Introducción del Producto

El sombreado es uno de los problemas más comunes en instalaciones fotovoltaicas reales.

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

Últimamente, las células solares BC han atraído mucha atención en techos distribuidos, balcones fotovoltaicos y módulos premium. Una gran razón: Las células BC generalmente manejan mejor el sombreado y funcionan a temperaturas de punto caliente más bajas bajo sombreado.

En SNEC, a menudo se ve a los vendedores sombrear parte de una célula y luego mostrar la tolerancia al sombreado de sus productos BC observando qué tan alto puede rociar una bomba de agua.

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

Intentemos explicarlo en lenguaje sencillo.

¿Por qué el sombreado causa puntos calientes?

Cells in a PV module are usually wired in series.

Los circuitos en serie tienen una característica clave: 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 serie en conjunto. Cuando cada célula recibe luz completa, cada una genera energía y todas se comportan de manera bastante consistente.

Pero si una célula se sombrea, la corriente fotogenerada que puede producir disminuye. Si la cadena aún necesita impulsar una corriente mayor a través de ella, esa célula sombreada puede ser forzada a polarización inversa por las otras células no sombreadas. En ese punto, deja de ser un generador y se convierte en un elemento consumidor de energía.

Para sombreado parcial, la celda sombreada no está completamente muerta. La parte no sombreada aún genera algo de fotocorriente. Por lo tanto, lo que realmente debe fluir a través de la ruta de ruptura inversa, la ruta de fuga o la 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 celda aún puede producir.

Podemos llamar a esta diferencia la corriente de desajuste:

Imismatch = Icadena - Igenera

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

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

que es:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Icadena - Igenera)

Esta fórmula señala un problema clave: a la misma corriente de cadena, cuanto mayor es el voltaje inverso, más potencia quema la celda sombreada y más caliente se vuelve el punto caliente.

Por lo tanto, una clave para combatir los puntos calientes es:

cómo reducir el voltaje inverso en la celda sombreada y distribuir el calor de manera más uniforme.

Aquí es exactamente donde las células BC brillan.

¿En qué se diferencia estructuralmente una celda BC de una celda ordinaria?

Las celdas de silicio cristalino ordinarias suelen tener una estructura de contacto frontal y posterior.

En pocas palabras:

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

• la corriente, una vez generada dentro de la celda, es recolectada por los electrodos frontal y posterior.

Una celda BC, que significa Contacto Posterior, tiene una característica definitoria:

tanto los electrodos positivo como negativo están en la parte posterior de la celda, y la parte frontal no tiene líneas de rejilla metálicas.

Eso trae dos beneficios directos:

1. sin sombreado de líneas de rejilla en el frente, por lo tanto un área de recepción de luz más grande;

2. los electrodos posteriores pueden ser interdigitados, por lo que la recolección de corriente es más uniforme.

Figura 1 Esquema de la estructura de la celda 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 celda BC tiene muchas regiones p y n entrelazadas. Entre estas regiones hay muchas uniones PN cortas y fuertemente dopadas. Desde una vista de circuito, ya no se comporta como un gran diodo, sino más como muchos diodos pequeños en paralelo. Bajo polarización inversa, estas uniones PN distribuidas pueden formar una ruta de conducción inversa más uniforme.

Al mismo tiempo, debido a que estas uniones PN posteriores 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 es la brecha entre las regiones p y n, más fuerte es el campo local y, por lo general, es más fácil obtener un voltaje de ruptura inversa más bajo. Pero eso también puede traer compensaciones en la corriente de fuga y la resistencia en derivación. Por lo tanto, la tolerancia al sombreado de una celda BC no es un número fijo, está estrechamente vinculada a la estructura de la celda, el diseño del patrón posterior, el tamaño de la brecha, la concentración de dopaje, la calidad de la pasivación y el proceso de fabricación.

¿Por qué los módulos BC pierden menos potencia después del sombreado?

Cuando un módulo se sombrea parcialmente, la celda sombreada se polariza inversamente por la corriente de la cadena. A medida que el sombreado empeora, el voltaje total de esa sección de la cadena sigue disminuyendo.

