Por qué las células solares BC manejan mejor el sombreado

Respuesta rápida: Las células solares de contacto posterior manejan mejor el sombreado parcial que las células de contacto frontal porque ambos contactos de polaridad se sitúan en la parte trasera, lo que cambia cómo se redistribuye la corriente cuando parte del módulo está sombreada. En un módulo de contacto frontal, una célula sombreada puede verse forzada a polarización inversa y disipar potencia como calor; la temperatura de la célula puede ascender hacia 120 °C a 160 °C en la unión sombreada mientras el módulo circundante se mantiene cerca de 90 °C. La geometría de unión trasera de las células BC reduce el estrés de polarización inversa que ve una célula sombreada y reparte la pérdida a lo largo de un camino conductor más corto. El beneficio es real pero limitado: las células BC siguen necesitando diodos de derivación y siguen perdiendo salida cuando están sombreadas. Lo que cambia es cuánto calor tiene que absorber la célula sombreada antes de que el diodo conduzca, lo cual decide si un evento de sombreado es una pérdida temporal de salida o un defecto permanente.

Fabricación de módulos fotovoltaicos · por Jerry, Ooitech

Introducción

Para saber qué le hace un punto caliente al encapsulante, al backsheet, al vidrio y a las interconexiones — y por qué la temperatura es un margen de seguridad y no solo un número de rendimiento — véase puntos calientes de paneles solares, por qué importa la temperatura y qué daña el calor.

El sombreado es un problema muy común en instalaciones fotovoltaicas del mundo real.

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, también puede desencadenar un problema más grave: puntos calientes.

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

En SNEC, a menudo se ve 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 sencillos.

Por qué el sombreado causa puntos calientes

¿Por qué el sombreado causa puntos calientes?

Las células dentro de un módulo fotovoltaico suelen estar conectadas en serie.

Un circuito en serie tiene un rasgo definitorio: la corriente debe ser la misma en todas partes.

Eso significa que la corriente a través de toda la cadena está determinada por el circuito en su conjunto. Cuando todas las células reciben luz plena, cada una genera potencia 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 demás células no sombreadas. En ese momento deja de ser una fuente de potencia y se convierte en un consumidor de potencia.

Para el sombreado parcial, la célula sombreada no deja de generar por completo. Su área no sombreada todavía produce algo de fotocorriente. Así que lo que realmente tiene que fluir por el camino de ruptura inversa, el camino de fuga o el camino 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 puede llamarse corriente de desajuste:

Imismatch = Istring - Igenerate

Así, la disipación de potencia del punto caliente puede escribirse aproximadamente como:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

que es:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)

Esta fórmula señala una cosa clave: a la misma corriente de cadena, cuanto mayor es la tensión inversa, más potencia disipa la célula sombreada, y más caliente se pone el punto caliente.

Así que una de las claves para resistir los puntos calientes es:

cómo reducir la tensión inversa en la célula sombreada y hacer que el calentamiento sea más uniforme.

Aquí es exactamente donde destacan las células BC.

En qué se diferencian estructuralmente las células BC

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

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

Dicho simplemente:

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

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

Una célula BC, es decir, de contacto posterior, tiene una característica destacada:

tanto los electrodos positivos como los negativos se sitúan en la parte trasera de la célula, sin líneas de rejilla metálicas en la parte frontal.

Eso aporta dos beneficios directos:

1. Sin sombreado de líneas de rejilla en la parte frontal, por lo que hay más área de recepción de luz;

2. Los electrodos traseros pueden construirse con un patrón interdigitado, de modo que la recolección de corriente es más uniforme.

Figura 1 Esquema de la estructura de una 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 trasera de una célula BC lleva muchas regiones p y n intercaladas. Entre estas regiones se encuentran muchas uniones PN cortas y fuertemente dopadas. Desde el punto de vista del 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 un camino de conducción inversa más uniforme.

Como estas uniones PN traseras son cortas y localmente fuertemente dopadas, pueden entrar en ruptura inversa a una tensión inversa relativamente baja.

