Productintroductie

Schaduw is een van de meest voorkomende problemen in echte PV-installaties.

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

De laatste tijd trekken BC-zonnecellen veel aandacht in gedistribueerde daken, balkon-PV en premium modules. Een belangrijke reden: BC-cellen gaan meestal beter om met schaduw en ze hebben lagere hotspot-temperaturen bij schaduw.

Op SNEC zie je vaak dat verkopers een deel van een cel verduisteren en vervolgens de schaduwtolerantie van hun BC-producten laten zien door te kijken hoe hoog een waterpomp kan spuiten.

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

Laten we proberen het in eenvoudige taal uit te leggen.

Waarom veroorzaakt schaduw hot spots?

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

Serieschakelingen hebben één belangrijk kenmerk: de stroom moet overal hetzelfde zijn.

Dat betekent dat de stroom door de hele string wordt bepaald door de serieschakeling. Wanneer elke cel volledig licht krijgt, genereert elke cel stroom en gedragen ze zich allemaal redelijk consistent.

Maar als één cel in de schaduw komt, daalt de fotogegenereerde stroom die hij kan produceren. Als de string nog steeds een grotere stroom moet laten lopen, kan die beschaduwde cel in reverse bias worden gedwongen door de andere onbeschaduwde cellen. Op dat moment stopt hij met genereren en wordt hij een stroomverbruikend element.

Bij gedeeltelijke beschaduwing is de beschaduwde cel niet volledig dood. Het onbeschaduwde deel produceert nog steeds wat fotostroom. Wat er dus daadwerkelijk door het omgekeerde 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.

We kunnen dit verschil de mismatchstroom noemen:

Imismatch = Istring - Igenerate

Dus het hot-spot verwarmingsvermogen kan ruwweg worden geschreven als:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

wat is:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)

Deze formule wijst op een kernprobleem: bij dezelfde stringstroom, hoe hoger de omgekeerde spanning, hoe meer vermogen de beschaduwde cel verbrandt, en hoe heter de hot spot wordt.

Dus een sleutel tot het bestrijden van hot spots is:

hoe de omgekeerde spanning over de beschaduwde cel te verlagen, en de warmte gelijkmatiger te verspreiden.

Dit is precies waar BC-cellen uitblinken.

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

Gewone kristallijne siliciumcellen hebben meestal een voor- en achtercontactstructuur.

Simpel gezegd:

• de voorkant heeft fijne gridlines en busbars, en licht komt binnen via de voorkant;

• de stroom, eenmaal gegenereerd in de cel, wordt opgevangen door de voor- en achterelektroden.

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

zowel de positieve als negatieve elektroden bevinden zich op de achterkant van de cel, en de voorkant heeft geen metalen gridlines.

Dat brengt twee directe voordelen met zich mee:

1. geen gridline-beschaduwing aan de voorkant, dus een groter lichtontvangend oppervlak;

2. de achterelektroden kunnen interdigitated worden gemaakt, zodat de stroomopvang uniformer 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 heeft veel afwisselende p- en n-gebieden. Tussen deze gebieden bevinden zich veel korte, zwaar gedoteerde PN-overgangen. Vanuit een circuitperspectief gedraagt het zich niet langer als één grote diode, maar meer als vele kleine diodes parallel. Onder omgekeerde spanning kunnen deze verdeelde PN-overgangen een meer uniform omgekeerd geleidingspad vormen.

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

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

Bijvoorbeeld, hoe kleiner de opening tussen de p- en n-gebieden, hoe sterker het lokale veld, en meestal is het gemakkelijker om een lagere doorslagspanning in sperrichting te krijgen. Maar dat kan ook compromissen met zich meebrengen op het gebied van lekstroom en shuntweerstand. Dus de schaduwtolerantie van een BC-cel is geen vast getal, het is nauw verbonden met de celstructuur, het ontwerp van het achterpatroon, de openingsgrootte, doteringsconcentratie, passiveringskwaliteit en productieproces.

Waarom verliezen BC-modules minder vermogen na schaduwval?

Wanneer een module gedeeltelijk in de schaduw komt, wordt de beschaduwde cel in sperrichting gedreven door de stringstroom. Naarmate de schaduw erger wordt, blijft de totale spanning van dat deel van de string dalen.

In traditionele modules is een bypass-diode meestal parallel over een deel van de string geschakeld. De bypass-diode wordt niet actief ingeschakeld door een regelaar. Het is een passief apparaat. Of hij geleidt, hangt alleen af van de spanning erover. Wanneer de totale spanning van dat stringdeel negatief genoeg wordt, wordt de bypass-diode in doorlaatrichting voorgespannen en gaat hij vanzelf aan.

De inschakelvoorwaarde kan worden geschreven als:

Vsubstring ≤ -Vf

Vsubstring is de totale spanning van het stringdeel dat wordt beschermd door de bypass-diode;

Vf is de doorlaatspanning van de bypass-diode.

