Introducción

El sombreado es un problema muy común en las instalaciones fotovoltaicas reales.

Sombras de árboles, postes de servicios públicos, polvo, excrementos de aves, nieve, incluso ángulos de montaje de módulos ligeramente inconsistentes pueden causar sombreado parcial. El sombreado no solo reduce la salida del módulo, sino que también puede desencadenar un problema más grave: puntos calientes.

En los últimos años, las células solares BC han atraído cada vez más atención en techos distribuidos, fotovoltaica de balcones y módulos premium. Una razón clave es esta: Las células solares BC generalmente ofrecen mejor tolerancia al sombreado, y sus temperaturas de punto caliente se mantienen más bajas bajo sombreado.

En SNEC, a menudo ves a los fabricantes sombrear parte de una cadena de células y luego usar la altura del agua de una bomba para mostrar la tolerancia al sombreado de sus productos BC.

Entonces, ¿por qué las células BC tienen esta ventaja? ¿Cuál es la física detrás de esto?

Intentemos explicarlo en términos bastante simples.

Por qué el sombreado causa puntos calientes

¿Por qué el sombreado causa puntos calientes?

Las células dentro de un módulo fotovoltaico generalmente están conectadas en serie.

Un circuito en serie tiene una característica definitoria: la corriente debe ser la misma en todas partes.

Eso significa que la corriente a través de toda la cadena está determinada por el bucle en su conjunto. Cuando cada célula recibe luz completa, cada una genera energía y todas se encuentran en un estado bastante consistente.

Pero si una célula se sombrea, la corriente fotogenerada que puede producir disminuye. Si toda la cadena aún necesita transportar una corriente grande, esa célula sombreada puede ser empujada a polarización inversa por las otras células no sombreadas. En ese punto, deja de ser una fuente de energía y se convierte en un consumidor de energía.

Para sombreado parcial, la célula sombreada no deja de generar completamente. Su área no sombreada aún produce algo de fotocorriente. Entonces, lo que realmente tiene que fluir a través de la ruta de ruptura inversa, ruta de fuga o ruta de derivación no es la corriente total de la cadena, sino la diferencia entre la corriente de la cadena y la corriente que esa célula aún puede producir.

Esta diferencia se puede llamar corriente de desajuste:

Imismatch = Icadena - Igenera

Por lo tanto, la disipación de potencia del punto caliente se puede escribir aproximadamente como:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

que es:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Icadena - Igenera)

Esta fórmula apunta a algo clave: a la misma corriente de cadena, cuanto mayor es el voltaje inverso, más potencia disipa la célula sombreada y más caliente se vuelve el punto caliente.

Por lo tanto, una de las claves para resistir puntos calientes es:

cómo reducir el voltaje inverso en la célula sombreada y hacer que el calentamiento sea más uniforme.

Aquí es exactamente donde las células BC brillan.

Cómo se diferencian las células BC en estructura

¿En qué se diferencia estructuralmente una célula BC de una célula normal?

Las células de silicio cristalino ordinarias suelen usar una estructura de contacto frontal y posterior.

En pocas palabras:

• La parte frontal tiene líneas de rejilla finas y barras colectoras, y la luz entra por el frente;

• La corriente se genera dentro de la célula y luego se recolecta a través de electrodos frontales y posteriores.

Una célula BC, que significa Contacto Posterior, tiene una característica destacada:

tanto los electrodos positivos como los negativos están en la parte posterior de la célula, sin líneas de rejilla metálicas en el frente.

Eso proporciona dos beneficios directos:

1. Sin sombreado de líneas de rejilla en el frente, por lo que hay más área de recepción de luz;

2. Los electrodos posteriores se pueden construir en un patrón entrelazado, por lo que la recolección de corriente es más uniforme.

Figura 1 Esquema de la estructura de la célula BC.

Fuente: 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

La parte posterior de una célula BC contiene muchas regiones p y n entrelazadas. Entre estas regiones hay muchas uniones PN cortas y fuertemente dopadas. Desde una perspectiva de circuito, ya no se comporta como un único diodo grande, sino más bien como muchos diodos pequeños en paralelo. Bajo polarización inversa, estas uniones PN distribuidas pueden formar una ruta de conducción inversa más uniforme.

Debido a que estas uniones PN traseras son cortas y localmente fuertemente dopadas, pueden entrar en ruptura inversa a un voltaje inverso relativamente bajo.

Por supuesto, esto depende de los parámetros de diseño específicos de la célula BC.

