Warum bieten BC-Solarzellen eine bessere Verschattungstoleranz und niedrigere Hot-Spot-Temperatur?

Produkteinführung

Verschattung ist eines der häufigsten Probleme in realen PV-Anlagen.

Baumschatten, Strommasten, Staub, Vogelkot, Schnee, sogar ungleiche Montagewinkel können Teilverschattung verursachen. Verschattung reduziert nicht nur die Leistung eines Moduls, sondern kann auch ein ernsteres Problem auslösen: Hot Spots.

In letzter Zeit haben BC-Solarzellen viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen, insbesondere bei verteilten Dachanlagen, Balkon-PV und Premium-Modulen. Ein großer Grund: BC-Zellen handhaben Verschattung in der Regel besser und laufen bei Verschattung mit niedrigeren Hotspot-Temperaturen.

Auf der SNEC sieht man oft, wie Anbieter einen Teil einer Zelle verschatten und dann die Verschattungstoleranz ihrer BC-Produkte demonstrieren, indem sie beobachten, wie hoch eine Wasserpumpe sprüht.

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

Lassen Sie es uns in einfacher Sprache erklären.

Warum verursacht Verschattung Hot Spots?

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

Reihenschaltungen haben eine entscheidende Eigenschaft: Der Strom muss überall gleich sein.

Das bedeutet, der Strom durch den gesamten Strang wird gemeinsam durch die Reihenschleife bestimmt. Wenn jede Zelle volles Licht erhält, erzeugt jede Strom und sie verhalten sich alle recht konsistent.

Wenn jedoch eine Zelle verschattet wird, sinkt der photogenerierte Strom, den sie liefern kann. Wenn der Strang immer noch einen größeren Strom durchdrücken muss, kann diese verschattete Zelle durch die anderen nicht verschatteten Zellen in Sperrrichtung vorgespannt werden. An diesem Punkt hört sie auf, ein Generator zu sein, und wird zu einem stromverbrauchenden Element.

Bei Teilverschattung ist die verschattete Zelle nicht vollständig tot. Der nicht verschattete Teil erzeugt immer noch einen gewissen Photostrom. Was also tatsächlich durch den Rückwärtsdurchbruchspfad, den Leckpfad oder den Bypass-Pfad fließen muss, ist nicht der volle Stringstrom, sondern die Differenz zwischen dem Stringstrom und dem Strom, den diese Zelle noch erzeugen kann.

Wir können diese Differenz als Mismatch-Strom bezeichnen:

Imismatch = Istring - Igenerate

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

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

was bedeutet:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)

Diese Formel weist auf ein Kernproblem hin: Bei gleichem Stringstrom gilt: Je höher die Sperrspannung, desto mehr Leistung verbraucht die verschattete Zelle und desto heißer wird der Hot Spot.

Ein Schlüssel zur Bekämpfung von Hot Spots ist daher:

Wie kann die Sperrspannung an der verschatteten Zelle gesenkt und die Wärme gleichmäßiger verteilt werden?

Genau hier glänzen BC-Zellen.

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

Gewöhnliche kristalline Siliziumzellen haben normalerweise eine Vorder- und Rückseitenkontaktstruktur.

Einfach ausgedrückt:

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

• Der im Inneren der Zelle erzeugte Strom wird von den vorderen und hinteren Elektroden gesammelt.

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

Sowohl die positive als auch die negative Elektrode befinden sich auf der Rückseite der Zelle, und die Vorderseite hat keine metallischen Gitterlinien.

Das bringt zwei direkte Vorteile:

1. Keine Gitterlinienverschattung auf der Vorderseite, also eine größere Lichteintrittsfläche;

2. Die Rückelektroden können interdigital ausgeführt 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 hat viele ineinandergreifende 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 große Diode, sondern eher wie viele kleine Dioden parallel. Unter Sperrspannung können diese verteilten PN-Übergänge einen gleichmäßigeren Rückwärtsleitungspfad bilden.

Gleichzeitig können diese rückseitigen PN-Übergänge aufgrund ihrer Kurze und lokalen starken Dotierung bei einer relativ niedrigen Sperrspannung in den Rückwärtsdurchbruch gehen.

