Warum BC-Solarzellen Schatten besser bewältigen

Kurze Antwort: Rückkontakt-Solarzellen kommen mit Teilverschattung besser zurecht als Vorderseitenkontakt-Zellen, weil beide Polaritätskontakte auf der Rückseite liegen, was die Stromumverteilung verändert, wenn ein Teil des Moduls verschattet ist. In einem Vorderseitenkontakt-Modul kann eine verschattete Zelle in Sperrrichtung gezwungen werden und Leistung als Wärme abgeben; die Zelltemperatur kann am verschatteten Übergang auf 120 °C bis 160 °C steigen, während das umgebende Modul nahe 90 °C bleibt. Die Rückseitenübergangs-Geometrie von BC-Zellen reduziert die Sperrspannungsbelastung, der eine verschattete Zelle ausgesetzt ist, und verteilt den Verlust über einen kürzeren leitenden Pfad. Der Vorteil ist real, aber begrenzt: BC-Zellen benötigen weiterhin Bypass-Dioden und verlieren weiterhin Leistung, wenn sie verschattet sind. Was sich ändert, ist die Wärmemenge, die die verschattete Zelle aufnehmen muss, bevor die Diode leitet, und genau das entscheidet, ob ein Verschattungsereignis ein vorübergehender Leistungsverlust oder ein dauerhafter Defekt ist.

PV-Modulfertigung · von Jerry, Ooitech

Einführung

Was ein Hot Spot mit dem Encapsulant, der Backsheet, dem Glas und den Interconnects macht — und warum die Temperatur eher eine Sicherheitsmarge als nur eine Leistungskennzahl ist — siehe Hotspots bei Solarmodulen, warum die Temperatur wichtig ist und was die Hitze beschädigt.

Verschattung ist ein sehr häufiges Problem bei realen PV-Installationen.

Baumschatten, Strommasten, Staub, Vogelkot, Schnee, sogar leicht unterschiedliche Montagewinkel der Module können Teilverschattung verursachen. Verschattung senkt nicht nur den Modulertrag, sondern kann auch ein ernsteres Problem auslösen: Hot Spots.

In den letzten Jahren haben BC-Solarzellen immer mehr Aufmerksamkeit bei verteilten Dachanlagen, Balkon-PV und Premium-Modulen erhalten. Ein Hauptgrund ist: BC-Solarzellen bieten in der Regel eine bessere Schattentoleranz, und ihre Hot-Spot-Temperaturen bleiben bei Verschattung niedriger.

Auf der SNEC sieht man oft, wie Hersteller einen Teil einer Zellkette verschatten und dann die Wasserhöhe einer Pumpe nutzen, um die Schattentoleranz ihrer BC-Produkte zu demonstrieren.

Warum haben BC-Zellen diesen Vorteil? Was ist die Physik dahinter?

Lassen Sie es uns in relativ einfachen Worten erklären.

Warum Verschattung Hot Spots verursacht

Warum verursacht Verschattung Hot Spots?

Zellen in einem PV-Modul sind normalerweise in Reihe geschaltet.

Ein Serienkreis hat ein entscheidendes Merkmal: Der Strom muss überall gleich sein.

Das bedeutet, dass der Strom durch die gesamte Kette von der Schleife als Ganzes bestimmt wird. Wenn jede Zelle volles Licht erhält, erzeugt jede Strom, und sie befinden sich alle in einem ziemlich konsistenten Zustand.

Aber wenn eine Zelle verschattet wird, sinkt der photogenerierte Strom, den sie erzeugen kann. Wenn die gesamte Kette immer noch einen großen Strom führen muss, kann diese verschattete Zelle durch die anderen nicht verschatteten Zellen in Sperrrichtung gepolt werden. An diesem Punkt hört sie auf, eine Stromquelle zu sein, und wird zu einem Stromverbraucher.

