BC Güneş Hücreleri Neden Daha İyi Gölge Toleransı ve Daha Düşük Sıcak Nokta Sıcaklığı Sunar?

Ürün Tanıtımı

Gölgelenme, gerçek dünya PV kurulumlarında en yaygın sorunlardan biridir.

Ağaç gölgeleri, elektrik direkleri, toz, kuş pislikleri, kar, hatta düzensiz montaj açıları bile 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 çatı üstü, balkon PV ve premium modüllerde büyük ilgi gördü. Bunun büyük bir nedeni: BC hücreler genellikle gölgelenmeyi daha iyi yönetir ve gölgelenme altında daha düşük sıcak nokta sıcaklıklarında çalışır.

SNEC'te, satıcıların bir hücrenin bir kısmını gölgeleyip BC ürünlerinin gölgelenme toleransını bir su pompasının ne kadar yükseğe püskürtebildiğini izleyerek gösterdiğini sıkça görürsünüz.

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

Bunu basit bir dille açıklamaya çalışalım.

Gölgeleme neden sıcak noktalara yol açar?

Bir PV modülündeki hücreler genellikle seri 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 gölgelenme için, gölgeli hücre tamamen ölü değildir. Gölgelenmemiş kısım hala biraz foto-akım üretir. Yani ters kırılma yolu, kaçak yolu veya baypas yolundan akması gereken aslında tam dize akımı değil, dize akımı ile o hücrenin hala üretebildiği akım arasındaki farktır.

Bu farka uyumsuzluk akımı diyebiliriz:

Iuyumsuzluk = Idizi - Iüretim

Yani sıcak nokta ısıtma gücü kabaca şu şekilde yazılabilir:

Psıcaknokta ≈ ∣Vters∣ × Iuyumsuzluk

yani:

Psıcaknokta ≈ ∣Vters∣ × (Idizi - Iüretim)

Bu formül önemli bir konuyu işaret ediyor: Aynı string akımında, ters voltaj ne kadar yüksekse, gölgelenen hücrenin yaktığı güç o kadar fazla olur ve sıcak nokta o kadar ısınır.

Bu nedenle sıcak noktalarla mücadelede anahtar noktalardan biri:

gölgelenen hücredeki ters voltajı nasıl düşüreceğiniz ve ısıyı daha eşit şekilde dağıtacağınızdır.

İşte BC hücrelerin parladığı nokta tam da burasıdır.

Bir BC hücresi yapısal olarak sıradan bir hücreden nasıl farklıdır?

Sıradan kristal silikon hücreler genellikle ön-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 ızgaralar yoktur.

Bu iki doğrudan fayda sağlar:

1. ön yüzde ızgara gölgelemesi olmadığı için daha geniş bir ışık alma alanı;

2. arka elektrotlar iç içe geçmiş şekilde yapılabildiğinden 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 çok sayıda iç içe geçmiş p ve n bölgesi bulunur. Bu bölgeler arasında birçok kısa, yoğun katkılı PN birleşimi yer alır. Devre açısından bakıldığında, artık tek bir büyük diyot gibi değil, paralel bağlı birçok küçük diyot gibi davranır. Ters kutuplamada, bu dağıtılmış PN birleşimleri daha homojen bir ters iletim yolu oluşturabilir.

Aynı zamanda, bu arka PN birleşimleri kısa ve yerel olarak yoğun katkılı olduğundan, nispeten düşük bir ters voltajda ters kırılma bölgesine 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 daha kolaydır. Ancak bu, kaçak akım ve şönt direncinde ödünleşimlere de yol açabilir. Bu nedenle, bir BC hücresinin gölge toleransı sabit bir sayı değildir; hücre yapısı, arka desen tasarımı, boşluk boyutu, katkı konsantrasyonu, pasivasyon kalitesi ve üretim süreciyle sıkı sıkıya bağlantılıdır.

