Einführung

Verschattung ist ein sehr häufiges Problem in realen PV-Anlagen.

Baumschatten, Strommasten, Staub, Vogelkot, Schnee, sogar leicht unterschiedliche Modulmontagewinkel 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 in verteilten Dachanlagen, Balkon-PV und Premium-Modulen auf sich gezogen. Ein Hauptgrund ist: BC-Solarzellen bieten in der Regel eine bessere Verschattungstoleranz, und ihre Hot-Spot-Temperaturen bleiben bei Verschattung niedriger.

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

Warum haben BC-Zellen diesen Vorteil? Welche Physik steckt dahinter?

Lassen Sie es uns in relativ einfachen Worten erklären.

Warum verursacht Verschattung Hot Spots?

Warum verursacht Verschattung Hot Spots?

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

Eine Reihenschaltung hat eine entscheidende Eigenschaft: Der Strom muss überall gleich sein.

Das bedeutet, dass der Strom durch den gesamten String durch die Schleife als Ganzes bestimmt wird. Wenn jede Zelle volles Licht erhält, erzeugt jede Strom und alle befinden sich in einem relativ konsistenten Zustand.

Wenn eine Zelle jedoch beschattet wird, sinkt der photogenerierte Strom, den sie erzeugen kann. Wenn der gesamte String weiterhin einen großen Strom führen muss, kann diese beschattete Zelle durch die anderen unbeschatteten Zellen in Sperrrichtung gedrückt werden. An diesem Punkt hört sie auf, eine Stromquelle zu sein, und wird zu einem Stromverbraucher.

Bei Teilverschattung hört die beschattete Zelle nicht vollständig auf zu erzeugen. Ihr unbeschatteter Bereich produziert weiterhin etwas Photostrom. Was also tatsächlich durch den Durchbruchpfad, Leckpfad oder Bypasspfad fließen muss, ist nicht der volle Stringstrom, sondern die Differenz zwischen dem Stringstrom und dem Strom, den diese Zelle noch erzeugen kann.

Diese Differenz kann als Mismatch-Strom bezeichnet werden:

Imismatch = Istring - Igenerate

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

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

was bedeutet:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)

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

Einer der Schlüssel zur Widerstandsfähigkeit gegen Hot Spots ist daher:

Wie man die Sperrspannung an der beschatteten 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 Rückseitenkontaktstruktur.

Einfach ausgedrückt:

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

• Im Inneren der Zelle wird Strom erzeugt und dann über die vorderen und hinteren Elektroden gesammelt.

Eine BC-Zelle (Back Contact) hat ein herausragendes Merkmal:

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

Das bringt zwei direkte Vorteile:

1. Keine Gitterlinienverschattung auf der Vorderseite, also mehr Lichteinfallsfläche;

2. Die Rückelektroden können in einem kammartigen Muster (interdigitated) 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- und n-Bereiche. Zwischen diesen Bereichen befinden sich viele kurze, stark dotierte PN-Übergänge. Aus schaltungstechnischer 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 Rückwärtsleitungspfad bilden.

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

Dies hängt natürlich von den spezifischen Designparametern der BC-Zelle ab.

Zum Beispiel: Je kleiner der Abstand zwischen p- und n-Bereich, desto stärker das lokale Feld, und in der Regel ist es einfacher, eine niedrigere Durchbruchspannung zu erreichen. Dies kann jedoch auch Nachteile bei Leckstrom und Shunt-Widerstand mit sich bringen. Die Schattentoleranz einer BC-Zelle ist also kein fester Wert. Sie hängt eng mit der spezifischen Zellstruktur, dem Rückseitenmuster, dem Abstand, 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 Sperrspannung. 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. Es ist ein passives Bauteil. 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:

Vsubstring ≤ -Vf

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

Vf ist die Durchlassspannung der Bypass-Diode.