Bei Teilverschattung erzeugt die verschattete Zelle nicht vollständig keinen Strom. Ihr unbeschatteter Bereich erzeugt weiterhin einen gewissen Photostrom. Was also tatsächlich durch den Durchbruchspfad, Leckpfad oder Bypass-Pfad fließen muss, ist nicht der volle Stringstrom, sondern die Differenz zwischen dem Stringstrom und dem Strom, den die Zelle noch erzeugen kann.

Diese Differenz kann als Mismatch-Strom bezeichnet werden:

Imismatch = Istring - Ierzeugt

Die Hot-Spot-Verlustleistung kann also grob wie folgt geschrieben werden:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

was bedeutet:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Ierzeugt)

Diese Formel weist auf eine wichtige Sache hin: Bei gleichem Stringstrom gilt: Je höher die Sperrspannung, desto mehr Leistung dissipiert die verschattete Zelle und desto heißer wird der Hot Spot.

Einer der Schlüssel zur Widerstandsfähigkeit gegen Hot Spots ist also:

wie man die Sperrspannung an der verschatteten Zelle senkt und die Erwärmung gleichmäßiger macht.

Genau hier glänzen BC-Zellen.

Wie sich BC-Zellen strukturell unterscheiden

Wie unterscheidet sich eine BC-Zelle strukturell von einer normalen Zelle?

Gewöhnliche kristalline Siliziumzellen verwenden normalerweise eine Vorder- und Rückkontaktstruktur.

Einfach ausgedrückt:

• Die Vorderseite hat feine Finger und Busbars, und Licht tritt von vorne ein;

• Der Strom wird im Inneren der Zelle erzeugt und dann über die Vorder- und Rückelektroden gesammelt.

Eine BC-Zelle, was für Back Contact steht, hat ein herausragendes Merkmal:

Sowohl die positive als auch die negative Elektrode befinden sich auf der Rückseite der Zelle, ohne Metallfinger auf der Vorderseite.

Das bringt zwei direkte Vorteile:

1. Keine Verschattung durch Finger auf der Vorderseite, also mehr Lichteinfallsfläche;

2. Die Rückelektroden können in einem kammartigen Muster aufgebaut werden, sodass die Stromsammlung gleichmäßiger ist.

Abbildung 1 Schematische Darstellung der BC-Zellstruktur.

Quelle: 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

Die Rückseite einer BC-Zelle trägt viele verschachtelte p-Bereiche und n-Bereiche. Zwischen diesen Bereichen befinden sich viele kurze, stark dotierte PN-Übergänge. Aus Schaltkreis-Sicht verhält sie sich nicht mehr wie eine einzelne große Diode, sondern eher wie viele kleine Dioden parallel. Unter Sperrspannung können diese verteilten PN-Übergänge einen gleichmäßigeren Rückwärtsleitpfad bilden.

Da diese rückseitigen PN-Übergänge kurz und lokal stark dotiert sind, können sie bei einer relativ niedrigen Sperrspannung in den Durchbruch gehen.

Natürlich hängt dies von den spezifischen Designparametern der BC-Zelle ab.

Zum Beispiel: Je kleiner der Abstand zwischen p-Bereich und n-Bereich, desto stärker das lokale Feld, und normalerweise ist es einfacher, eine niedrigere Durchbruchspannung zu erreichen. Das kann aber auch Kompromisse bei Leckstrom und Shunt-Widerstand mit sich bringen. Die Verschattungstoleranz einer BC-Zelle ist also kein fester Wert. Sie hängt eng mit der spezifischen Zellstruktur, dem Rückseitenmuster-Design, der Spaltgröße, der Dotierungskonzentration, der Passivierungsqualität und dem Herstellungsprozess zusammen.

Warum BC-Zellen bei Verschattung weniger Leistung verlieren

Warum verlieren BC-Zellen nach Verschattung weniger Leistung?

Wenn ein Modul teilweise verschattet wird, drückt der Stringstrom die verschattete Zelle in Sperrrichtung. Mit zunehmender Verschattung sinkt die Gesamtspannung über diesem Teilstring weiter.