BC modüller gölgelendikten sonra neden daha az güç kaybeder?

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

Geleneksel modüllerde, bir bypass diyotu genellikle string'in bir bölümüne paralel olarak bağlanır. Bypass diyotu bir kontrolör tarafından aktif olarak açılmaz. Pasif bir cihazdır. İletip iletmeyeceği yalnızca üzerindeki gerilime bağlıdır. O string bölümünün toplam gerilimi yeterince negatif olduğunda, bypass diyotu ileri yönde kutuplanır ve kendi kendine iletime geçer.

Açılma koşulu şu şekilde yazılabilir:

Vsubstring ≤ -Vf

Vsubstring, bypass diyotu tarafından korunan string bölümünün toplam gerilimidir;

Vf, baypas diyotunun ileri voltaj düşümüdür.

Bir string bölümü için toplam gerilimi şu şekilde anlaşılabilir:

Vsubstring = ∑Vgölgesiz + ∑Vgölgeli

burada:

• gölgelenmemiş hücreler hala pozitif bir gerilim üretir;

• gölgelenmiş hücreler ters kutuplanır ve negatif bir gerilim üretir.

Baypas diyotu açılma koşulu şu şekilde okunabilir:

∣∑Vgölgeli∣ ≥ ∑Vgölgesiz + Vf

Başka bir deyişle:

gölgelenmiş hücrelerin ters gerilimlerinin toplamı, kalan gölgelenmemiş hücrelerin ileri gerilimlerinin toplamını ve bypass diyotunun açılma gerilimini aşmadan önce bypass diyotu devreye girer.

BC modülünün avantajı, harici bypass diyotu açılmadan önce bile, BC hücresinin kendi arka iç içe geçmiş PN eklem yapısının bir miktar dağıtılmış ters iletim sağlamasıdır. Bu, hücreye entegre bir zener diyotu gibi davranır.

Ters kutuplama altında, BC hücresinin arkasındaki iç içe geçmiş PN eklem yapısı, daha düşük bir gerilimde dağıtılmış ters iletim oluşturabilir ve bu da ters gerilimin ne kadar yükselebileceğini sınırlar. Bu nedenle, kısmi gölgeleme altında, harici bypass diyotu henüz tetiklenmemişken, BC modülü hala oldukça yüksek bir çıkış gücü sağlayabilir.

Şekil 2 Bir hücre gölgelendiğinde modül 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 iyi gölgeleme toleransı, gölgelemeye karşı bağışık olduğu anlamına gelmez

Açıklığa kavuşturulması gereken yaygın bir yanlış anlama var.

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

Herhangi bir PV hücresi, gölgelendiğinde daha az güç üretecektir.

Bir alt string içindeki gölgeli alan çok büyükse veya birkaç hücre tamamen gölgelenmişse, gölgelenmiş hücrelerin toplam ters gerilimi sonunda kalan gölgelenmemiş hücrelerin toplam ileri gerilimini aşabilir. Bu noktada harici bypass diyotu açılır.

Bypass diyotu açıldığında, akım bu string bölümünün tamamını baypas eder. Bu alt stringteki gölgelenmemiş hücreler de gölgelenmiş olanlarla birlikte baypas edilir ve çıkışa katkıları belirgin şekilde düşer. Bu nedenle, gölgeli alan büyük olduğunda, BC modülünün üretim avantajı da zayıflar.

BC modülleri genellikle şu durumlarda avantajlıdır:

• tek bir hücre veya birkaç hücre kısmen gölgelenmiştir;

• her bir alt dizedeki gölgeli alan küçüktür;

• gölgeleme çapraz, şerit benzeri veya yerel olarak dağılmıştır;

• harici bypass diyotu tam olarak açılmamıştır.

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 üretim gösterir.

BC modülleri sıcak noktalarda neden daha serin çalışır?

BC modülleri esas olarak iki nedenden dolayı daha düşük sıcak nokta sıcaklıklarına sahiptir.

