BC Güneş Hücreleri Gölgelenmeyi Neden Daha İyi Yönetir ve Daha Soğuk Sıcak Noktalar Çalıştırır

Giriş

Gölgeleme, gerçek dünya PV kurulumlarında çok yaygın bir sorundur.

Ağaç gölgeleri, elektrik direkleri, toz, kuş pislikleri, kar, hatta hafifçe uyumsuz modül montaj açıları bile kısmi gölgelemeye neden olabilir. Gölgeleme yalnızca modül çıkışını düşürmekle kalmaz, aynı zamanda daha ciddi bir sorunu tetikleyebilir: sıcak noktalar.

Son birkaç yılda, BC güneş hücreleri dağıtık çatı, balkon PV ve premium modüllerde giderek daha fazla ilgi çekmektedir. Bunun önemli bir nedeni şudur: BC güneş hücreleri genellikle daha iyi gölgeleme toleransı sunar ve gölgeleme altında sıcak nokta sıcaklıkları daha düşük kalır.

SNEC'te, üreticilerin genellikle bir hücre dizisinin bir kısmını gölgelediğini ve ardından BC ürünlerinin gölgeleme toleransını göstermek için bir pompadan su yüksekliği kullandığını görürsünüz.

Peki BC hücreleri neden bu avantaja sahip? Bunun arkasındaki fizik nedir?

Bunu oldukça basit terimlerle açıklamaya çalışalım.

Gölgeleme Neden Sıcak Noktalara Yol Açar

Gölgeleme neden sıcak noktalara yol açar?

Bir PV modülünün içindeki hücreler genellikle seri olarak bağlanır.

Bir seri devrenin tanımlayıcı bir özelliği vardır: akım her yerde aynı olmalıdır.

Bu, tüm dizeden geçen akımın döngü tarafından belirlendiği anlamına gelir. Her hücre tam ışık aldığında, her biri güç üretir ve hepsi oldukça tutarlı bir durumda bulunur.

Ancak bir hücre gölgelenirse, üretebileceği foto-akım düşer. Tüm dize hala büyük bir akım taşımak zorundaysa, bu gölgeli hücre diğer gölgelenmemiş hücreler tarafından ters ön gerilime itilebilir. Bu noktada bir güç kaynağı olmaktan çıkar ve bir güç tüketicisine dönüşür.

Kısmi gölgelemede, gölgelenen hücre tamamen üretimi durdurmaz. Gölgelenmeyen alanı hala bir miktar foto-akım üretir. Yani ters kırılma yolu, kaçak yolu veya bypass yolundan akması gereken, tam dizi akımı değil, dizi akımı ile hücrenin hala üretebildiği akım arasındaki farktır.

Bu farka uyumsuzluk akımı denir:

Iuyumsuzluk = Idizi - Iüretim

Yani sıcak nokta güç kaybı kabaca şöyle yazılabilir:

Psıcaknokta ≈ ∣Vters∣ × Iuyumsuzluk

yani:

Psıcaknokta ≈ ∣Vters∣ × (Idizi - Iüretim)

Bu formül önemli bir şeye işaret ediyor: Aynı dizi akımında, ters voltaj ne kadar yüksekse, gölgelenen hücre o kadar fazla güç harcar ve sıcak nokta o kadar ısınır.

Yani sıcak noktalara direnmenin anahtarlarından biri:

gölgelenen hücredeki ters voltajı nasıl düşüreceğimiz ve ısınmayı daha homojen hale getireceğimizdir.

İşte BC hücrelerin parladığı nokta tam da burasıdır.

BC Hücrelerin Yapısal Farkı

Bir BC hücresi yapısal olarak normal bir hücreden nasıl farklıdır?

Sıradan kristal silikon hücreler genellikle ön-arka kontak yapısı kullanır.

Basitçe söylemek gerekirse:

• Ön yüzde ince parmak ızgaralar ve bara hatları bulunur ve ışık önden girer;

• Hücre içinde akım üretilir ve ön ve arka elektrotlar aracılığıyla toplanır.

Bir BC hücresi, yani Arka Kontak, belirgin bir özelliğe sahiptir:

hem pozitif hem de negatif elektrotlar hücrenin arkasında bulunur ve ön yüzde metal parmak ızgaralar yoktur.

