net zo belangrijk als het celrecept. Ooitech heeft jaren besteed aan het bouwen van turnkey-moduleproductielijnen voor TOPCon, HPBC, ABC en andere BC-type modules, dus we houden deze back-contact-procesvensters nauwlettend in de gaten. Als u wilt zien hoe deze modules daadwerkelijk op de fabrieksvloer worden gebouwd, ons YouTube-kanaal op www.youtube.com/ooitech bevat veel echte productielijnbeelden die het bekijken waard zijn.