Birincisi, ters akım daha yaygındır

Sıradan hücrelerde, ters akım dağılımı genellikle eşit değildir. Ters kırılma ilk olarak yerel zayıf noktalarda meydana gelme eğilimindedir, örneğin:

• yerel kusur bölgeleri;

• hücre kenarları;

• anormal metalizasyon alanları;

• mikro çatlaklar veya kontamine alanlar;

• zayıf yerel pasivasyon alanları.

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 tarafında birbirine geçmiş birçok PN bağlantısı vardır. 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 aşırı gölgelenmiş.

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

P = 15V × 10A = 150W

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

P = 6V × 10A = 60W

Fark çarpıcıdır.

Elbette, gerçek sıcak nokta sıcaklığı gölgeli alana, ortam sıcaklığına, rüzgar hızına, modül kapsüllemesine, cam boyutuna, hücre tasarımına ve test yöntemine bağlıdır, bu nedenle tek bir sabit sayı ile yargılayamazsınız.

Yine de, bazı gerçek testlerde ve saha deneyimlerinde, BC modülleri genellikle geleneksel olanlardan daha düşük sıcaklıkta çalışır. Örneğin, bazı BC modülleri sıcak nokta sıcaklığını yaklaşık 120 °C'nin altında tutabilirken, diğer modül türleri 160 °C 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?

Mutlaka değil.

Düşük bir ters kırılma voltajı, gölgeleme altında sıcak nokta sıcaklığını düşürmeye yardımcı olur, ancak beraberinde tasarım ödünleşimleri 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 bir voltajda güvenli, düzgün ters iletim oluşturmak.

Bu nedenle farklı BC hücreleri gölgeleme performansında farklılık gösterir.

Bazı BC hücreleri verimliliğe yönelir, bu nedenle daha güçlü izole olabilir ve daha yüksek bir ters kırılma voltajına sahip olabilir. Diğerleri gölgeleme toleransına yönelir, bu nedenle daha düşük, daha düzgün 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 bağlantı yapısı aracılığıyla daha düşük, daha düzgün ters kırılma elde edebilir, bu da gölgeleme ve sıcak nokta toleransını iyileştirir.

BC hücre avantajlarının özeti

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

• harici baypas 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;

• çevresinde karmaşık binalar bulunan sahalar.

Bu uygulamalarda modüller sıklıkla kısmi gölgelenmeye maruz kalabilir.

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

• Daha iyi modül güvenliği: 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 gölgelenme kaçınılmaz olduğunda, 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 gölgelenmeyi daha iyi tolere eder ve sıcak noktalarda daha serin çalışır, bunun temel nedeni "gölgelenmeden etkilenmemeleri" değil, yapı ve ters kutuplama davranışındaki avantajlarıdır.

Sıradan bir hücre gölgelendiğinde, ters kırılma yerel kusur noktalarında yoğunlaşabilir ve yüksek yerel güç yoğunluğu ile yüksek sıcak nokta sıcaklığına yol açabilir.

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

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

Daha kesin olarak:

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

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

Ooitech'in Görüşü

Burada bizi asıl çarpan şey, BC'nin gölgeleme avantajının sihirli bir malzemede değil, arka kontak metalizasyon adımında yatmasıdır; bu da modül hattının, düşük ve eşit ters kırılmayı elde etmek için interdigitated desende sıkı toleranslara uyması gerektiği anlamına gelir. Bir üretim hattında, aynı fiziğin EL ve sıcak nokta testlerinde oynadığını gördük; burada düzensiz arka desenleme, modül bir gölge görmeden çok önce dağınık kırılma noktaları olarak ortaya çıkar. Hücre ile bitmiş modül arasında olanlara dair bu tür detaylı incelemeleri seviyorsanız, YouTube kanalımız www.youtube.com/ooitech gerçek güneş enerjisi fabrikalarının içinden daha fazlasını sunuyor.