En los módulos tradicionales, un diodo de derivación generalmente se conecta 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 sección de la cadena se vuelve lo suficientemente negativo, el diodo de derivación se polariza directamente y se enciende por sí mismo.

La condición de encendido se puede escribir como:

Vsubcadena ≤ -Vf

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

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

Para una sección de la cadena, su voltaje total se puede entender como:

Vsubcadena = ∑Vno sombreadas + ∑Vsombreadas

donde:

• las celdas no sombreadas aún producen un voltaje positivo;

• 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:

la suma de los voltajes inversos de las celdas sombreadas debe exceder la suma de los voltajes directos de las celdas no sombreadas restantes, más la caída de encendido del diodo de derivación, antes de que el diodo de derivación se active.

La ventaja de un módulo BC es que, antes de que el diodo de derivación externo se encienda, la propia estructura de unión PN interdigitada posterior de la celda BC ya proporciona cierta conducción inversa distribuida. Esto se comporta un poco como un diodo Zener integrado en la celda.

Bajo polarización inversa, la estructura de unión PN interdigitada en la parte posterior de una celda BC puede formar una conducción inversa distribuida a un voltaje más bajo, lo que limita cuánto puede aumentar el voltaje inverso. Por lo tanto, bajo sombreado parcial, con el diodo de derivación externo aún no activado, un módulo BC aún puede mantener una potencia de salida bastante alta.

Figura 2 La curva IV del módulo cuando una celda está 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 al sombreado no significa inmune al sombreado

Un malentendido común necesita aclararse.

Las celdas BC toleran mejor el sombreado, pero eso no significa que el sombreado no tenga efecto sobre ellas.

Cualquier célula fotovoltaica producirá menos energía una vez que esté sombreada.

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

Una vez que el diodo de bypass se activa, la corriente se desvía alrededor de toda esta sección de la cadena. Las células no sombreadas en esta subcadena se omiten junto con las sombreadas, y su contribución a la salida disminuye notablemente. Por lo tanto, cuando el área sombreada es grande, la ventaja de generación de un módulo BC también se debilita.

Los módulos BC tienden a tener ventaja cuando:

• una sola célula o unas pocas células están parcialmente sombreadas;

• el área sombreada dentro de cada subcadena es pequeña;

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

• el diodo de bypass externo no se ha activado completamente.

Por ejemplo, una sombra diagonal de un poste de servicios públicos puede dejar cada subcadena con solo un área sombreada pequeña. En ese caso, un módulo BC generalmente muestra una generación más tolerante al sombreado.

¿Por qué los módulos BC funcionan más fríos en los puntos calientes?

Los módulos BC tienen temperaturas de punto caliente más bajas principalmente por dos razones.

Primero, la corriente inversa está más extendida

En las células ordinarias, la distribución de la corriente inversa a menudo es desigual. La ruptura inversa tiende a ocurrir primero en puntos débiles locales, como:

• sitios de defectos locales;

• bordes de la célula;

• áreas de metalización anormales;

• microgrietas o áreas contaminadas;

• áreas con pasivación local 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 evidente.

Es como calentar dos objetos con la misma cantidad de calor:

• una placa de metal entera;

• un punto del tamaño de un alfiler.

Este último se calienta más rápido, sin duda.

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

Una célula BC tiene muchas uniones PN interdigitadas en la parte posterior. La conducción inversa puede propagarse más fácilmente a través de muchas regiones en lugar de acumularse en unos pocos puntos de defecto.

Por lo tanto, la distribución de corriente inversa de una célula BC es más uniforme, la densidad de potencia local es menor y la temperatura del punto caliente también es menor.

Segundo, el voltaje de ruptura inversa es más bajo

Puede verse a partir de la fórmula de potencia del punto caliente:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

Con la misma corriente de desajuste, cuanto menor es el voltaje inverso, menor es la potencia de calentamiento.

Por eso un bajo voltaje de ruptura inversa puede funcionar como mecanismo de protección bajo sombreado.

