Ürün Tanıtımı

Gölgelenme, gerçek dünyadaki PV kurulumlarında en yaygın sorunlardan biridir.

Ağaç gölgeleri, elektrik direkleri, toz, kuş pislikleri, kar, hatta eşit olmayan montaj açıları kısmi gölgelenmeye neden olabilir. Gölgelenme sadece modülün çıkışını düşürmekle kalmaz, aynı zamanda daha ciddi bir sorunu tetikleyebilir: sıcak noktalar.

Son zamanlarda BC güneş hücreleri, dağıtık çatılar, balkon PV'si ve premium modüllerde büyük ilgi gördü. Bunun büyük bir nedeni: BC hücreleri genellikle gölgelenmeyi daha iyi yönetir ve gölgelenme altında daha düşük sıcak nokta sıcaklıklarında çalışır.

SNEC'te, satıcıların bir hücrenin bir kısmını gölgelediğini ve ardından BC ürünlerinin gölgelenme toleransını bir su pompasının ne kadar yükseğe püskürtebileceğini izleyerek gösterdiğini sıkça görürsünüz.

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

Bunu basit bir dille açıklamaya çalışalım.

Gölgeleme neden sıcak noktalara neden olur?

Bir PV modülündeki hücreler genellikle seri olarak bağlanır.

Seri devrelerin önemli bir özelliği vardır: akım her yerde aynı olmalıdır.

Bu, tüm dizedeki akımın seri döngü tarafından birlikte belirlendiği anlamına gelir. Her hücre tam ışık aldığında, her biri güç üretir ve hepsi oldukça tutarlı davranır.

Ancak bir hücre gölgelenirse, üretebileceği foto-akım düşer. Dize hala daha büyük bir akımı itmek zorundaysa, bu gölgeli hücre diğer gölgelenmemiş hücreler tarafından ters kutuplanmaya zorlanabilir. Bu noktada bir jeneratör olmaktan çıkar ve güç tüketen bir elemana dönüşür.

Kısmi gölgeleme durumunda, gölgelenen hücre tamamen ölü değildir. Gölgelenmeyen kısım hala bir miktar foto-akım üretir. Yani ters kırılma yolu, kaçak yolu veya bypass yolundan geçmesi gereken, tam dizi akımı değil, dizi akımı ile o hücrenin hala üretebildiği akım arasındaki farktır.

Bu farka uyumsuzluk akımı diyebiliriz:

Iuyumsuzluk = Istring - Iüretim

Yani sıcak nokta ısıtma gücü kabaca şu şekilde yazılabilir:

Psıcaknokta ≈ ∣Vters∣ × Iuyumsuzluk

bu da:

Psıcaknokta ≈ ∣Vters∣ × (Istring - Iüretim)

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

Bu nedenle sıcak noktalarla mücadelede anahtar noktalardan biri:

gölgelenen hücredeki ters voltajı nasıl düşüreceğimiz ve ısıyı daha eşit dağıtacağımızdır.

İşte BC hücrelerinin parladığı nokta tam olarak budur.

Bir BC hücresi yapısal olarak sıradan bir hücreden nasıl farklıdır?

Sıradan kristal silikon hücreler genellikle ön ve arka kontak yapısına sahiptir.

Basitçe söylemek gerekirse:

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

• hücre içinde üretilen akım, ön ve arka elektrotlar tarafından toplanır.

Bir BC hücresi, yani Arka Kontak (Back Contact), belirleyici 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 olmaz, bu nedenle daha geniş bir ışık alma alanı;

2. arka elektrotlar iç içe geçmiş şekilde yapılabilir, bu nedenle akım toplama daha homojendir.

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 arkasında birçok iç içe geçmiş p ve n bölgesi bulunur. Bu bölgeler arasında birçok kısa, yoğun katkılı PN bağlantısı 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 homojen bir ters iletim yolu oluşturabilir.