Por ejemplo, cuanto menor sea la separación entre la región p y la región n, más fuerte será el campo local y, por lo general, más fácil será formar un voltaje de ruptura inversa más bajo. Pero eso también puede conllevar compromisos en la corriente de fuga y la resistencia de derivación. Por lo tanto, la tolerancia al sombreado de una célula BC no es un valor fijo. Está estrechamente relacionada con la estructura específica de la célula, el diseño del patrón posterior, el tamaño de la separación, la concentración de dopaje, la calidad de la pasivación y el proceso de fabricación.

Por qué las células BC pierden menos potencia bajo sombreado

¿Por qué las células BC pierden menos potencia después del sombreado?

Cuando un módulo se sombrea parcialmente, la corriente de la cadena empuja la célula sombreada a polarización inversa. A medida que el sombreado empeora, el voltaje total en esa subcadena sigue disminuyendo.

En los módulos tradicionales, generalmente se coloca un diodo de derivación en paralelo a través de una sección de la cadena. El diodo de derivación no se activa activamente mediante un controlador. Es un dispositivo pasivo. Si conduce o no depende solo del voltaje a través de él. Cuando el voltaje total de esa subcadena se vuelve suficientemente negativo, el diodo de derivación se polariza directamente y se enciende automáticamente.

La condición de encendido se puede escribir como:

Vsubcadena ≤ -Vf

Vsubcadena es el voltaje total de la subcadena protegida por el diodo de derivación;

Vf es la caída de voltaje directo del diodo de derivación.

Para una subcadena, su voltaje total se puede entender como:

Vsubcadena = ∑Vno sombreadas + ∑Vsombreadas

donde:

• Las células no sombreadas aún producen un voltaje directo;

• Las celdas sombreadas están polarizadas inversamente y producen un voltaje negativo.

La condición de activación del diodo de derivación se puede leer como:

∣∑Vsombreadas∣ ≥ ∑Vno sombreadas + Vf

En otras palabras:

el voltaje inverso total de las celdas sombreadas debe exceder el voltaje directo total de las celdas no sombreadas restantes, más la caída directa del diodo de derivación, antes de que el diodo de derivación se active.

La ventaja de los módulos BC es que, antes de que el diodo de derivación externo se active, la estructura de unión PN posterior interdigitada de la propia celda BC ya proporciona cierta capacidad de conducción inversa distribuida. Esto se comporta un poco como un diodo Zener incorporado dentro de la celda.

Bajo polarización inversa, las uniones PN posteriores interdigitadas de una celda BC pueden formar una conducción inversa distribuida a un voltaje más bajo, limitando un mayor aumento del voltaje inverso. Por lo tanto, bajo sombreado parcial, cuando el diodo de derivación externo aún no se ha activado, un módulo BC aún puede mantener una potencia de salida relativamente alta.

Figura 2 Curva IV del módulo con una celda sombreada.

Fuente: E. Özkalay, F. Valoti, M. Caccivio, A. Virtuani, G. Friesen, y 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. Disponible en: https://doi.org/10.1051/epjpv/2024001

Mejor Tolerancia No Significa Inmunidad al Sombreado

Una mejor tolerancia al sombreado no significa que las celdas BC sean inmunes al sombreado

Es necesario aclarar un concepto erróneo común.

Una mejor tolerancia al sombreado no significa que una celda BC no se vea afectada por el sombreado.

Cualquier celda fotovoltaica produce menos energía una vez que está sombreada.

Si el área sombreada dentro de una subcadena se vuelve demasiado grande, o varias celdas están completamente sombreadas, entonces el voltaje inverso total de las celdas sombreadas aún puede eventualmente exceder el voltaje directo total de las celdas no sombreadas restantes. En ese punto, el diodo de derivación externo se activa.

Una vez que el diodo de derivación se activa, la corriente se desvía alrededor de toda esa subcadena. Las celdas no sombreadas en esa subcadena también se omiten, y su contribución a la salida disminuye drásticamente. Por lo tanto, cuando el área sombreada es grande, la ventaja de generación de un módulo BC también se debilita.

Los escenarios donde los módulos BC realmente brillan son generalmente:

• Una celda o unas pocas celdas reciben sombreado parcial;

• El área sombreada en cada subcadena se mantiene pequeña;

• El sombreado es diagonal, en forma de tira o disperso localmente;

• El diodo de derivación externo no se ha encendido completamente.

Por ejemplo, una sombra diagonal de un poste de servicios públicos podría dejar solo una pequeña área sombreada en cada subcadena. En ese caso, un módulo BC tiende a mostrar su mejor generación tolerante al sombreado.