Voor een stringdeel kan de totale spanning worden begrepen als:

Vsubstring = ∑Vongeschaduwd + ∑Vbeschaduwd

waarbij:

• niet-beschaduwde cellen produceren nog steeds een positieve spanning;

• beschaduwde cellen zijn in sperrichting voorgespannen en produceren een negatieve spanning.

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

∣∑Vgearceerd∣ ≥ ∑Vniet-gearceerd + Vf

Met andere woorden:

de som van de sperspanningen van de beschaduwde cellen moet de som van de doorlaatspanningen van de overige niet-beschaduwde cellen overschrijden, plus de inschakeldrempel van de bypass-diode, voordat de bypass-diode inschakelt.

Het voordeel van een BC-module is dat, voordat de externe bypass-diode zelfs maar inschakelt, de eigen achterste interdigitale PN-overgangsstructuur van de BC-cel al enige gedistribueerde spergeleiding biedt. Dit gedraagt zich een beetje als een zenerdiode die in de cel is ingebouwd.

Onder spervoorspanning kan de interdigitale PN-overgangsstructuur op de achterkant van een BC-cel gedistribueerde spergeleiding vormen bij een lagere spanning, wat beperkt hoe hoog de sperspanning kan oplopen. Dus bij gedeeltelijke schaduw, met de externe bypass-diode nog niet geactiveerd, kan een BC-module nog steeds een vrij hoog uitgangsvermogen behouden.

Figuur 2 De module IV-curve wanneer één cel is beschaduwd.

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 schaduwtolerantie betekent niet immuun voor schaduw

Een veelvoorkomend misverstand moet worden opgehelderd.

BC-cellen verdragen schaduw beter, maar dat betekent niet dat schaduw geen effect op hen heeft.

Elke PV-cel produceert minder vermogen zodra deze in de schaduw ligt.

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

Zodra de bypass-diode inschakelt, wordt de stroom om deze hele string-sectie heen geleid. De onbeschaduwde cellen in deze substring worden samen met de beschaduwde omzeild, en hun bijdrage aan de output neemt merkbaar af. Dus wanneer het beschaduwde gebied groot is, verzwakt ook het generatievoordeel van een BC-module.

BC-modules hebben doorgaans de overhand wanneer:

• een enkele cel of een paar cellen gedeeltelijk beschaduwd zijn;

• het beschaduwde gebied binnen elke substring klein is;

• de beschaduwing diagonaal, strookvormig of lokaal verspreid is;

• de externe bypass-diode nog niet volledig is ingeschakeld.

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

Waarom lopen BC-modules koeler bij hotspots?

BC-modules hebben lagere hotspot-temperaturen, voornamelijk om twee redenen.

Ten eerste is de omgekeerde stroom meer verspreid

Bij gewone cellen is de reverse-stroomverdeling vaak ongelijkmatig. Reverse doorslag treedt meestal eerst op bij lokale zwakke punten, zoals:

• lokale defectplaatsen;

• celranden;

• abnormale metallisatiegebieden;

• microscheuren of verontreinigde gebieden;

• gebieden met zwakke lokale passivering.

Deze plekken fungeren als zwakke punten.

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

Het is als het verwarmen van twee objecten met dezelfde hoeveelheid warmte:

• een hele metalen plaat;

• een speldenpuntgroot stipje.

De laatste warmt sneller op, geen twijfel.

Dus het risico van een gewone cel onder beschaduwing is niet 'gelijkmatige verwarming over de hele cel', het is intense lokale puntverwarming.

Een BC-cel heeft veel interdigiterende PN-overgangen aan de achterkant. Omgekeerde geleiding kan zich gemakkelijker verspreiden over vele gebieden in plaats van zich op te hopen op een paar defectpunten.

Dus de omgekeerde stroomverdeling van een BC-cel is uniformer, de lokale vermogensdichtheid is lager en de hot-spot temperatuur is ook lager.

Ten tweede is de omgekeerde doorslagspanning lager

Je kunt het zien aan de hot-spot vermogensformule:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

Bij dezelfde mismatchstroom, hoe lager de omgekeerde spanning, hoe minder verwarmingsvermogen.

Daarom kan een lage omgekeerde doorslagspanning eigenlijk werken als een beschermingsmechanisme onder schaduw.

Hier is een eenvoudig voorbeeld.

Stel dat de module-stringstroom 10A is en één cel zwaar beschaduwd is.

Als een gewone cel een omgekeerde spanning van 15V bereikt na beschaduwing, is het vermogen dat hij verbrandt ongeveer:

P = 15V × 10A = 150W

Als een BC-cel klemt vanwege zijn achterstructuur en de omgekeerde spanning beperkt is tot ongeveer 6V, is het vermogen dat hij verbrandt ongeveer:

P = 6V × 10A = 60W

Het verschil is opvallend.

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

Toch, in sommige echte tests en veldervaring, worden BC-modules meestal koeler bij hot spots dan conventionele. Sommige BC-modules kunnen bijvoorbeeld de hot-spot temperatuur onder ongeveer 120 °C houden, terwijl andere moduletypen 160 °C of zelfs hoger kunnen bereiken.