Für einen Teilstring kann seine Gesamtspannung wie folgt verstanden werden:

Vsubstring = ∑Vunverschattet + ∑Vverschattet

wobei:

• Unverschattete Zellen erzeugen weiterhin eine Durchlassspannung;

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

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

∣∑Vbeschattet∣ ≥ ∑Vunbeschattet + Vf

Mit anderen Worten:

Die gesamte Sperrspannung der beschatteten Zellen muss die gesamte Durchlassspannung der verbleibenden unbeschatteten Zellen zuzüglich des Durchlassspannungsabfalls 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 Rückseiten-PN-Übergangsstruktur der BC-Zelle selbst eine gewisse verteilte Rückwärtsleitfähigkeit bietet. Dies verhält sich ein wenig wie eine eingebaute Zener-Diode in der Zelle.

Bei Sperrspannung können die interdigitierten Rückseiten-PN-Übergänge einer BC-Zelle eine verteilte Rückwärtsleitung bei einer niedrigeren Spannung 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, dennoch eine relativ hohe Ausgangsleistung halten.

Abbildung 2 IV-Kurve des Moduls mit einer beschatteten 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 unter: 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 ausgeräumt werden.

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

Jede PV-Zelle erzeugt weniger Leistung, sobald sie beschattet wird.

Wenn die beschattete Fläche innerhalb eines Substrings zu groß wird oder mehrere Zellen vollständig beschattet sind, kann die gesamte Sperrspannung der beschatteten Zellen schließlich die gesamte Durchlassspannung der verbleibenden unbeschatteten Zellen überschreiten. An diesem Punkt schaltet die externe Bypass-Diode ein.

Sobald die Bypass-Diode einschaltet, fließt der Strom um den gesamten Substring herum. Die unbeschatteten Zellen in diesem Substring werden ebenfalls umgangen, und ihr Beitrag zur Ausgangsleistung sinkt stark. Wenn also die beschattete Fläche groß ist, verringert sich auch der Generationsvorteil eines BC-Moduls.

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

• Eine Zelle oder wenige Zellen werden teilweise beschattet;

• Der schattierte Bereich in jedem Teilstring bleibt klein;

• Die Schattierung ist diagonal, streifenförmig oder lokal verstreut;

• Die externe Bypass-Diode hat nicht vollständig durchgeschaltet.

Zum Beispiel könnte ein diagonaler Schatten von einem Strommast dazu führen, dass jeder Teilstring nur einen kleinen schattierten Bereich aufweist. In diesem Fall zeigt ein BC-Modul tendenziell eine bessere schattierungstolerante Stromerzeugung.

Warum BC-Module kühlere Hotspots haben

Warum haben BC-Module niedrigere Hotspot-Temperaturen?

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

Erstens ist der Rückstrom breiter verteilt

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

• Lokale Defektstellen;

• Zellkanten;

• Metallisierungsanomalien;

• Mikrorisse oder kontaminierte Bereiche;

• Regionen mit schwächerer lokaler Passivierung.

Diese Stellen wirken wie Schwachpunkte.

Sobald sich der Rückstrom an diesen Schwachstellen konzentriert, wird die lokale Leistungsdichte sehr hoch, die Temperatur steigt schnell und es bildet sich ein deutlicher Hotspot.

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

• Eine ganze Metallplatte;

• Einen nadelstichgroßen Punkt.

Letzteres heizt sich definitiv schneller auf.

Das Risiko für eine gewöhnliche Zelle unter Schattierung ist also nicht "gleichmäßige Erwärmung der gesamten Zelle", sondern starke lokale Punkterwärmung.

Eine BC-Zelle hat viele ineinandergreifende PN-Übergänge auf ihrer Rückseite. Der Rückstrom kann sich leichter über mehrere Regionen verteilen, anstatt sich auf einige wenige Defektpunkte zu konzentrieren.

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

Zweitens ist die Durchbruchspannung in Sperrrichtung niedriger

Aus der Hotspot-Leistungsformel:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

Bei gleichem Fehlanpassungsstrom bedeutet eine niedrigere Sperrspannung eine geringere Verlustleistung.

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

Hier ist ein einfaches Beispiel.

Angenommen, der Strom beträgt 10 A und eine Zelle wird stark verschattet.

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

P = 15 V × 10 A = 150 W

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

P = 6 V × 10 A = 60 W

Der Unterschied ist sehr deutlich.

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

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

Einige speziell entwickelte BC-Zellen erreichen so etwas wie einen "eingebauten Bypass-Dioden im Inneren 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 immer besser?

