BC太陽電池がシェーディングに強い理由
目次
簡単な回答： バックコンタクト太陽電池は、両極性のコンタクトが裏面にあるため、モジュールの一部が日陰になると電流の再分配の仕方が変わり、フロントコンタクトセルよりも部分的な日陰に強くなります。フロントコンタクトモジュールでは、日陰になったセルが逆バイアス状態に追い込まれ、電力を熱として放散することがあります。日陰になった接合部ではセル温度が120 °Cから160 °Cにまで上昇する一方、周囲のモジュールは約90 °Cにとどまります。BCセルの裏面接合構造は、日陰になったセルが受ける逆バイアスストレスを軽減し、損失をより短い導電経路に分散させます。この利点は確かですが、限定的です。BCセルにもバイパスダイオードは必要であり、日陰になれば出力は低下します。変わるのは、ダイオードが導通するまでに日陰のセルが吸収しなければならない熱量であり、これが日陰の発生が一時的な出力損失で済むか、恒久的な欠陥になるかを決めます。
PV モジュール製造 · Jerry、Ooitech 著
はじめに
ホットスポットが封止材、バックシート、ガラス、インターコネクトに与える影響 — そしてなぜ温度が単なる性能値ではなく安全マージンなのか — については、次を参照してください 太陽電池パネルのホットスポット、温度が重要である理由と熱が損傷するもの.
遮光は実際のPV設置現場で非常によくある問題です。
木の影、電柱、ほこり、鳥のふん、雪、さらにはモジュールの取り付け角度のわずかな不一致なども、部分的な遮光を引き起こす可能性があります。遮光はモジュール出力を低下させるだけでなく、より深刻な問題を引き起こすこともあります： ホットスポット.
ここ数年、BC太陽電池は分散型屋根上、バルコニーPV、プレミアムモジュールでますます注目を集めています。その主な理由の一つは次のとおりです： BC太陽電池は通常、より優れた遮光耐性を提供し、遮光時のホットスポット温度も低く抑えられます。
SNECでは、メーカーがセルストリングの一部を遮光し、ポンプによる水の高さを使って自社のBC製品の遮光耐性をアピールする光景をよく見かけます。
では、なぜBCセルにはこのような利点があるのでしょうか？その背後にある物理とは何でしょうか？
できるだけ簡単な言葉で説明してみましょう。
なぜ遮光がホットスポットを引き起こすのか
なぜ遮光がホットスポットを引き起こすのでしょうか？
PVモジュール内のセルは通常、直列に接続されています。
直列回路には一つの決定的な特徴があります： 電流はどこでも同じでなければなりません。
つまり、ストリング全体を流れる電流はループ全体によって決まります。すべてのセルが十分な光を受けると、それぞれが発電し、すべてがほぼ一貫した状態にあります。
しかし、一つのセルが遮光されると、そのセルが生成できる光生成電流が低下します。ストリング全体が依然として大きな電流を流す必要がある場合、その遮光されたセルは他の遮光されていないセルによって逆バイアスに押し込まれる可能性があります。その時点で、それは電源ではなくなり、電力消費者に変わります。
部分的な日陰の場合、日陰になったセルは完全に発電を停止するわけではありません。日陰になっていない領域は依然としていくらかの光電流を生成します。したがって、逆降伏経路、漏れ経路、またはバイパス経路を通って実際に流れなければならないのは、ストリング電流の全量ではなく、ストリング電流とそのセルがまだ生成できる電流との差です。
この差はミスマッチ電流と呼ぶことができます：
Imismatch = Istring - Igenerate
したがって、ホットスポットの電力散逸は概ね次のように表せます：
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch
つまり：
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)
この式が示す重要な点は一つです： 同じストリング電流では、逆電圧が高いほど、日陰になったセルが散逸する電力が大きくなり、ホットスポットの温度が高くなります。
したがって、ホットスポットに耐えるための鍵の一つは：
日陰になったセルの逆電圧をどのように下げ、発熱をより均一にするかです。
まさにここでBCセルが真価を発揮します。
BCセルの構造上の違い
BCセルは通常のセルと構造上どのように異なるのでしょうか？
通常の結晶シリコンセルは、一般的に表裏コンタクト構造を使用します。
簡単に言うと：
表面には細いグリッドラインとバスバーがあり、光は表面から入射します；
電流はセル内部で生成され、表裏の電極を通じて収集されます。
BCセル、すなわちBack Contactは、際立った特徴を一つ持っています：
正負両方の電極がセルの裏面にあり、表面には金属グリッドラインがありません。
これにより二つの直接的な利点が得られます：
表面にグリッドラインの陰りがないため、受光面積が増加します；
裏面電極はインターデジタルパターンに形成できるため、電流収集がより均一になります。
図1 BCセル構造の模式図。