Aynı zamanda, 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 ve n bölgeleri arasındaki boşluk ne kadar küçükse, yerel alan o kadar güçlü olur ve genellikle daha düşük bir ters kırılma voltajı elde etmek o kadar kolay olur. Ancak bu, kaçak akım ve şönt direncinde ödünleşimlere yol açabilir. Bu nedenle, bir BC hücresinin gölge toleransı sabit bir sayı değildir; hücre yapısına, arka desen tasarımına, boşluk boyutuna, katkılama konsantrasyonuna, pasivasyon kalitesine ve üretim sürecine sıkı sıkıya bağlıdır.

BC modülleri gölgelendikten sonra neden daha az güç kaybeder?

Bir modül kısmen gölgelendiğinde, gölgelenen hücre, dizi akımı tarafından ters kutuplamaya itilir. Gölgeleme kötüleştikçe, dizinin o bölümünün toplam voltajı düşmeye devam eder.

Geleneksel modüllerde, bir baypas diyotu genellikle dizinin bir bölümüne paralel olarak bağlanır. Baypas diyotu bir kontrolör tarafından aktif olarak açılmaz. Pasif bir cihazdır. İletip iletmeyeceği yalnızca üzerindeki voltaja bağlıdır. Dizi bölümünün toplam voltajı yeterince negatif olduğunda, baypas diyotu ileri kutuplanır ve kendi kendine iletime geçer.

Açılma koşulu şu şekilde yazılabilir:

Vsubstring ≤ -Vf

Vsubstring, baypas diyotu tarafından korunan dizi bölümünün toplam voltajıdır;

Vf, baypas diyotunun ileri voltaj düşümüdür.

Bir dizi bölümü için toplam voltajı şu şekilde anlayabiliriz:

Vsubstring = ∑Vgölgesiz + ∑Vgölgeli

burada:

• gölgelenmemiş hücreler hala pozitif voltaj üretir;

• gölgelenen hücreler ters kutuplanır ve negatif voltaj üretir.

Baypas diyotunun iletime geçme koşulu şu şekilde okunabilir:

∣∑Vgölgeli∣ ≥ ∑Vgölgesiz + Vf

Başka bir deyişle:

gölgelenen hücrelerin ters voltajlarının toplamı, kalan gölgelenmemiş hücrelerin ileri voltajlarının toplamını ve baypas diyotunun iletime geçme voltajını aşmadan önce baypas diyotu devreye girmez.

BC modülünün avantajı, harici baypas diyotu devreye girmeden önce, BC hücresinin kendi arka parmaklı PN eklem yapısının zaten bir miktar dağıtılmış ters iletim sağlamasıdır. Bu, hücreye entegre edilmiş bir zener diyotu gibi davranır.

Ters kutuplama altında, BC hücresinin arkasındaki parmaklı PN eklem yapısı, daha düşük bir voltajda dağıtılmış ters iletim oluşturabilir ve bu da ters voltajın ne kadar yükselebileceğini sınırlar. Bu nedenle, kısmi gölgeleme altında, harici baypas diyotu henüz tetiklenmemişken, BC modülü hala oldukça yüksek bir çıkış gücü tutabilir.

Şekil 2 Bir hücre gölgelendiğinde modül 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 iyi gölge toleransı, gölgeye karşı bağışık olduğu anlamına gelmez

Yaygın bir yanlış anlaşılmanın açıklığa kavuşturulması gerekiyor.

BC hücreleri gölgeyi daha iyi tolere eder, ancak bu, gölgelemenin onlar üzerinde hiçbir etkisi olmadığı anlamına gelmez.

Herhangi bir PV hücresi gölgelendiğinde daha az güç üretir.

Bir alt dizedeki gölgeli alan çok büyükse veya birkaç hücre tamamen gölgelenmişse, gölgeli hücrelerin toplam ters voltajı, kalan gölgelenmemiş hücrelerin toplam ileri voltajını aşabilir. Bu noktada harici bypass diyotu devreye girer.

