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 sadece 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 temel nedenlerinden biri 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 Neden Olur

Gölgeleme neden sıcak noktalara neden olur?

Bir PV modülünün içindeki hücreler genellikle seri bağlanır.

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

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

Ancak bir hücre gölgelendiğinde, üretebileceği foto-akım düşer. Eğer tüm string hala büyük bir akım taşımak zorundaysa, gölgelenen hücre diğer gölgelenmemiş hücreler tarafından ters beslemeye itilebilir. Bu noktada bir güç kaynağı olmaktan çıkar ve bir güç tüketicisine dönüşür.

Kısmi gölgeleme için, gölgelenen hücre tamamen üretimi durdurmaz. Gölgelenmemiş alanı hala bir miktar foto-akım üretir. Yani ters kırılma yolu, kaçak yolu veya bypass yolundan geçmesi gereken, tam string akımı değil, string akımı ile o hücrenin hala üretebildiği akım arasındaki farktır.

Bu farka uyumsuzluk akımı denebilir:

Iuyumsuzluk = Istring - Iüretim

Yani sıcak nokta güç kaybı kabaca şöyle yazılabilir:

Psıcaknokta ≈ ∣Vters∣ × Iuyumsuzluk

bu da:

Psıcaknokta ≈ ∣Vters∣ × (Istring - Iüretim)

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

Yani sıcak noktalara karşı koymanın anahtarlarından biri:

gölgelenen hücredeki ters voltajı nasıl düşüreceğiniz ve ısınmayı daha eşit hale getirmenizdir.

İşte BC hücrelerinin parladığı nokta tam olarak budur.

BC Hücrelerinin 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 ardından 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 ızgaraları yoktur.

Bu iki doğrudan fayda sağlar:

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

2. Arka elektrotlar iç içe geçmiş bir desende oluşturulabilir, böylece akım toplama daha eşit 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

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

Bu arka PN bağlantıları 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 ile n-bölgesi arasındaki boşluk ne kadar küçükse, yerel alan o kadar güçlü olur ve genellikle daha düşük bir ters kırılma voltajı oluşturmak daha kolaydır. 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 Hücreleri Gölgeleme Altında Neden Daha Az Güç Kaybeder

BC hücreleri gölgeleme sonrası neden daha az güç kaybeder?

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

Geleneksel modüllerde, genellikle dizinin bir bölümüne paralel olarak bir baypas diyotu yerleştirilir. Baypas diyotu bir kontrolör 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 anlaşılabilir:

Vsubstring = ∑Vgölgesiz + ∑Vgölgeli

burada:

• Gölgesiz hücreler hala bir ileri voltaj üretir;

• Gölgeli hücreler ters kutuplanır ve negatif voltaj üretir.

Baypas diyotunun iletime geçme koşulu şu şekilde okunabilir:

∣∑Vgölgeli∣ ≥ ∑Vgölgesiz + Vf

Başka bir deyişle:

gölgeli hücrelerin toplam ters voltajı, kalan gölgesiz hücrelerin toplam ileri voltajını ve baypas diyotunun ileri gerilim düşümünü aşmadan önce baypas diyotu iletime geçmez.

BC modüllerinin avantajı, harici baypas diyotu iletime geçmeden önce bile, BC hücresinin iç içe geçmiş arka PN bağlantı yapısının zaten bir miktar dağıtılmış 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 dağıtılmış ters iletim oluşturarak ters voltajın daha da yükselmesini sınırlayabilir. Bu nedenle, kısmi gölgeleme altında, harici baypas diyotu henüz iletime geçmediğinde, bir BC modülü hala nispeten yüksek bir çıkış gücü sağlayabilir.

Şekil 2 Bir hücresi gölgeli modülün IV eğrisi.

Kaynak: 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. Erişim: https://doi.org/10.1051/epjpv/2024001

Daha İyi Tolerans, Gölgelemeye Karşı Bağışık Olmak Anlamına Gelmez

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

Açıklığa kavuşturulması gereken yaygın bir yanılgı var.

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

Herhangi bir PV hücresi, gölgelendiğinde daha az güç üretir.