Bu iki doğrudan fayda sağlar:

1. Ön yüzde parmak ızgara gölgelemesi olmadığından daha fazla ışık alan alanı;

2. Arka elektrotlar iç içe geçmiş bir desen halinde oluşturulabilir, böylece akım toplama daha homojen olur.

Şekil 1 BC hücre yapısının şematik gösterimi.

Kaynak: 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

Bir BC hücresinin arkası, birbirine geçmiş birçok p-bölgesi ve n-bölgesi taşır. Bu bölgeler arasında çok sayıda kısa, yoğun katkılı PN eklemleri bulunur. Devre açısından bakıldığında, artık tek bir büyük diyot gibi değil, paralel bağlı birçok küçük diyot gibi davranır. Ters besleme altında, bu dağıtılmış PN eklemleri daha düzgün bir ters iletim yolu oluşturabilir.

Bu arka PN eklemleri kısa ve yerel olarak yoğun katkılı olduğundan, nispeten düşük bir ters voltajda ters kırılmaya girebilirler.

Elbette bu, BC hücresinin belirli tasarım parametrelerine bağlıdır.

Örneğin, p-bölgesi ve n-bölgesi arasındaki boşluk ne kadar küçükse, yerel alan o kadar güçlü olur ve genellikle daha düşük bir ters kırılma voltajı oluşturmak o kadar kolay olur. Ancak bu, kaçak akım ve şönt direncinde ödünleşimlere de yol açabilir. Bu nedenle, bir BC hücresinin gölge toleransı sabit bir değer değildir. Belirli hücre yapısı, arka desen tasarımı, boşluk boyutu, katkı konsantrasyonu, pasivasyon kalitesi ve üretim süreci ile yakından ilişkilidir.

BC Hücreler Gölgeleme Altında Neden Daha Az Güç Kaybeder

BC hücreler gölgelendikten sonra neden daha az güç kaybeder?

Bir modül kısmen gölgelendiğinde, dizi akımı gölgeli hücreyi ters beslemeye iter. Gölgeleme kötüleştikçe, bu alt dizi üzerindeki toplam voltaj düşmeye devam eder.

Geleneksel modüllerde, genellikle dizi bölümüne paralel bir baypas diyotu yerleştirilir. Baypas diyotu bir denetleyici tarafından aktif olarak açılmaz. Pasif bir cihazdır. İletip iletmeyeceği yalnızca üzerindeki voltaja bağlıdır. Bu alt dizinin toplam voltajı yeterince negatif olduğunda, baypas diyotu ileri beslemeli hale gelir ve otomatik olarak açılır.

Açılma koşulu şu şekilde yazılabilir:

Vsubstring ≤ -Vf

Vsubstring, baypas diyotu tarafından korunan alt dizinin toplam voltajıdır;

Vf, baypas diyotunun ileri voltaj düşümüdür.

Bir alt dizi için toplam voltajı şu şekilde anlayabiliriz:

Vsubstring = ∑Vgölgesiz + ∑Vgölgeli

burada:

• Gölgesiz hücreler hala bir ileri voltaj üretir;

• Gölgeli hücreler ters beslemelidir ve negatif voltaj üretir.

Baypas diyotu açılma koşulu şu şekilde okunabilir:

∣∑Vgölgeli∣ ≥ ∑Vgölgesiz + Vf

Başka bir deyişle:

Gölgelenen hücrelerin toplam ters voltajı, kalan gölgelenmemiş hücrelerin toplam ileri voltajını ve bypass diyotunun ileri düşüşünü aşmalıdır ki bypass diyotu iletime geçsin.

BC modüllerinin avantajı, harici bypass diyotu daha iletime geçmeden, BC hücresinin iç içe geçmiş arka PN bağlantı yapısının zaten bir miktar dağıtık ters iletim kapasitesi sağlamasıdır. Bu, hücre içinde yerleşik bir Zener diyotu gibi davranır.

Ters kutuplama altında, bir BC hücresinin iç içe geçmiş arka PN bağlantıları, daha düşük bir voltajda dağıtık ters iletim oluşturarak ters voltajın daha da yükselmesini sınırlayabilir. Bu nedenle, kısmi gölgeleme altında, harici bypass diyotu henüz iletime geçmediğinde, bir BC modülü yine de nispeten yüksek bir çıkış gücü sağlayabilir.