出典：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
BCセルの裏面には、多くの交互に配置されたp領域とn領域が存在します。これらの領域の間には、多数の短く、高濃度にドープされたPN接合が存在します。回路の観点から見ると、もはや単一の大きなダイオードとして動作するのではなく、並列接続された多数の小さなダイオードのように動作します。逆バイアス下では、これらの分散したPN接合がより均一な逆方向導通経路を形成することができます。
これらの裏面PN接合は短く、局所的に高濃度にドープされているため、比較的低い逆電圧で逆降伏に入る可能性があります。
もちろん、これはBCセルの具体的な設計パラメータに依存します。
例えば、p領域とn領域の間のギャップが小さいほど、局所的な電界が強くなり、通常はより低い逆降伏電圧を形成しやすくなります。しかし、それはリーク電流やシャント抵抗におけるトレードオフをもたらす可能性もあります。したがって、BCセルのシェーディング耐性は固定値ではありません。それは具体的なセル構造、裏面パターン設計、ギャップサイズ、ドーピング濃度、パッシベーション品質、および製造プロセスに密接に関係しています。
BCセルがシェーディング下で電力損失が少ない理由
なぜBCセルはシェーディング後の電力損失が少ないのか？
モジュールが部分的にシェーディングされると、ストリング電流がシェーディングされたセルを逆バイアスに押し込みます。シェーディングが悪化するにつれて、そのサブストリング全体の電圧は低下し続けます。
従来のモジュールでは、バイパスダイオードは通常、ストリングの一部と並列に配置されます。バイパスダイオードはコントローラによって能動的にオンにされるものではありません。それは受動素子です。導通するかどうかは、それにかかる電圧のみに依存します。そのサブストリングの総電圧が十分に負になると、バイパスダイオードは順バイアスされ、自動的にオンになります。
ターンオン条件は次のように書けます：
Vsubstring ≤ -Vf
Vsubstringは、バイパスダイオードによって保護されるサブストリングの総電圧です；
Vfはバイパスダイオードの順方向電圧降下です。
サブストリングの場合、その総電圧は次のように理解できます：
Vsubstring = ∑Vunshaded + ∑Vshaded
ここで：
シェーディングされていないセルは依然として順方向電圧を生成します；
シェーディングされたセルは逆バイアスされ、負の電圧を生成します。
バイパスダイオードのターンオン条件は次のように読めます：
∣∑Vshaded∣ ≥ ∑Vunshaded + Vf
言い換えれば：
シャドーセルの総逆電圧は、バイパスダイオードがオンになる前に、残りの非シャドーセルの総順方向電圧にバイパスダイオードの順方向降下を加えた値を超えなければなりません。
BCモジュールの利点は、外部バイパスダイオードがオンになる前に、BCセル自体のインターデジタル背面PN接合構造がすでにいくつかの分散逆方向導通能力を提供していることです。これはセル内部に内蔵されたツェナーダイオードのように少し動作します。
逆バイアス下では、BCセルのインターデジタル背面PN接合はより低い電圧で分散逆方向導通を形成し、逆電圧のさらなる上昇を制限することができます。したがって、部分的なシェーディング下では、外部バイパスダイオードがまだオンになっていない場合でも、BCモジュールは比較的高い出力電力を維持することができます。
図2 1つのセルがシェーディングされたモジュールのIV曲線。
出典: 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. 入手先: https://doi.org/10.1051/epjpv/2024001
より良い耐性はシェーディングに免疫があることを意味しない
より良いシェーディング耐性はBCセルがシェーディングに免疫があることを意味しない
一つの一般的な誤解を解消する必要があります。
より良いシェーディング耐性はBCセルがシェーディングの影響を受けないことを意味しません。
どのPVセルもシェーディングされると発電量が減少します。
1つのサブストリング内のシェーディング面積が大きくなりすぎたり、複数のセルが完全にシェーディングされた場合、シェーディングされたセルの総逆電圧は最終的に残りの非シェーディングセルの総順方向電圧を超える可能性があります。その時点で外部バイパスダイオードがオンになります。
バイパスダイオードがオンになると、電流はそのサブストリング全体を迂回します。そのサブストリング内の非シェーディングセルもバイパスされ、出力への寄与が急激に低下します。したがって、シェーディング面積が大きい場合、BCモジュールの発電優位性も弱まります。
BCモジュールが本当に輝くシナリオは通常:
1つまたは少数のセルが部分的なシェーディングを受ける;
各サブストリング内のシェーディング面積が小さいままである;
シェーディングが斜め、帯状、または局所的に散在している;