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

Por ejemplo, cuanto menor es la separación entre la región p y la región n, más fuerte es el campo local y, por lo general, más fácil es formar una tensión de ruptura inversa más baja. Pero eso también puede traer compromisos en fuga y resistencia de derivación. Así que la tolerancia al sombreado de una célula BC no es un valor fijo. Está estrechamente ligada a la estructura específica de la célula, el diseño del patrón trasero, 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 queda parcialmente sombreado, la corriente de la cadena empuja la célula sombreada a polarización inversa. A medida que el sombreado empeora, la tensión total a través de esa subcadena sigue disminuyendo.

En los módulos tradicionales, normalmente se coloca un diodo de derivación en paralelo a través de una sección de la cadena. El diodo de derivación no es activado por un controlador. Es un dispositivo pasivo. Si conduce o no depende únicamente de la tensión a través de él. Cuando la tensión total de esa subcadena se vuelve suficientemente negativa, el diodo de derivación se polariza directamente y se activa automáticamente.

La condición de activación se puede escribir como:

Vsubcadena ≤ -Vf

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

Vf es la caída de tensión directa del diodo de derivación.

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

Vsubcadena = ∑Vsin sombra + ∑Vsombreada

donde:

• Las células sin sombra siguen produciendo una tensión directa;

• Las células sombreadas están polarizadas inversamente y producen una tensión negativa.

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

∣∑Vsombreada∣ ≥ ∑Vsin sombra + Vf

En otras palabras:

la tensión inversa total de las células sombreadas tiene que superar la tensión directa total de las células sin sombra 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 siquiera se active, la estructura de unión PN posterior interdigitada de la propia célula BC ya proporciona cierta capacidad de conducción inversa distribuida. Esto se comporta un poco como un diodo Zener incorporado dentro de la célula.

Bajo polarización inversa, las uniones PN posteriores interdigitadas de una célula BC pueden formar conducción inversa distribuida a una tensión más baja, limitando el aumento adicional de la tensión inversa. Así, bajo sombreado parcial, cuando el diodo de derivación externo aún no se ha activado, un módulo BC todavía puede mantener una potencia de salida relativamente alta.

Figura 2 Curva IV del módulo con una célula sombreada.

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

Una mejor tolerancia no significa inmunidad al sombreado

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

Es necesario aclarar un concepto erróneo común.

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

Cualquier célula fotovoltaica produce menos potencia una vez que está sombreada.

Si el área sombreada dentro de una subcadena se vuelve demasiado grande, o varias células quedan completamente sombreadas, entonces la tensión inversa total de las células sombreadas todavía puede eventualmente superar la tensión directa total de las células sin sombra 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 células sin sombra de esa subcadena también quedan derivadas, y su contribución a la salida cae bruscamente. Así, cuando el área sombreada es grande, la ventaja de generación de un módulo BC también se debilita.

Los escenarios en los que los módulos BC realmente destacan suelen ser:

• Una célula o unas pocas células reciben sombreado parcial;

• El área sombreada en cada subcadena permanece pequeña;

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

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

Por ejemplo, una sombra diagonal de un poste de servicios públicos podría dejar cada subcadena con solo una pequeña área sombreada. 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.

Primero, la corriente inversa está más distribuida

Para las células ordinarias, la distribución de la corriente inversa a menudo es 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 metálica completa;

• Un punto del tamaño de la punta de un alfiler.

Este último se calienta más rápido, sin duda.

Así, 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.

Así, 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, la tensión de ruptura inversa es más baja

De la fórmula de potencia del punto caliente:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

a la misma corriente de desajuste, una tensión inversa más baja significa menos disipación de potencia.

Por eso una baja tensión de ruptura inversa puede actuar en realidad como un mecanismo de protección en escenarios de sombreado.

Aquí hay un ejemplo simple.

Digamos que la corriente de la cadena es de 10A y una célula queda fuertemente sombreada.

Si una célula ordinaria alcanza 15V de tensión inversa después del sombreado, la potencia que disipa es aproximadamente:

P = 15V × 10A = 150W

Si una célula BC se limita debido a su estructura posterior y la tensión inversa 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, la temperatura ambiente, la velocidad del viento, la encapsulación del módulo, el tamaño del vidrio, el diseño de la célula y el método de prueba, por lo que no se puede juzgar con un único número fijo.

Pero en algunas pruebas reales y en la experiencia de campo, los módulos BC suelen presentar 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 los 160 °C o incluso más.