Şekil 2 Bir hücresi gölgelenmiş modülün IV eğrisi.

Kaynak: E. Özkalay, F. Valoti, M. Caccivio, A. Virtuani, G. Friesen ve C. Ballif, "The effect of partial shading on the reliability of photovoltaic modules in the built-environment," EPJ Photovoltaics, cilt 15, s. 7, Ocak 2024, doi: 10.1051/epjpv/2024001. Erişim: https://doi.org/10.1051/epjpv/2024001

Daha İyi Tolerans, Gölgelemeye Karşı Bağışık Olduğu Anlamına Gelmez

Daha iyi gölgeleme toleransı, BC hücrelerinin gölgelemeye karşı bağışık olduğu anlamına gelmez

Yaygın bir yanlış anlaşılmanın açıklığa kavuşturulması gerekiyor.

Daha iyi gölgeleme toleransı, bir BC hücresinin gölgelemeden etkilenmediği anlamına gelmez.

Herhangi bir PV hücresi, gölgelendiğinde daha az güç üretir.

Bir alt dizedeki gölgelenen alan çok büyürse veya birkaç hücre tamamen gölgelenirse, gölgelenen hücrelerin toplam ters voltajı, kalan gölgelenmemiş hücrelerin toplam ileri voltajını aşabilir. Bu noktada harici bypass diyotu iletime geçer.

Bypass diyotu iletime geçtiğinde, akım tüm alt dizeyi baypas eder. Bu alt dizedeki gölgelenmemiş hücreler de baypas edilir ve çıkışa katkıları keskin bir şekilde düşer. Bu nedenle, gölgelenen alan büyük olduğunda, BC modülünün üretim avantajı da zayıflar.

BC modüllerinin gerçekten parladığı senaryolar genellikle şunlardır:

• Bir veya birkaç hücre kısmen gölgelenir;

• Her bir alt dizedeki gölgelenen alan küçük kalır;

• Gölgeleme çapraz, şerit şeklinde veya yerel olarak dağılmıştır;

• Harici bypass diyotu tam olarak iletime geçmemiştir.

Örneğin, bir elektrik direğinden gelen çapraz bir gölge, her bir alt dizede yalnızca küçük bir gölgeli alan bırakabilir. Bu durumda, bir BC modülü genellikle daha iyi gölge toleranslı üretimini gösterir.

BC Modüller Neden Daha Soğuk Sıcak Noktalara Sahiptir

BC modüller neden daha düşük sıcak nokta sıcaklıklarına sahiptir?

BC modüllerin daha soğuk sıcak noktalara sahip olmasının başlıca iki nedeni vardır.

Birincisi, ters akım daha yaygındır

Sıradan hücreler için ters akım dağılımı genellikle eşit değildir. Ters kırılma ilk olarak bazı yerel zayıf noktalarda meydana gelebilir, örneğin:

• Yerel kusur bölgeleri;

• Hücre kenarları;

• Metalizasyon anormallikleri;

• Mikro çatlaklar veya kontamine alanlar;

• Daha zayıf yerel pasivasyona sahip bölgeler.

Bu noktalar zayıf noktalar gibi davranır.

Ters akım bu zayıf noktalarda yoğunlaştığında, yerel güç yoğunluğu çok yükselir, sıcaklık hızla artar ve belirgin bir sıcak nokta oluşur.

Aynı miktarda ısıyı iki nesneye uygulamak gibidir:

• Bütün bir metal plaka;

• Bir iğne ucu büyüklüğünde bir nokta.

İkincisi kesinlikle daha hızlı ısınır.

Yani gölgeleme altındaki sıradan bir hücre için risk "tüm hücrenin eşit ısınması" değil, güçlü yerel nokta ısınmasıdır.

Bir BC hücresinin arka yüzeyinde birbirine geçmiş birçok PN bağlantısı bulunur. Ters iletim, birkaç kusur noktasında yoğunlaşmak yerine birden çok bölgeye daha kolay yayılabilir.

Bu nedenle BC hücresindeki ters akım daha eşit dağılır, yerel güç yoğunluğu daha düşük kalır ve sıcak nokta sıcaklığı da daha düşük kalır.