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

Zum Beispiel: Je kleiner der Abstand zwischen den p- und n-Bereichen, desto stärker das lokale Feld, und in der Regel ist es einfacher, eine niedrigere Durchbruchspannung in Sperrrichtung zu erreichen. Das kann jedoch zu Kompromissen bei Leckstrom und Parallelwiderstand führen. Die Verschattungstoleranz einer BC-Zelle ist also keine feste Zahl, sondern eng mit der Zellstruktur, dem Rückseitenmusterdesign, der Spaltgröße, der Dotierungskonzentration, der Passivierungsqualität und dem Herstellungsprozess verbunden.

Warum verlieren BC-Module nach Verschattung weniger Leistung?

Wenn ein Modul teilweise verschattet wird, wird die verschattete Zelle durch den Stringstrom in Sperrrichtung vorgespannt. Mit zunehmender Verschattung sinkt die Gesamtspannung dieses Abschnitts des Strings weiter.

Bei herkömmlichen Modulen ist eine Bypass-Diode normalerweise 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 Stringabschnitts negativ genug wird, wird die Bypass-Diode in Durchlassrichtung vorgespannt und schaltet von selbst ein.

Die Einschaltbedingung kann wie folgt geschrieben werden:

Vsubstring ≤ -Vf

Vsubstring ist die Gesamtspannung des durch die Bypass-Diode geschützten Stringabschnitts;

Vf ist die Durchlassspannung der Bypass-Diode.

Für einen Stringabschnitt kann seine Gesamtspannung wie folgt verstanden werden:

Vsubstring = ∑Vunverschattet + ∑Vverschattet

wobei:

• nicht verschattete Zellen erzeugen weiterhin eine positive Spannung;

• verschattete Zellen werden 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 Summe der Sperrspannungen der verschatteten Zellen muss die Summe der Durchlassspannungen der verbleibenden nicht verschatteten Zellen plus die Einschaltspannung der Bypass-Diode überschreiten, bevor die Bypass-Diode aktiviert wird.

Der Vorteil eines BC-Moduls besteht darin, dass bereits bevor die externe Bypass-Diode einschaltet, die eigene rückseitige interdigitierte PN-Übergangsstruktur der BC-Zelle eine gewisse verteilte Rückwärtsleitung bereitstellt. Dies verhält sich ein wenig wie eine in die Zelle eingebaute Zener-Diode.

Unter Sperrspannung kann die interdigitierte PN-Übergangsstruktur auf der Rückseite einer BC-Zelle bei einer niedrigeren Spannung eine verteilte Rückwärtsleitung bilden, die begrenzt, wie hoch die Sperrspannung ansteigen kann. Daher kann ein BC-Modul bei teilweiser Verschattung, wenn die externe Bypass-Diode noch nicht ausgelöst hat, immer noch eine relativ hohe Ausgangsleistung halten.

Abbildung 2 Die Modul-IV-Kurve bei Verschattung einer 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 Verschattungstoleranz bedeutet nicht Immunität gegen Verschattung

Ein häufiges Missverständnis muss geklärt werden.

BC-Zellen tolerieren Verschattung besser, aber das bedeutet nicht, dass Verschattung keine Auswirkungen auf sie hat.

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

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

Sobald die Bypass-Diode einschaltet, fließt der Strom um diesen gesamten String-Abschnitt herum. Die unbeschatteten Zellen in diesem Substring werden zusammen mit den beschatteten umgangen, und ihr Beitrag zur Ausgangsleistung sinkt merklich. Wenn die beschattete Fläche groß ist, schwächt sich auch der Erzeugungsvorteil eines BC-Moduls ab.

BC-Module haben tendenziell die Oberhand, wenn:

• eine einzelne Zelle oder wenige Zellen teilweise beschattet sind;

• die beschattete Fläche innerhalb jedes Substrings klein ist;

• die Beschattung diagonal, streifenförmig oder lokal verstreut ist;

• die externe Bypass-Diode noch nicht vollständig eingeschaltet ist.

Zum Beispiel kann ein diagonaler Schatten von einem Strommast dazu führen, dass jeder Substring nur eine kleine beschattete Fläche aufweist. In diesem Fall zeigt ein BC-Modul normalerweise eine bessere beschattungstolerante Erzeugung.