Bei herkömmlichen Modulen wird normalerweise eine Bypass-Diode parallel zu einem Abschnitt des Strings geschaltet. Die Bypass-Diode wird nicht aktiv von einem Controller eingeschaltet. Sie ist ein passives Bauelement. Ob sie leitet, hängt nur von der Spannung über ihr ab. Wenn die Gesamtspannung dieses Teilstrings ausreichend negativ wird, wird die Bypass-Diode in Durchlassrichtung vorgespannt und schaltet automatisch ein.

Die Einschaltbedingung kann wie folgt geschrieben werden:

VTeilstring ≤ -Vf

VTeilstring ist die Gesamtspannung des Teilstrings, der durch die Bypass-Diode geschützt wird;

Vf ist der Durchlassspannungsabfall der Bypass-Diode.

Für einen Teilstring kann seine Gesamtspannung wie folgt verstanden werden:

VTeilstring = ∑Vunverschattet + ∑Vverschattet

wobei:

• Unverschattete Zellen erzeugen weiterhin eine Durchlassspannung;

• Verschattete Zellen sind in Sperrrichtung vorgespannt und erzeugen eine negative Spannung.

Die Einschaltbedingung der Bypass-Diode kann wie folgt gelesen werden:

∣∑Vverschattet∣ ≥ ∑Vunverschattet + Vf

Mit anderen Worten:

Die gesamte Sperrspannung der verschatteten Zellen muss die gesamte Durchlassspannung der verbleibenden unverschatteten Zellen plus den Durchlassabfall der Bypass-Diode überschreiten, bevor die Bypass-Diode einschaltet.

Der Vorteil von BC-Modulen besteht darin, dass bereits bevor die externe Bypass-Diode überhaupt einschaltet, die interdigitierte rückseitige PN-Übergangsstruktur der BC-Zelle selbst eine gewisse verteilte Rückwärtsleitfähigkeit bietet. Dies verhält sich ein wenig wie eine eingebaute Zener-Diode in der Zelle.

Unter Sperrspannung können die interdigitierten rückseitigen PN-Übergänge einer BC-Zelle bei einer niedrigeren Spannung eine verteilte Rückwärtsleitung bilden und so einen weiteren Anstieg der Sperrspannung begrenzen. Daher kann ein BC-Modul bei Teilverschattung, wenn die externe Bypass-Diode noch nicht eingeschaltet hat, weiterhin eine relativ hohe Ausgangsleistung aufrechterhalten.

Abbildung 2 IV-Kurve des Moduls mit einer verschatteten Zelle.

Quelle: E. Özkalay, F. Valoti, M. Caccivio, A. Virtuani, G. Friesen und C. Ballif, "The effect of partial shading on the reliability of photovoltaic modules in the built-environment," EPJ Photovoltaics, Bd. 15, S. 7, Jan. 2024, doi: 10.1051/epjpv/2024001. Verfügbar: https://doi.org/10.1051/epjpv/2024001

Bessere Toleranz bedeutet nicht Immunität gegen Verschattung

Bessere Verschattungstoleranz bedeutet nicht, dass BC-Zellen immun gegen Verschattung sind

Ein häufiges Missverständnis muss geklärt werden.

Bessere Verschattungstoleranz bedeutet nicht, dass eine BC-Zelle von Verschattung unbeeinflusst bleibt.

Jede PV-Zelle erzeugt weniger Leistung, sobald sie verschattet ist.

Wenn die verschattete Fläche innerhalb eines Teilstrangs zu groß wird oder mehrere Zellen vollständig verschattet sind, kann die gesamte Sperrspannung der verschatteten Zellen schließlich immer noch die gesamte Durchlassspannung der verbleibenden unverschatteten Zellen überschreiten. An diesem Punkt schaltet die externe Bypass-Diode ein.