İkincisi, ters kırılma voltajı daha düşüktür

Sıcak nokta güç formülünden:

Psıcaknokta ≈ ∣Vters∣ × Iuyumsuzluk

Aynı uyumsuzluk akımında, daha düşük bir ters voltaj daha az güç dağılımı anlamına gelir.

Bu nedenle düşük bir ters kırılma voltajı, gölgeleme senaryolarında aslında bir koruma mekanizması olarak işlev görebilir.

İşte basit bir örnek.

Diyelim ki dize akımı 10A ve bir hücre yoğun şekilde gölgeleniyor.

Sıradan bir hücre gölgeleme sonrası 15V ters voltaja ulaşırsa, dağıttığı güç yaklaşık olarak:

P = 15V × 10A = 150W

Bir BC hücresi arka yapısı nedeniyle kenetlenirse ve ters voltaj yaklaşık 6V ile sınırlanırsa, harcadığı güç kabaca:

P = 6V × 10A = 60W

Fark çok açıktır.

Gerçek sıcak nokta sıcaklığı, gölgelenen alan, ortam sıcaklığı, rüzgar hızı, modül kapsüllemesi, cam boyutu, hücre tasarımı ve test yöntemine bağlıdır, bu nedenle tek bir sabit sayı ile yargılayamazsınız.

Ancak bazı gerçek testler ve saha deneyimlerinde, BC modülleri genellikle geleneksel olanlardan daha düşük sıcak nokta sıcaklıkları çalıştırır. Örneğin, bazı BC modülleri sıcak nokta sıcaklığını yaklaşık 120 °C'nin altında tutabilirken, diğer modül türleri 160 °C veya daha yükseğe ulaşabilir.

Bazı özel olarak tasarlanmış BC hücreleri, "hücre içinde yerleşik bypass diyotu" gibi bir şey elde eder. Bu, sıcak nokta sıcaklığını yaklaşık 90 °C'ye düşürebilirken, referans modül yaklaşık 190 °C civarında kalır; bu, bu tür dağıtılmış ters iletim tasarımının sıcak nokta sıcaklığını önemli ölçüde azaltabileceğini gösterir.

Daha Düşük Ters Kırılma Gerilimi Her Zaman Daha mı İyi?

Daha düşük bir ters kırılma gerilimi her zaman daha mı iyidir?

Mutlaka değil.

Düşük bir ters kırılma gerilimi, gölgeleme sırasında sıcak nokta sıcaklığını düşürmeye yardımcı olur, ancak aynı zamanda tasarım ödünleşimlerini de beraberinde getirebilir.

Ters iletim yolu kötü tasarlanırsa, kaçak akımı artırabilir ve şönt direncini düşürebilir, bu da hücrenin normal üretim performansına zarar verir.

Bu nedenle yüksek verimli bir BC hücresi genellikle iki hedefi dengelemek zorundadır:

1. Normal çalışma sırasında yüksek verimlilik, düşük kaçak ve yüksek şönt direnci sağlamak;

2. Gölgeleme ters kutuplaması altında, daha düşük bir voltajda güvenli ve eşit bir ters iletim oluşturmak.

Bu nedenle gölgeleme toleransı farklı BC hücreleri arasında değişir.

Bazı BC hücreleri verimliliğe yönelir ve daha güçlü yalıtım oluşturabilir, bu nedenle ters kırılma gerilimleri daha yüksek olur. Diğerleri gölgeleme toleransına yönelir ve daha düşük, daha eşit ters kırılma yolları tasarlayabilir.

Bu nedenle "tüm BC hücreleri aynı gölgeleme toleransına sahiptir" diyemezsiniz. Daha doğru bir ifade şöyledir:

iyi tasarlanmış bir BC hücresi, iç içe geçmiş arka PN bağlantı yapısını kullanarak daha düşük ve daha eşit ters kırılma elde edebilir ve bu da gölgeleme ve sıcak nokta toleransını iyileştirir.

BC Hücre Avantajları Özetlendi

BC hücre avantajları özetlendi

Genel olarak, BC hücrelerinin gölgeleme altındaki avantajları şunları içerir:

• Harici bypass diyotu devreye girmeden önce, küçük alanlı gölgeleme altında daha küçük modül üretim kaybı;

• Daha düşük yerel güç yoğunluğu;

• Daha düşük sıcak nokta sıcaklığı;

• Daha yüksek modül güvenlik marjı.