Bir alt dizedeki gölgeli alan çok büyürse veya birkaç hücre tamamen gölgelenirse, gölgeli hücrelerin toplam ters voltajı sonunda kalan gölgesiz hücrelerin toplam ileri voltajını aşabilir. Bu noktada harici baypas diyotu iletime geçer.

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

BC modüllerinin gerçekten parladığı senaryolar genellikle şunlardır:

• Bir veya birkaç hücrenin kısmi gölgelenmesi;

• Her bir alt dizedeki gölgeli alan küçük kalır;

• Gölgeleme çapraz, şerit şeklinde veya yerel olarak dağılmıştır;

• Harici bypass diyotu tam olarak açılmamıştır.

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

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 kirlenmiş 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 sıradan bir hücrenin gölgeleme altındaki riski "tüm hücrenin eşit ısınması" değil, güçlü yerel nokta ısınmasıdır.

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

Bu nedenle BC hücresinde 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 akım 10A ve bir hücre yoğun şekilde gölgeleniyor.

Sıradan bir hücre gölgelenme sonrası 15V ters gerilime ulaşırsa, harcadığı güç yaklaşık olarak:

P = 15V × 10A = 150W

Bir BC hücresi arka yapısı sayesinde kenetlenir ve ters gerilim yaklaşık 6V ile sınırlanırsa, harcadığı güç yaklaşık olarak:

P = 6V × 10A = 60W

Fark çok açık.

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 değerlendirilemez.

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

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

Daha Düşük Ters Kırılma Gerilimi Her Zaman Daha mı İyidir?

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

Her zaman değil.

Düşük ters kırılma gerilimi, gölgelenme sırasında sıcak nokta sıcaklığını düşürmeye yardımcı olur, ancak aynı zamanda tasarım ödünleşimlerine de yol açabilir.

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 verim, düşük kaçak ve yüksek şönt direnci sağlamak;

2. Gölgelenme ters kutuplaması altında, daha düşük bir gerilimde güvenli ve eşit bir ters iletim oluşturmak.

Bu nedenle farklı BC hücreleri arasında gölgelenme toleransı da değişir.

Bazı BC hücreleri verime odaklanır ve daha güçlü izolasyon oluşturabilir, bu nedenle ters kırılma gerilimleri daha yüksek olur. Diğerleri gölgelenme toleransına odaklanır ve daha düşük, daha eşit ters kırılma yolları tasarlayabilir.

Bu nedenle "tüm BC hücreleri aynı gölgelenme 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 homojen bir ters kırılma elde edebilir ve bu da gölgeleme ve sıcak nokta toleransını iyileştirir.

BC Hücre Avantajları Özeti

BC hücre avantajları özeti

Bir araya getirildiğinde, BC hücrelerinin gölgeleme altındaki avantajları temel olarak 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.

BC hücresinin iç içe geçmiş arka PN bağlantı yapısı, dağıtılmış bir yerleşik ters kenetleme gibi çalışır. 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 gölgelemeye karşı tamamen bağışık değildir. Gölgeli alan çok büyük olduğunda, birkaç hücre tamamen gölgelenir ve alt dize voltajı yeterince negatif olursa, harici baypas diyotu yine de devreye girer. Bu noktada baypas edilen alt dize çıkışı belirgin şekilde düşer.

Yani daha doğru bir ifadeyle:

BC hücresinin avantajı gölgeleme etkisini ortadan kaldırmak değil, bu etkiyi daha kontrol edilebilir kılmaktır. Küçük alanlı gölgelemede güç kaybını azaltır; yoğun gölgelemede 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 süreç kontrolü, hücre reçetesi kadar önemlidir. Ooitech, TOPCon, HPBC, ABC ve diğer BC tipi modüller için anahtar teslimi modül üretim hatları geliştirmek için yıllarını harcadı, bu yüzden bu arka kontak süreç pencerelerini yakından takip ediyoruz. Bu modüllerin fabrika zemininde nasıl üretildiğini görmek isterseniz, YouTube kanalımız www.youtube.com/ooitech adresinde birçok gerçek üretim hattı görüntüsü bulunuyor, bir göz atmaya değer.