Sobald die Bypass-Diode einschaltet, fließt der Strom um diesen gesamten Teilstrang herum. Die unverschatteten Zellen in diesem Teilstrang werden ebenfalls umgangen, und ihr Beitrag zur Ausgangsleistung sinkt stark. Wenn also die verschattete Fläche groß ist, schwächt sich auch der Erzeugungsvorteil eines BC-Moduls ab.

Die Szenarien, in denen BC-Module wirklich glänzen, sind in der Regel:

• Eine Zelle oder einige Zellen werden teilweise verschattet;

• Die verschattete Fläche in jedem Teilstrang bleibt klein;

• Die Verschattung ist diagonal, streifenförmig oder lokal verstreut;

• Die externe Bypass-Diode ist nicht vollständig eingeschaltet.

Zum Beispiel könnte ein diagonaler Schatten von einem Versorgungsmast jeden Teilstring nur mit einer kleinen schattierten Fläche hinterlassen. In diesem Fall neigt ein BC-Modul dazu, seine bessere schattierungstolerante Stromerzeugung zu zeigen.

Warum BC-Module kühlere Hot Spots haben

Warum haben BC-Module niedrigere Hot-Spot-Temperaturen?

Es gibt hauptsächlich zwei Gründe, warum BC-Module kühlere Hot Spots haben.

Erstens ist der Rückstrom stärker verteilt

Bei gewöhnlichen Zellen ist die Rückstromverteilung oft ungleichmäßig. Der Durchbruch in Sperrrichtung kann zuerst an einigen lokalen Schwachstellen auftreten, wie zum Beispiel:

• Lokale Defektstellen;

• Zellkanten;

• Metallisierungsanomalien;

• Mikrorisse oder kontaminierte Bereiche;

• Bereiche mit schwächerer lokaler Passivierung.

Diese Stellen wirken wie Schwachpunkte.

Sobald sich der Rückstrom auf diese Schwachstellen konzentriert, wird die lokale Leistungsdichte sehr hoch, die Temperatur steigt schnell und es bildet sich ein deutlicher Hot Spot.

Es ist, als würde man die gleiche Wärmemenge auf zwei Objekte anwenden:

• Eine ganze Metallplatte;

• Eine punktförmige Stelle.

Letzteres erwärmt sich sicherlich schneller.

Das Risiko für eine gewöhnliche Zelle unter Beschattung ist also nicht "gleichmäßige Erwärmung über die gesamte Zelle", sondern starke lokale Punkterwärmung.

Eine BC-Zelle hat viele verschachtelte PN-Übergänge auf ihrer Rückseite. Die Rückwärtsleitung kann sich leichter über mehrere Bereiche ausbreiten, anstatt sich auf einige Defektpunkte zu konzentrieren.

Dadurch verteilt sich der Rückstrom in einer BC-Zelle gleichmäßiger, die lokale Leistungsdichte bleibt niedriger und die Hot-Spot-Temperatur bleibt ebenfalls niedriger.

Zweitens ist die Durchbruchspannung in Sperrrichtung niedriger

Aus der Hot-Spot-Leistungsformel:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

Bei gleichem Fehlanpassungsstrom bedeutet eine niedrigere Sperrspannung weniger Leistungsverlust.

Deshalb kann eine niedrige Durchbruchspannung in Sperrrichtung tatsächlich als Schutzmechanismus in Beschattungsszenarien wirken.

Hier ist ein einfaches Beispiel.

Angenommen, der Stringstrom beträgt 10 A und eine Zelle ist stark beschattet.

Wenn eine gewöhnliche Zelle nach Beschattung eine Sperrspannung von 15 V erreicht, beträgt die von ihr abgegebene Leistung ungefähr:

P = 15V × 10A = 150W

Wenn eine BC-Zelle aufgrund ihrer Rückseitenstruktur klemmt und die Sperrspannung auf etwa 6 V begrenzt ist, beträgt die von ihr abgegebene Leistung ungefähr:

P = 6V × 10A = 60W

Der Unterschied ist sehr deutlich.