Por qué los módulos BC tienen puntos calientes más fríos

¿Por qué los módulos BC tienen temperaturas de punto caliente más bajas?

Hay principalmente dos razones por las que los módulos BC tienen puntos calientes más fríos.

First, the reverse current is more spread out

Para las células ordinarias, la distribución de la corriente inversa suele ser desigual. La ruptura inversa puede ocurrir primero en algunos puntos débiles locales, como:

• Sitios de defectos locales;

• Bordes de la célula;

• Anomalías de metalización;

• Microgrietas o áreas contaminadas;

• Regiones con pasivación local más débil.

Estos puntos actúan como puntos débiles.

Una vez que la corriente inversa se concentra en estos puntos débiles, la densidad de potencia local se vuelve muy alta, la temperatura sube rápidamente y se forma un punto caliente claro.

Es como usar la misma cantidad de calor en dos objetos:

• Una placa de metal entera;

• Un punto del tamaño de un alfiler.

El segundo se calienta más rápido, seguro.

Por lo tanto, el riesgo para una célula ordinaria bajo sombreado no es "calentamiento uniforme en toda la célula", sino un fuerte calentamiento puntual local.

Una célula BC tiene muchas uniones PN interdigitadas en su parte posterior. La conducción inversa puede extenderse más fácilmente a través de múltiples regiones en lugar de concentrarse en unos pocos puntos de defecto.

Por lo tanto, la corriente inversa en una célula BC se distribuye de manera más uniforme, la densidad de potencia local se mantiene más baja y la temperatura del punto caliente también se mantiene más baja.

Segundo, el voltaje de ruptura inversa es más bajo

De la fórmula de potencia del punto caliente:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

con la misma corriente de desajuste, un voltaje inverso más bajo significa menos disipación de potencia.

Por eso un voltaje de ruptura inversa bajo puede actuar como un mecanismo de protección en escenarios de sombreado.

Aquí hay un ejemplo simple.

Supongamos que la corriente de la cadena es 10A y una celda queda fuertemente sombreada.

Si una celda ordinaria alcanza 15V de voltaje inverso después del sombreado, la potencia que disipa es aproximadamente:

P = 15V × 10A = 150W

Si una celda BC se sujeta debido a su estructura posterior y el voltaje inverso se limita a alrededor de 6V, la potencia que disipa es aproximadamente:

P = 6V × 10A = 60W

La diferencia es muy clara.

La temperatura real del punto caliente depende del área sombreada, temperatura ambiente, velocidad del viento, encapsulado del módulo, tamaño del vidrio, diseño de la celda y método de prueba, por lo que no se puede juzgar con un solo número fijo.

Pero en algunas pruebas reales y experiencia de campo, los módulos BC suelen tener temperaturas de punto caliente más bajas que los convencionales. Por ejemplo, algunos módulos BC pueden mantener la temperatura del punto caliente por debajo de unos 120 °C, mientras que otros tipos de módulos pueden alcanzar 160 °C o incluso más.

Algunas celdas BC especialmente diseñadas logran algo así como un "diodo de derivación integrado dentro de la celda". Esto puede reducir la temperatura del punto caliente a unos 90 °C, mientras que un módulo de referencia se sitúa alrededor de 190 °C, lo que demuestra que este tipo de diseño de conducción inversa distribuida puede reducir significativamente la temperatura del punto caliente.

¿Es siempre mejor un voltaje de ruptura inversa más bajo?

¿Es siempre mejor un voltaje de ruptura inversa más bajo?

No necesariamente.

Un voltaje de ruptura inversa bajo ayuda a reducir la temperatura del punto caliente durante el sombreado, pero también puede conllevar compromisos de diseño.

Si la ruta de conducción inversa está mal diseñada, puede aumentar la fuga y reducir la resistencia en derivación, lo que perjudica el rendimiento normal de generación de la celda.

Por lo tanto, una celda BC de alta eficiencia generalmente debe equilibrar dos objetivos:

1. Durante la operación normal, mantener alta eficiencia, baja fuga y alta resistencia en derivación;

2. Bajo polarización inversa por sombreado, formar una conducción inversa segura y uniforme a un voltaje más bajo.

Por eso también la tolerancia al sombreado varía entre diferentes celdas BC.

Algunas celdas BC se inclinan hacia la eficiencia y pueden construir un aislamiento más fuerte, por lo que su voltaje de ruptura inversa es más alto. Otras se inclinan hacia la tolerancia al sombreado y pueden diseñar rutas de ruptura inversa más bajas y uniformes.