Bunun Modül Uygulamaları İçin Anlamı

Bunun modül uygulamaları için anlamı nedir?

Gerçek kullanımda gölgeleme genellikle tamamen önlenemez.

Özellikle dağıtık senaryolarda, örneğin:

• Konut çatıları;

• Ticari ve endüstriyel çatılar;

• Balkon PV;

• BIPV;

• Çok yönlü montaj;

• Karmaşık binalarla çevrili alanlar.

Bu uygulamalarda modüller sıklıkla yerel gölgeleme ile karşılaşabilir.

Bir hücre daha iyi gölgeleme toleransına ve daha düşük sıcak nokta sıcaklığına sahipse, bu şu anlama gelir:

• Daha iyi modül güvenliği: düşük sıcak nokta sıcaklığı, kapsülleme yaşlanmasını, arka tabaka hasarını, yerel cam stresini ve elektrik riskini azaltır.

• Daha iyi uzun vadeli güvenilirlik: yerel yüksek sıcaklık malzeme yaşlanmasını hızlandırır. Sıcak nokta ne kadar zayıfsa, modül zaman içinde o kadar kararlı kalır.

• Daha kontrol edilebilir üretim kaybı: yerel gölgeleme kaçınılmaz olduğunda, bir BC modülü güç kaybının bir kısmını hafifletebilir.

• Daha dostane sistem tasarımı.

BC modülleri karmaşık çatılara, dağıtık montaj ortamlarına ve çoklu gölgeleme senaryolarına daha iyi uyum sağlar.

Özet

Özet

BC hücreleri daha iyi gölgeleme toleransı ve daha düşük sıcak nokta sıcaklığı sunar, bunun nedeni 'gölgelemeden etkilenmemeleri' değil, yapı ve ters kutuplama davranışındaki avantajlarıdır.

Gölgeleme altında, sıradan hücreler ters kırılmanın yerel kusur noktalarında yoğunlaşmasına neden olabilir, bu da yüksek yerel güç yoğunluğuna ve yüksek sıcak nokta sıcaklığına yol açar.

Bir BC hücresinin iç içe geçmiş arka PN bağlantı yapısı, dağıtılmış bir yerleşik ters kenetleme gibi davranır. Gölgeleme altında, daha düşük bir ters voltajda ters iletim oluşturabilir ve ters akımı daha eşit bir şekilde dağıtarak hem sıcak nokta gücünü hem de sıcak nokta sıcaklığını düşürür.

Ancak unutmayın, BC hücreleri gölgelenmeye karşı tamamen bağışık değildir. Gölgeli alan çok büyüdüğünde, birkaç hücre tamamen gölgelenir ve alt dizi voltajı yeterince negatif olduğunda, harici bypass diyotu yine de devreye girer. Bu noktada, bypass edilen alt dizi çıkışı belirgin şekilde düşer.

Daha doğru bir ifadeyle:

BC hücresinin avantajı, gölgelenmenin etkisini ortadan kaldırmak değil, bu etkiyi daha kontrol edilebilir hale getirmektir. Küçük alanlı gölgelenmede güç kaybını azaltır; yoğun gölgelenmede ise sıcak nokta riskini düşürür.

BC hücrelerinin karmaşık gölgeleme ortamlarında avantajlı olmasının temel nedeni budur.

Ooitech'in Görüşü

Buradaki ilginç kısım, gölgeleme toleransının sadece bir hücre tasarımı seçimi olmaması, aynı zamanda bu iç içe geçmiş arka desenin bir hattaki her hücrede ne kadar tutarlı bir şekilde üretildiğine de bağlı olmasıdır. Metalizasyon, boşluk boyutu veya pasivasyon kalitesindeki küçük sapmalar, az önce tanımladığımız ters kırılma davranışını değiştirebilir; bu nedenle BC modül hatlarında proses kontrolü, hücre reçetesi kadar önemlidir. Ooitech, TOPCon, HPBC, ABC ve diğer BC tipi modüller için anahtar teslim modül üretim hatları kurmak üzere yıllarını harcadı, bu yüzden bu arka temas proses pencerelerini yakından takip ediyoruz. Bu modüllerin fabrika zemininde nasıl üretildiğini görmek isterseniz, YouTube kanalımız www.youtube.com/ooitech gerçek üretim hattı görüntüleriyle dolu, bir göz atmaya değer.