Algunas células BC especialmente diseñadas logran algo así como un "diodo de derivación integrado dentro de la célula". Eso puede reducir la temperatura del punto caliente a unos 90 °C, mientras que un módulo de referencia se sitúa en torno a los 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 trayectoria de conducción inversa está mal diseñada, puede aumentar la fuga y reducir la resistencia en derivación, lo que perjudica el rendimiento de generación normal de la célula.

Por lo tanto, una célula BC de alta eficiencia normalmente tiene que equilibrar dos objetivos:

1. Durante el funcionamiento normal, mantener una 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.

Esa es también la razón por la que la tolerancia al sombreado varía entre distintas células BC.

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

Así que no se puede decir simplemente que "todas las células BC tienen la misma tolerancia al sombreado". Una forma más precisa de decirlo es:

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

Ventajas de las células BC en resumen

Ventajas de las células BC en resumen

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

• Menor pérdida de generación del módulo bajo sombreado de área pequeña, antes de que se active el diodo de derivación 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 el uso real, a menudo no se puede evitar por completo el sombreado.

Especialmente en escenarios distribuidos, como:

• Tejados residenciales;

• Tejados comerciales e industriales;

• FV de balcón;

• BIPV;

• Montaje multiorientación;

• Sitios rodeados de edificios complejos.

En estas aplicaciones, los módulos pueden enfrentarse con frecuencia a sombreado local.

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

• Mejor seguridad del módulo: una temperatura de punto caliente baja reduce el envejecimiento de la encapsulación, backsheet daños, tensión local en el vidrio y riesgo eléctrico.

• Mejor fiabilidad a largo plazo: la alta temperatura local acelera el envejecimiento de los materiales. Cuanto más débil sea el punto caliente, más estable se mantiene 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 tejados complejos, entornos de montaje distribuido y escenarios con múltiples sombreados.

Resumen

Resumen

Las células BC ofrecen mejor tolerancia al sombreado y menor temperatura de punto caliente, no porque "no les afecte el sombreado", sino porque tienen ventajas en su estructura y en su comportamiento bajo polarización inversa.

Bajo sombreado, las células ordinarias pueden ver cómo la ruptura inversa se concentra en puntos de defecto locales, lo que provoca una alta densidad de potencia local y una alta temperatura de punto caliente.

La estructura de unión PN posterior interdigitada de una célula BC actúa como una abrazadera inversa integrada distribuida. Bajo sombreado, puede formar conducción inversa a un voltaje inverso más bajo y repartir la corriente inversa de forma más uniforme, lo que reduce tanto la potencia del punto caliente como su temperatura.

Pero hay que tener en cuenta que las células BC no son totalmente inmunes al sombreado. Cuando el área sombreada es demasiado grande, varias células quedan completamente sombreadas y el voltaje de la subcadena se vuelve suficientemente negativo, el diodo de derivación externo aún se activa. En ese momento, la salida de la subcadena derivada cae notablemente.

Así que 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 de fondo por la que las células BC mantienen una ventaja en entornos de sombreado complejo.

Ooitech cree: las uniones de recombinación de nanocristales de In₂O₃ con ingeniería de superficie combinadas con la ingeniería de HSM en volumen/interfaz han llevado los módulos tándem totalmente de perovskita de gran área a una eficiencia certificada del 26,2 %, acercando decisivamente esta tecnología a la comercialización.

Lo interesante aquí es que la tolerancia al sombreado no es solo una elección de diseño de la célula, también depende de la consistencia con la que ese patrón posterior interdigitado se reproduce en cada célula de una línea. Pequeñas derivas en la metalización, el tamaño de las separaciones o la calidad de la pasivación pueden alterar el comportamiento de ruptura inversa que acabamos de describir, y por eso el control de proceso en las líneas de módulos BC importa tanto como la receta de la célula. Ooitech ha pasado años construyendo líneas de producción de módulos llave en mano para TOPCon, HPBC, ABC y otros módulos de tipo BC, por lo que seguimos de cerca estas ventanas de proceso de contacto posterior. Si quieres ver cómo se fabrican realmente estos módulos en la planta, nuestro canal de YouTube en www.youtube.com/ooitech tiene mucho metraje real de líneas de producción que vale la pena ver.