Bypass diyotu devreye girdiğinde, akım tüm bu dizi bölümünün etrafından dolaşır. Bu alt dizideki gölgelenmemiş hücreler de gölgelenenlerle birlikte bypass edilir ve çıktıya katkıları belirgin şekilde düşer. Bu nedenle, gölgeli alan büyük olduğunda, BC modülünün üretim avantajı da zayıflar.

BC modülleri şu durumlarda avantajlı olma eğilimindedir:

• tek bir hücre veya birkaç hücre kısmen gölgelenmişse;

• her bir alt dizedeki gölgeli alan küçükse;

• gölgeleme çapraz, şerit benzeri veya yerel olarak dağılmışsa;

• harici bypass diyotu tam olarak devreye girmemişse.

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

BC modülleri sıcak noktalarda neden daha serin çalışır?

BC modüllerinin daha düşük sıcak nokta sıcaklıklarına sahip olmasının başlıca iki nedeni vardır.

Birincisi, ters akım daha yaygındır

Sıradan hücrelerde, ters akım dağılımı genellikle eşit değildir. Ters kırılma, öncelikle aşağıdakiler gibi yerel zayıf noktalarda meydana gelme eğilimindedir:

• yerel kusur bölgeleri;

• hücre kenarları;

• anormal metalizasyon alanları;

• mikro çatlaklar veya kontamine alanlar;

• zayıf yerel pasivasyona sahip alanlar.

Bu noktalar zayıf noktalar gibi davranır.

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

Aynı miktarda ısı ile iki nesneyi ısıtmak gibidir:

• bütün bir metal plaka;

• iğne ucu büyüklüğünde bir nokta.

İkincisi daha hızlı ısınır, tartışmasız.

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

Bir BC hücresinin arka yüzünde birbirine geçmiş birçok PN bağlantısı bulunur. Ters iletim, birkaç kusur noktasında birikmek yerine birçok bölgeye daha kolay yayılabilir.

Bu nedenle bir BC hücresinin ters akım dağılımı daha homojendir, yerel güç yoğunluğu daha düşüktür ve sıcak nokta sıcaklığı da daha düşüktür.

İkincisi, ters kırılma voltajı daha düşüktür

Bunu sıcak nokta güç formülünden görebilirsiniz:

Psıcaknokta ≈ ∣Vters∣ × Iuyumsuzluk

Aynı uyumsuzluk akımında, ters voltaj ne kadar düşükse, ısıtma gücü o kadar az olur.

Bu nedenle düşük bir ters kırılma voltajı, gölgeleme altında bir koruma mekanizması olarak çalışabilir.

İşte basit bir örnek.

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

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

P = 15V × 10A = 150W

Bir BC hücresi arka yapısı nedeniyle kenetlenir ve ters voltaj yaklaşık 6V ile sınırlanırsa, yaktığı güç yaklaşık:

P = 6V × 10A = 60W

Fark çarpıcıdır.

Elbette 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.

Yine de bazı gerçek testlerde ve saha deneyimlerinde, BC modülleri genellikle geleneksel olanlara göre sıcak noktalarda daha serin çalışır. 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, "yerleşik baypas diyotu" gibi bir şey başararak sıcak nokta sıcaklığını yaklaşık 90 °C'ye düşürürken referans bir modül yaklaşık 190 °C'de kalır; bu, dağıtılmış ters iletim tasarımının sıcak nokta sıcaklığını önemli ölçüde azaltabileceğini gösterir.

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

Her zaman değil.

Düşük bir ters kırılma voltajı, gölgeleme altında sıcak nokta sıcaklığını düşürmeye yardımcı olur, ancak 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 akım ve yüksek şönt direnci sağlamak;

2. gölgelemeden kaynaklanan ters kutuplama altında, düşük voltajda güvenli, homojen ters iletim oluşturmak.

Bu nedenle farklı BC hücreleri gölgeleme performansında farklılık gösterir.

Bazı BC hücreleri verimliliğe yönelir, bu nedenle daha güçlü izole edebilir ve daha yüksek bir ters kırılma voltajına sahip olabilir. Diğerleri gölgeleme toleransına yönelir, bu nedenle daha düşük, daha homojen ters kırılma yolları tasarlayabilir.