Ist eine niedrigere Sperrdurchbruchspannung immer besser?

Nicht unbedingt.

Eine niedrige Sperrdurchbruchspannung hilft, die Hot-Spot-Temperatur während der 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.

Daher muss eine hocheffiziente BC-Zelle in der Regel zwei Ziele ausbalancieren:

1. Während des Normalbetriebs: hohe Effizienz, geringer Leckstrom und hoher Shunt-Widerstand;

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

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

Einige BC-Zellen neigen zur Effizienz und können eine stärkere Isolierung aufbauen, sodass ihre Sperrdurchbruchspannung höher ist. Andere neigen zur Verschattungstoleranz und können niedrigere, gleichmäßigere Sperrdurchbruchspfade konstruieren.

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

Eine gut gestaltete BC-Zelle kann durch ihre interdigitierte Rückseiten-PN-Übergangsstruktur eine niedrigere und gleichmäßigere Durchbruchspannung in Sperrrichtung 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 dies für Modulanwendungen bedeutet

Was bedeutet dies für Modulanwendungen?

Im realen Einsatz lässt sich Verschattung oft nicht vollständig vermeiden.

Besonders in dezentralen Szenarien, wie:

• Wohnhausdächer;

• Gewerbe- und Industriedächer;

• Balkon-PV;

• BIPV;

• Mehrausrichtungsmontage;

• Standorte umgeben von komplexen Gebäuden.

In diesen Anwendungen können Module häufig lokaler Verschattung ausgesetzt sein.

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

• Bessere Modulsicherheit: Niedrige Hot-Spot-Temperatur reduziert die Alterung der Verkapselung, Schäden an der Rückseitenfolie, lokale Glasbelastung und elektrische Risiken.

• Bessere Langzeitzuverlässigkeit: Lokale hohe Temperatur beschleunigt 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 Mehrfachverschattungsszenarien 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 der Struktur und im Sperrspannungsverhalten haben.

Bei Verschattung kann der Sperrspannungsdurchbruch bei gewöhnlichen Zellen 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 Reverse-Klemme. Bei Verschattung kann sie bei einer niedrigeren Sperrspannung einen Rückwärtsstrom leiten und den Rückstrom gleichmäßiger verteilen, was sowohl die Hot-Spot-Leistung als auch die Hot-Spot-Temperatur senkt.

Aber bedenken Sie, dass BC-Zellen nicht vollständig immun gegen Verschattung sind. Wenn der verschattete Bereich zu groß ist, mehrere Zellen vollständig verschattet sind und die Substring-Spannung ausreichend negativ wird, schaltet die externe Bypass-Diode trotzdem ein. An diesem Punkt sinkt die Ausgangsleistung des überbrückten Substrings merklich.

Eine genauere Formulierung wäre:

Der Vorteil einer BC-Zelle besteht nicht darin, den Effekt der Verschattung zu beseitigen, sondern diesen Effekt kontrollierbarer zu machen. Bei kleinräumiger Verschattung reduziert sie den Leistungsverlust; bei starker Verschattung senkt sie das Hot-Spot-Risiko.

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

Ooitech's Sicht

Das Interessante hier ist, dass die Verschattungstoleranz nicht nur eine Frage des Zelldesigns ist, sondern auch davon abhängt, wie konsistent dieses interdigitierte Rückseitenmuster über jede Zelle in einer Linie reproduziert wird. Kleine Abweichungen in der Metallisierung, der Spaltgröße oder der Passivierungsqualität können das gerade beschriebene Durchbruchverhalten in Sperrrichtung verschieben, weshalb die Prozesskontrolle auf BC-Modullinien genauso wichtig ist wie das Zellrezept. Ooitech hat Jahre damit verbracht, schlüsselfertige Modulproduktionslinien für TOPCon, HPBC, ABC und andere BC-Typ-Module zu bauen, daher beobachten wir diese Rückkontakt-Prozessfenster genau. Wenn Sie sehen möchten, wie diese Module tatsächlich in der Fabrik gebaut werden, unser YouTube-Kanal unter www.youtube.com/ooitech enthält viele echte Produktionslinienaufnahmen, die einen Blick wert sind.