Die tatsächliche Hot-Spot-Temperatur hängt von der verschatteten Fläche, der Umgebungstemperatur, der Windgeschwindigkeit, der Modulverkapselung, der Glasgröße, dem Zelldesign und der Testmethode ab, daher kann man sie nicht anhand einer einzelnen festen Zahl beurteilen.

Aber in einigen realen Tests und Felderfahrungen weisen BC-Module normalerweise niedrigere Hot-Spot-Temperaturen auf als herkömmliche. Beispielsweise können einige BC-Module die Hot-Spot-Temperatur unter etwa 120 °C halten, während andere Modultypen 160 °C oder sogar höher erreichen können.

Einige speziell entwickelte BC-Zellen erreichen so etwas wie eine "eingebaute Bypass-Diode in der Zelle". Das kann die Hot-Spot-Temperatur auf etwa 90 °C senken, während ein Referenzmodul bei etwa 190 °C liegt, was zeigt, dass diese Art von verteiltem Rückwärtsleitungsdesign die Hot-Spot-Temperatur erheblich senken kann.

Ist eine niedrigere Durchbruchspannung in Sperrrichtung immer besser?

Ist eine niedrigere Durchbruchspannung in Sperrrichtung immer besser?

Nicht unbedingt.

Eine niedrige Durchbruchspannung in Sperrrichtung hilft, die Hot-Spot-Temperatur bei Verschattung zu senken, kann aber auch Design-Kompromisse mit sich bringen.

Wenn der Rückwärtsleitungspfad schlecht konstruiert ist, kann dies den Leckstrom erhöhen und den Shunt-Widerstand verringern, was die normale Stromerzeugungsleistung der Zelle beeinträchtigt.

Eine hocheffiziente BC-Zelle muss also in der Regel zwei Ziele in Einklang bringen:

1. Während des normalen Betriebs hohe Effizienz, geringen Leckstrom und hohen Shunt-Widerstand aufrechterhalten;

2. Unter Sperrspannung bei Verschattung eine sichere und gleichmäßige Rückwärtsleitung bei niedrigerer Spannung bilden.

Das ist auch der Grund, warum die Verschattungstoleranz zwischen verschiedenen BC-Zellen variiert.

Einige BC-Zellen neigen zur Effizienz und können eine stärkere Isolierung aufweisen, sodass ihre Durchbruchspannung in Sperrrichtung höher liegt. Andere neigen zur Verschattungstoleranz und können niedrigere, gleichmäßigere Durchbruchspannungspfade in Sperrrichtung konstruieren.

Man kann also nicht einfach sagen, dass "alle BC-Zellen die gleiche Verschattungstoleranz haben". Eine genauere Formulierung wäre:

Eine gut konstruierte BC-Zelle kann ihre interdigitierte Rückseiten-PN-Übergangsstruktur nutzen, um eine niedrigere und gleichmäßigere Durchbruchspannung in Sperrrichtung zu erreichen, was die Verschattungs- und Hot-Spot-Toleranz verbessert.

Vorteile von BC-Zellen zusammengefasst

Vorteile von BC-Zellen zusammengefasst

Zusammengefasst umfassen die Vorteile von BC-Zellen bei Verschattung hauptsächlich:

• Geringerer Modulverlust bei kleinflächiger Verschattung, bevor die externe Bypass-Diode einschaltet;

• Niedrigere lokale Leistungsdichte;

• Niedrigere Hot-Spot-Temperatur;

• Höhere Modulsicherheitsmarge.

Was das für Modulanwendungen bedeutet

Was bedeutet das für Modulanwendungen?

Im realen Einsatz lässt sich Verschattung oft nicht vollständig vermeiden.

Besonders in dezentralen Szenarien, wie zum Beispiel:

• Wohngebäudedächer;

• Gewerbe- und Industriedächer;

• Balkon-Photovoltaik;

• BIPV;

• Mehrausrichtungsmontage;

• Standorte, die von komplexen Gebäuden umgeben sind.