Aquí hay un ejemplo simple.

Supongamos que la corriente de la cadena del módulo es de 10 A y una célula está muy sombreada.

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

P = 15V × 10A = 150W

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

P = 6V × 10A = 60W

La diferencia es sorprendente.

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

Aún así, en algunas pruebas reales y experiencia de campo, los módulos BC suelen funcionar más fríos en los puntos calientes que los convencionales. Por ejemplo, algunos módulos BC pueden mantener la temperatura del punto caliente por debajo de aproximadamente 120 °C, mientras que otros tipos de módulos pueden alcanzar 160 °C o incluso más.

Algunas células BC especialmente diseñadas logran algo así como un "diodo de derivación incorporado", reduciendo la temperatura del punto caliente a alrededor de 90 °C mientras que un módulo de referencia se sitúa cerca de 190 °C, lo que muestra que este diseño de conducción inversa distribuida puede reducir mucho la temperatura del punto caliente.

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

No necesariamente.

Un bajo voltaje de ruptura inversa ayuda a reducir la temperatura del punto caliente bajo sombreado, pero también puede traer 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 bajo voltaje.

Por eso también diferentes células BC varían en rendimiento bajo sombreado.

Algunas células BC se inclinan hacia la eficiencia, por lo que pueden aislarse más fuertemente y terminar con un voltaje de ruptura inversa más alto. Otras se inclinan hacia la tolerancia al sombreado, por lo que pueden diseñar caminos de ruptura inversa más bajos y uniformes.

Por lo tanto, no se puede decir simplemente "todas las células BC toleran el sombreado igual". Una afirmación más precisa es:

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

Resumen de las ventajas de las celdas BC

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

• menor pérdida de potencia 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?

En la práctica, el sombreado a menudo no se puede evitar por completo.

Especialmente en escenarios distribuidos, como:

• techos residenciales;

• techos comerciales e industriales;

• PV de balcón;

• BIPV;

• montaje multi-orientación;

• sitios con edificios circundantes complejos.

En estas aplicaciones, los módulos pueden sombreados parcialmente con frecuencia.

Si una celda tolera mejor el sombreado y funciona más fría en los puntos calientes, eso significa:

• Mejor seguridad del módulo: una temperatura de punto caliente más baja reduce el envejecimiento del encapsulante, el daño a la lámina posterior, el estrés local del vidrio y el 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 parcial es inevitable, un módulo BC puede mitigar 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.

Conclusión

Las celdas BC toleran mejor el sombreado y funcionan más frías en los puntos calientes, principalmente no porque "no se vean afectadas por el sombreado", sino porque tienen ventajas en estructura y comportamiento de polarización inversa.

Con una celda ordinaria bajo sombreado, la ruptura inversa puede concentrarse en puntos de defecto locales, generando alta densidad de potencia local y alta temperatura de punto caliente.

La estructura de unión PN interdigitada trasera de una celda BC actúa como un clamp inverso distribuido e 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 la potencia del punto caliente y la temperatura del punto caliente.

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

Entonces, más precisamente:

La ventaja de una célula BC no es eliminar los efectos de sombreado, sino hacerlos más controlables. Bajo sombreado de área pequeña puede reducir la pérdida de potencia; bajo sombreado intenso puede disminuir el riesgo de punto caliente.

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

Opinión de Ooitech

Lo que realmente nos llama la atención aquí es que la ventaja de BC en sombreado reside en el paso de metalización de contacto posterior, no en algún material mágico, lo que significa que la línea de módulos debe cumplir tolerancias estrictas en el patrón entrelazado para obtener esa baja y uniforme ruptura inversa. En una línea de producción hemos visto la misma física en pruebas EL y de punto caliente, donde un patrón posterior desigual se manifiesta como puntos de ruptura dispersos mucho antes de que el módulo vea una sombra. Si te gusta este tipo de análisis de lo que sucede entre la célula y un módulo terminado, nuestro canal de YouTube en www.youtube.com/ooitech tiene más desde el interior de fábricas solares reales.