Sommige speciaal ontworpen BC-cellen bereiken zoiets als een "ingebouwde bypass-diode", waardoor de hot-spot temperatuur daalt tot ongeveer 90 °C terwijl een referentiemodule rond 190 °C zit, wat aantoont dat dit ontwerp met verdeelde omgekeerde geleiding de hot-spot temperatuur aanzienlijk kan verlagen.

Is een lagere reverse doorslagspanning altijd beter?

Niet noodzakelijk.

Een lage omgekeerde doorslagspanning helpt de hot-spot temperatuur onder schaduw 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 normale werking, hoge efficiëntie, lage lekstroom en hoge shuntweerstand behouden;

2. onder omgekeerde bias door schaduw, veilige, uniforme omgekeerde geleiding bij lage spanning vormen.

Daarom variëren verschillende BC-cellen ook in schaduwprestaties.

Sommige BC-cellen neigen naar efficiëntie, dus isoleren ze sterker en eindigen met een hogere omgekeerde doorslagspanning. Anderen neigen naar schaduwtolerantie, dus ontwerpen ze lagere, meer uniforme omgekeerde doorslagpaden.

Dus je kunt niet zomaar zeggen "alle BC-cellen verdragen schaduw hetzelfde". Een nauwkeurigere uitspraak is:

Een goed ontworpen BC-cel kan een lagere, meer uniforme doorslag in sperrichting bereiken via zijn achterste interdigiterende PN-overgangsstructuur, wat de tolerantie voor schaduw en hotspots verbetert.

Samenvatting van de voordelen van BC-cellen

Alles bij elkaar genomen omvatten de voordelen van een BC-cel onder schaduw voornamelijk:

• minder vermogensverlies van de module bij kleine schaduwvlakken, voordat de externe bypass-diode inschakelt;

• lagere lokale vermogensdichtheid;

• lagere hotspot-temperatuur;

• hogere veiligheidsmarge van de module.

Wat betekent dit voor moduletoepassingen?

In de praktijk kan schaduw vaak niet volledig worden vermeden.

Vooral in gedistribueerde scenario's, zoals:

• residentiële daken;

• commerciële en industriële daken;

• balkon-PV;

• BIPV;

• montage met meerdere oriëntaties;

• locaties met complexe omringende gebouwen.

In deze toepassingen kunnen modules vaak gedeeltelijk in de schaduw komen.

Als een cel schaduw beter verdraagt en koeler blijft bij hotspots, betekent dat:

• Betere moduleveiligheid: lagere hotspot-temperatuur vermindert veroudering van encapsulant, schade aan backsheet, lokale glasbelasting 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 gedeeltelijke schaduw onvermijdelijk is, kan een BC-module een deel van het vermogensverlies beperken.

• Vriendelijker systeemontwerp

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

Afsluiting

BC-cellen verdragen schaduw beter en blijven koeler bij hotspots, voornamelijk niet omdat ze 'niet worden beïnvloed door schaduw', maar omdat ze voordelen hebben in structuur en gedrag onder sperspanning.

Bij een gewone cel onder schaduw kan doorslag in sperrichting zich concentreren op lokale defectpunten, wat leidt tot hoge lokale vermogensdichtheid en hoge hotspot-temperatuur.

De achterste interdigiterende PN-overgangsstructuur van een BC-cel werkt als een gedistribueerde, ingebouwde sperklem. Onder schaduw kan het bij een lagere sperspanning geleiding in sperrichting vormen en de sperstroom gelijkmatiger verdelen, wat het hotspot-vermogen en de hotspot-temperatuur verlaagt.

Maar onthoud: BC-cellen zijn niet volledig schaduwbestendig. Wanneer het beschaduwde gebied te groot is, meerdere cellen volledig in de schaduw liggen en de substring-spanning voldoende negatief wordt, schakelt de externe bypass-diode nog steeds in. Op dat moment daalt de output van de omzeilde substring merkbaar.

Dus preciezer gezegd:

Het voordeel van een BC-cel is niet het elimineren van schaduweffecten, maar het beter beheersbaar maken ervan. Bij kleinschalige schaduw kan het vermogensverlies verminderen; bij zware schaduw kan het het risico op hotspots verlagen.

Dat is de fundamentele reden waarom BC-cellen beter presteren in complexe schaduwomgevingen.

Ooitech's Visie

Wat ons hier echt opvalt, is dat BC's schaduwvoordeel zit in de back-contact metallisatiestap, niet in een of ander magisch materiaal, wat betekent dat de modulelijn nauwe toleranties moet halen op het interdigitated patroon om die lage, gelijkmatige doorslagspanning te bereiken. Op een productielijn hebben we dezelfde fysica gezien in EL- en hotspot-tests, waar ongelijkmatige back-patterning zich al lang voordat de module ooit schaduw ziet, manifesteert als verspreide doorslagpunten. Als je van dit soort ontleding van wat er gebeurt tussen de cel en een afgewerkte module houdt, ons YouTube-kanaal op www.youtube.com/ooitech heeft meer van binnenuit echte zonnefabrieken.