In diesen Anwendungen können Module häufig lokaler Verschattung ausgesetzt sein.

Wenn eine Zelle eine bessere Verschattungstoleranz und eine niedrigere Hot-Spot-Temperatur aufweist, bedeutet das:

• Better module safety: low hot spot temperature reduces encapsulation aging, Rückseitenfolie damage, local glass stress, and electrical risk.

• Bessere Langzeitzuverlässigkeit: Lokale hohe Temperaturen beschleunigen die Materialalterung. Je schwächer der Hot Spot, desto stabiler bleibt das Modul über die Zeit.

• Kontrollierbarerer Leistungsverlust: Wenn lokale Verschattung unvermeidbar ist, kann ein BC-Modul einen Teil des Leistungsverlusts abmildern.

• Freundlicheres Systemdesign.

BC-Module passen sich besser an komplexe Dächer, dezentrale Montageumgebungen und Multi-Verschattungsszenarien an.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

BC-Zellen bieten eine bessere Verschattungstoleranz und niedrigere Hot-Spot-Temperatur, nicht weil sie "nicht von Verschattung betroffen sind", sondern weil sie Vorteile in Struktur und Sperrspannungsverhalten haben.

Bei Verschattung kann bei gewöhnlichen Zellen der Sperrspannungsdurchbruch an lokalen Defektpunkten konzentriert auftreten, was zu hoher lokaler Leistungsdichte und hoher Hot-Spot-Temperatur führt.

Die interdigitierte Rückseiten-PN-Übergangsstruktur einer BC-Zelle wirkt wie eine verteilte eingebaute Sperrspannungsklemme. Bei Verschattung kann sie bei niedrigerer Sperrspannung eine Rückwärtsleitung bilden und den Rückwärtsstrom gleichmäßiger verteilen, was sowohl die Hot-Spot-Leistung als auch die Hot-Spot-Temperatur senkt.

Aber denken Sie daran, BC-Zellen sind nicht vollständig immun gegen Verschattung. Wenn die verschattete Fläche zu groß ist, sind mehrere Zellen vollständig verschattet, und die Substring-Spannung wird ausreichend negativ, sodass die externe Bypass-Diode trotzdem leitend wird. An diesem Punkt sinkt die Ausgangsleistung des überbrückten Substrings spürbar.

Eine genauere Formulierung wäre also:

Der Vorteil einer BC-Zelle besteht nicht darin, den Effekt der Verschattung zu eliminieren, sondern darin, diesen Effekt besser kontrollierbar zu machen. Bei kleinflächiger Verschattung reduziert sie den Leistungsverlust; bei starker Verschattung verringert sie das Risiko von Hotspots.

Das ist der grundlegende Grund, warum BC-Zellen in komplexen Verschattungsumgebungen einen Vorteil haben.

Ooitechs Ansicht

Der interessante Punkt hierbei ist, dass die Verschattungstoleranz nicht nur eine Frage des Zellendesigns ist, sondern auch davon abhängt, wie konsistent dieses interdigitierte Rückseitenmuster über jede Zelle einer Linie hinweg reproduziert wird. Kleine Drifts in der Metallisierung, der Spaltgröße oder der Passivierungsqualität können das soeben beschriebene Durchbruchverhalten im Sperrbereich verschieben, weshalb die Prozesskontrolle auf BC-Modullinien ebenso wichtig ist wie das Zellrezept. Ooitech hat über Jahre hinweg schlüsselfertige Modulproduktionslinien für TOPCon, HPBC-, ABC- und andere BC-Module, daher beobachten wir diese Back-Contact-Prozessfenster genau. Wenn Sie sehen möchten, wie diese Module tatsächlich in der Fabrikhalle gebaut werden, unser YouTube-Kanal unter www.youtube.com/ooitech viele echte Aufnahmen von Produktionslinien, die einen Blick wert sind.