Por lo tanto, no se puede decir simplemente "todas las celdas BC tienen la misma tolerancia al sombreado". Una forma más precisa de decirlo es:

una celda BC bien diseñada puede usar su estructura de unión PN interdigitada inversa para lograr una ruptura inversa más baja y uniforme, y eso mejora la tolerancia al sombreado y a los puntos calientes.

Ventajas de las celdas BC resumidas

Ventajas de las celdas BC resumidas

En conjunto, las ventajas de las celdas BC bajo sombreado incluyen principalmente:

• Menor pérdida de generación del módulo bajo sombreado de área pequeña, antes de que se active el diodo de bypass externo;

• Menor densidad de potencia local;

• Menor temperatura del punto caliente;

• Mayor margen de seguridad del módulo.

Qué significa esto para las aplicaciones de módulos

¿Qué significa esto para las aplicaciones de módulos?

En uso real, el sombreado a menudo no se puede evitar por completo.

Especialmente en escenarios distribuidos, como:

• Techos residenciales;

• Techos comerciales e industriales;

• Balcón fotovoltaico;

• BIPV;

• Montaje multi-orientación;

• Sitios rodeados de edificios complejos.

En estas aplicaciones, los módulos pueden enfrentar frecuentemente sombreado local.

Si una celda tiene mejor tolerancia al sombreado y menor temperatura de punto caliente, significa:

• Mejor seguridad del módulo: baja temperatura de punto caliente reduce el envejecimiento del encapsulante, daño en la lámina posterior, tensión local del vidrio y riesgo eléctrico.

• Mejor confiabilidad a largo plazo: la alta temperatura local acelera el envejecimiento del material. Cuanto más débil sea el punto caliente, más estable se mantendrá el módulo con el tiempo.

• Pérdida de generación más controlable: cuando el sombreado local es inevitable, un módulo BC puede aliviar parte de la pérdida de potencia.

• Diseño de sistema más amigable.

Los módulos BC se adaptan mejor a techos complejos, entornos de montaje distribuido y escenarios de múltiples sombreados.

Resumen

Resumen

Las celdas BC ofrecen mejor tolerancia al sombreado y menor temperatura de punto caliente, no porque "no se vean afectadas por el sombreado", sino porque tienen ventajas en estructura y comportamiento de polarización inversa.

Bajo sombreado, las celdas ordinarias pueden ver la ruptura inversa concentrarse en puntos de defecto locales, lo que lleva a alta densidad de potencia local y alta temperatura de punto caliente.

La estructura de unión PN interdigitada posterior de una célula BC actúa como un clamp inverso distribuido integrado. Bajo sombreado, puede formar conducción inversa a un voltaje inverso más bajo y distribuir la corriente inversa de manera más uniforme, lo que reduce tanto la potencia del punto caliente como la temperatura del punto caliente.

Pero tenga en cuenta que las células BC no son completamente inmunes al sombreado. Cuando el área sombreada es demasiado grande, varias células están completamente sombreadas y el voltaje de la subcadena se vuelve suficientemente negativo, el diodo de bypass externo aún se activa. En ese punto, la salida de la subcadena derivada disminuye notablemente.

Entonces, una forma más precisa de decirlo:

la ventaja de una célula BC no es eliminar el efecto del sombreado, sino hacer que ese efecto sea más controlable. Bajo sombreado de área pequeña, reduce la pérdida de potencia; bajo sombreado intenso, reduce el riesgo de punto caliente.

Esa es la razón fundamental por la que las células BC tienen ventaja en entornos de sombreado complejos.

Opinión de Ooitech

Lo interesante aquí es que la tolerancia al sombreado no es solo una elección de diseño de la célula, también depende de cuán consistentemente se reproduzca ese patrón interdigitado posterior en cada célula de una línea. Pequeñas desviaciones en la metalización, el tamaño del espacio o la calidad de la pasivación pueden cambiar el comportamiento de ruptura inversa que acabamos de describir, por lo que el control del proceso en las líneas de módulos BC es tan importante como la receta de la célula. Ooitech ha pasado años construyendo líneas de producción de módulos llave en mano para módulos TOPCon, HPBC, ABC y otros tipos BC, por lo que observamos de cerca estas ventanas de proceso de contacto posterior. Si desea ver cómo se construyen realmente estos módulos en la fábrica, nuestro canal de YouTube en www.youtube.com/ooitech tiene muchas imágenes reales de líneas de producción que vale la pena ver.