Warum laufen BC-Module an Hotspots kühler?

BC-Module haben niedrigere Hotspot-Temperaturen hauptsächlich aus zwei Gründen.

Erstens ist der Rückstrom stärker verteilt

Bei gewöhnlichen Zellen ist die Rückstromverteilung oft ungleichmäßig. Der Sperrdurchbruch tritt tendenziell zuerst an lokalen Schwachstellen auf, wie:

• lokalen Defektstellen;

• Zellkanten;

• anomalen Metallisierungsbereichen;

• Mikrorissen oder kontaminierten Bereichen;

• Bereichen mit schwacher 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 Hotspot.

Es ist wie das Erhitzen zweier Objekte mit der gleichen Wärmemenge:

• eine ganze Metallplatte;

• einen nadelspitzgroßen Punkt.

Letzteres erhitzt sich schneller, keine Frage.

Das Risiko einer gewöhnlichen Zelle unter Beschattung ist also nicht "gleichmäßige Erwärmung der gesamten Zelle", sondern intensive lokale Punkterwärmung..

Eine BC-Zelle hat auf der Rückseite viele ineinandergreifende PN-Übergänge. Die Rückwärtsleitung kann sich leichter über viele Bereiche ausbreiten, anstatt sich an einigen wenigen Defektpunkten zu stauen.

Daher ist die Rückstromverteilung einer BC-Zelle gleichmäßiger, die lokale Leistungsdichte geringer und die Hot-Spot-Temperatur ebenfalls niedriger.

Zweitens ist die Durchbruchspannung in Sperrrichtung niedriger

Das sieht man an der Hot-Spot-Leistungsformel:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

Bei gleichem Mismatch-Strom gilt: Je niedriger die Rückwärtsspannung, desto geringer die Heizleistung.

Deshalb kann eine niedrige Durchbruchspannung in Rückwärtsrichtung tatsächlich als Schutzmechanismus bei Verschattung wirken.

Hier ist ein einfaches Beispiel.

Angenommen, der Modul-String-Strom beträgt 10 A und eine Zelle ist stark verschattet.

Wenn eine gewöhnliche Zelle nach Verschattung eine Rückwärtsspannung von 15 V erreicht, beträgt die Verlustleistung etwa:

P = 15 V × 10 A = 150 W

Wenn eine BC-Zelle aufgrund ihrer Rückseitenstruktur klemmt und die Rückwärtsspannung auf etwa 6 V begrenzt ist, beträgt die Verlustleistung etwa:

P = 6 V × 10 A = 60 W

Der Unterschied ist eklatant.

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

Dennoch laufen BC-Module in einigen realen Tests und Felderfahrungen an Hot-Spots normalerweise kühler 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“-Effekt, wobei die Hot-Spot-Temperatur auf etwa 90 °C sinkt, während ein Referenzmodul bei nahe 190 °C liegt, was zeigt, dass dieses verteilte Rückwärtsleitungsdesign die Hot-Spot-Temperatur erheblich senken kann.

Ist eine niedrigere Sperrdurchbruchspannung immer besser?

Nicht unbedingt.

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

Wenn der Rückwärtsleitungspfad schlecht ausgelegt 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 normalen Betriebs hohe Effizienz, geringen Leckstrom und hohen Shunt-Widerstand beibehalten;

2. unter Rückwärtsspannung durch Verschattung eine sichere, gleichmäßige Rückwärtsleitung bei niedriger Spannung bilden.

Auch deshalb unterscheiden sich verschiedene BC-Zellen in ihrer Verschattungsleistung.

Einige BC-Zellen neigen zur Effizienz, isolieren daher stärker und haben eine höhere Durchbruchspannung in Rückwärtsrichtung. Andere neigen zur Verschattungstoleranz und entwerfen daher niedrigere, gleichmäßigere Rückwärtsdurchbruchspfade.

Man kann also nicht einfach sagen: „Alle BC-Zellen tolerieren Verschattung gleich.“ Eine genauere Aussage ist:

Eine gut gestaltete BC-Zelle kann durch ihre rückseitige, ineinandergreifende PN-Übergangsstruktur einen niedrigeren, gleichmäßigeren Durchbruch in Sperrrichtung erreichen, was die Verschattungs- und Hot-Spot-Toleranz verbessert.