Bu nedenle "tüm BC hücreleri gölgelemeyi aynı şekilde tolere eder" diyemezsiniz. Daha doğru bir ifade şudur:

iyi tasarlanmış bir BC hücresi, arka interdigitated PN eklem yapısı sayesinde daha düşük ve daha homojen bir ters kırılma elde edebilir, bu da gölgeleme ve sıcak nokta toleransını iyileştirir.

BC hücresi avantajlarının özeti

Bir araya getirirsek, bir BC hücresinin gölgeleme altındaki avantajları başlıca şunları içerir:

• harici bypass diyotu devreye girmeden önce, küçük alanlı gölgeleme altında daha az modül güç kaybı;

• daha düşük yerel güç yoğunluğu;

• daha düşük sıcak nokta sıcaklığı;

• daha yüksek modül güvenlik marjı.

Bunun modül uygulamaları için anlamı nedir?

Pratikte gölgeleme genellikle tamamen önlenemez.

Özellikle dağıtık senaryolarda, örneğin:

• konut çatıları;

• ticari ve endüstriyel çatılar;

• balkon PV;

• BIPV;

• çok yönlü montaj;

• karmaşık çevre binalara sahip alanlar.

Bu uygulamalarda modüller sıklıkla kısmen gölgelenebilir.

Bir hücre gölgelemeyi daha iyi tolere ediyor ve sıcak noktalarda daha serin çalışıyorsa, bu şu anlama gelir:

• Daha iyi modül güvenliği: daha düşük sıcak nokta sıcaklığı, kapsülleyici 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: kısmi 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.

Toparlarken

BC hücreleri gölgelemeyi daha iyi tolere eder ve sıcak noktalarda daha serin çalışır, bunun temel nedeni "gölgelemeden etkilenmemeleri" değil, yapı ve ters kutuplama davranışındaki avantajlarıdır.

Sıradan bir hücre gölgelendiğinde, ters kırılma yerel kusur noktalarında yoğunlaşabilir, bu da yüksek yerel güç yoğunluğuna ve yüksek sıcak nokta sıcaklığına yol açar.

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

Ancak unutmayın, BC hücreleri tamamen gölgelemeye karşı dayanıklı değildir. Gölgeli alan çok büyük olduğunda, birkaç hücre tamamen gölgelendiğinde ve alt dize voltajı yeterince negatif olduğunda, harici bypass diyotu yine de devreye girer. Bu noktada, bypass edilen alt dizenin çıkışı belirgin şekilde düşer.

Yani daha kesin olarak:

BC hücresinin avantajı gölgeleme etkilerini ortadan kaldırmak değil, onları daha kontrol edilebilir hale getirmektir. Küçük alanlı gölgeleme altında güç kaybını azaltabilir; yoğun gölgeleme altında ise sıcak nokta riskini düşürebilir.

BC hücrelerinin karmaşık gölgeleme ortamlarında daha iyi performans göstermesinin temel nedeni budur.

Ooitech'in Görüşü

Burada bizi asıl etkileyen şey, BC'nin gölgeleme avantajının sihirli bir malzemede değil, arka kontak metalizasyon aşamasında yatmasıdır; bu da modül hattının, düşük ve homojen ters kırılmayı elde etmek için iç içe geçmiş desende sıkı toleranslara ulaşması gerektiği anlamına gelir. Bir üretim hattında, aynı fiziğin EL ve sıcak nokta testlerinde nasıl ortaya çıktığını gördük; düzensiz arka desenleme, modül bir gölge görmeden çok önce dağınık kırılma noktaları olarak kendini gösterir. Hücre ile bitmiş modül arasında olup bitenlerin bu tür bir analizini seviyorsanız, YouTube kanalımız www.youtube.com/ooitech gerçek güneş enerjisi fabrikalarının içinden daha fazlasını sunuyor.