Zusammenfassung der Vorteile von BC-Zellen

Zusammengefasst umfassen die Vorteile einer BC-Zelle bei Verschattung hauptsächlich:

• geringere Modulleistungsverluste bei kleinflächiger Verschattung, bevor die externe Bypass-Diode einschaltet;

• niedrigere lokale Leistungsdichte;

• niedrigere Hot-Spot-Temperatur;

• höhere Modulsicherheitsmarge.

Was bedeutet dies für Modulanwendungen?

In der Praxis lässt sich Verschattung oft nicht vollständig vermeiden.

Besonders in dezentralen Szenarien, wie:

• Wohnhausdächer;

• gewerbliche und industrielle Dächer;

• Balkon-PV;

• BIPV;

• Mehrausrichtungsmontage;

• Standorte mit komplexer Umgebungsbebauung.

In diesen Anwendungen können Module häufig teilweise verschattet werden.

Wenn eine Zelle Verschattung besser verträgt und an Hot Spots kühler läuft, bedeutet das:

• Bessere Modulsicherheit: niedrigere Hot-Spot-Temperatur reduziert Verkapselungsalterung, Rückseitenfolienschäden, lokale Glasspannungen und elektrische Risiken.

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

• Kontrollierbarere Erzeugungsverluste: Wenn Teilverschattung unvermeidbar ist, kann ein BC-Modul einen Teil der Leistungsverluste abmildern.

• Freundlicheres Systemdesign

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

Zusammenfassung

BC-Zellen vertragen Verschattung besser und laufen an Hot Spots kühler, hauptsächlich nicht, weil sie „von Verschattung unbeeinflusst“ sind, sondern weil sie Vorteile in der Struktur und im Sperrverhalten haben.

Bei einer gewöhnlichen Zelle unter Verschattung kann der Durchbruch in Sperrrichtung auf lokale Defektpunkte konzentriert sein, was zu hoher lokaler Leistungsdichte und hoher Hot-Spot-Temperatur führt.

Die rückseitige, ineinandergreifende PN-Übergangsstruktur einer BC-Zelle wirkt wie eine verteilte, eingebaute Sperrspannungsbegrenzung. Unter Verschattung kann sie bei einer niedrigeren Sperrspannung einen Rückwärtsleitungsvorgang bilden und den Rückstrom gleichmäßiger verteilen, was die Hot-Spot-Leistung und -Temperatur senkt.

Aber bedenken Sie: BC-Zellen sind nicht vollständig verschattungssicher. Wenn die verschattete Fläche zu groß ist, mehrere Zellen vollständig verschattet sind und die Substring-Spannung negativ genug wird, schaltet die externe Bypass-Diode dennoch ein. Dann sinkt die Ausgangsleistung des überbrückten Substrings merklich.

Also genauer gesagt:

Der Vorteil einer BC-Zelle liegt nicht darin, Abschattungseffekte zu beseitigen, sondern sie besser kontrollierbar zu machen. Bei kleinflächiger Abschattung kann sie den Leistungsverlust reduzieren; bei starker Abschattung kann sie das Risiko von Hotspots verringern.

Das ist der grundlegende Grund, warum BC-Zellen in komplexen Abschattungsumgebungen besser abschneiden.

Ooitechs Ansicht

Was uns hier wirklich auffällt, ist, dass der Abschattungsvorteil von BC im Back-Contact-Metallisierungsschritt liegt, nicht in einem magischen Material, was bedeutet, dass die Modullinie enge Toleranzen beim interdigitierten Muster einhalten muss, um diese niedrige, gleichmäßige Durchbruchspannung tatsächlich zu erreichen. In einer Produktionslinie haben wir dieselbe Physik in EL- und Hotspot-Tests gesehen, wo ungleichmäßige Rückseitenmusterung als verstreute Durchbruchspunkte sichtbar wird, lange bevor das Modul jemals einen Schatten sieht. Wenn Ihnen diese Art der Analyse gefällt, was zwischen der Zelle und einem fertigen Modul passiert, finden Sie auf unserem YouTube-Kanal unter www.youtube.com/ooitech mehr aus dem Inneren realer Solarfabriken.