外部バイパスダイオードが完全にオンになっていない。
例えば、電柱による斜めの影は、各部分文字列にわずかな陰影面積しか残さないことがあります。その場合、BCモジュールはより優れた耐陰影発電を示す傾向があります。
BCモジュールがより低温のホットスポットになる理由
なぜBCモジュールはホットスポット温度が低いのか？
BCモジュールがより低温のホットスポットになる主な理由は2つあります。
第一に、逆電流がより分散される
通常のセルでは、逆電流分布はしばしば不均一です。逆降伏は、以下のようないくつかの局所的な弱点で最初に発生する可能性があります：
局所的な欠陥部位；
セルエッジ；
メタライゼーション異常；
マイクロクラックまたは汚染領域；
局所的なパッシベーションが弱い領域。
これらの箇所は弱点のように作用します。
逆電流がこれらの弱点に集中すると、局所的な電力密度が非常に高くなり、温度が急速に上昇し、明確なホットスポットが形成されます。
これは、同じ量の熱を2つの物体に加えるようなものです：
金属板全体；
ピンポイントサイズの点。
後者の方が確実に早く加熱します。
したがって、陰影下での通常セルのリスクは「セル全体に均一に加熱される」ことではなく、 強い局所的な点加熱です。
BCセルは裏面に多くのインターデジタルPN接合を持っています。逆導通は、いくつかの欠陥点に集中するのではなく、複数の領域にわたってより容易に広がることができます。
そのため、BCセルの逆電流はより均一に分布し、局所的な電力密度は低く保たれ、ホットスポット温度も低く保たれます。
第二に、逆降伏電圧が低い
ホットスポット電力の式から：
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch
同じミスマッチ電流では、逆電圧が低いほど消費電力が少なくなります。
そのため、低い逆降伏電圧は、陰影シナリオにおいて実際に保護メカニズムとして機能することができます。
簡単な例を挙げます。
ストリング電流が10Aで、1つのセルが重度の陰影を受けたとします。
通常のセルが陰影後に15Vの逆電圧に達した場合、それが消費する電力はおよそ：
P = 15V × 10A = 150W
BCセルがその背面構造によりクランプし、逆電圧が約6Vに制限される場合、消費する電力はおよそ次のとおりです：
P = 6V × 10A = 60W
その差は非常に明確です。
実際のホットスポット温度は、遮蔽面積、周囲温度、風速、モジュールの封止、ガラスサイズ、セル設計、試験方法に依存するため、単一の固定値で判断することはできません。
しかし、いくつかの実試験や現場経験では、BCモジュールは通常、従来型よりも低いホットスポット温度で動作します。例えば、一部のBCモジュールはホットスポット温度を約120 °C以下に保つことができますが、他のモジュールタイプは160 °C以上に達することがあります。
特別に設計された一部のBCセルは、「セル内部に内蔵バイパスダイオード」のようなものを実現しています。これによりホットスポット温度を約90 °Cまで下げることができ、参照モジュールは約190 °Cであることから、このような分散型逆方向導通設計がホットスポット温度を大幅に低減できることを示しています。
逆方向降伏電圧は低ければ低いほど常に良いのか
逆方向降伏電圧は低ければ低いほど常に良いのでしょうか？
必ずしもそうではありません。
低い逆方向降伏電圧は遮蔽時のホットスポット温度を下げるのに役立ちますが、設計上のトレードオフも生じます。
逆方向導通経路の設計が不十分な場合、漏れ電流が増加しシャント抵抗が低下する可能性があり、セルの通常の発電性能を損ないます。
そのため、高効率BCセルは通常、次の2つの目標のバランスを取る必要があります：
通常動作時は、高効率、低漏れ電流、高シャント抵抗を維持する；
遮蔽逆バイアス時は、より低い電圧で安全かつ均一な逆方向導通を形成する。
これが、BCセルによって遮蔽耐性が異なる理由でもあります。
一部のBCセルは効率を重視し、より強固な絶縁を構築するため、逆方向降伏電圧が高くなります。一方、遮蔽耐性を重視するものは、より低く均一な逆方向降伏経路を設計する場合があります。
したがって、「すべてのBCセルが同じ遮蔽耐性を持つ」と単純に言うことはできません。より正確に言えば：
適切に設計されたBCセルは、そのインターデジタル背面PN接合構造を利用して、より低く均一な逆方向降伏を実現でき、それにより遮蔽およびホットスポット耐性が向上します。
BCセルの利点のまとめ
BCセルの利点のまとめ
総合すると、遮蔽時のBCセルの利点は主に以下を含みます：
外部バイパスダイオードがオンになる前の、小面積遮蔽時のモジュール発電損失がより小さい；
局所電力密度がより低い；
ホットスポット温度がより低い；
モジュールの安全マージンがより高い。
これがモジュール用途にとって意味すること
これはモジュール用途にとって何を意味するのでしょうか？
実際の使用では、遮蔽はしばしば完全には避けられません。
特に分散型のシナリオでは、例えば：
住宅の屋根；
商業・産業用屋根；
バルコニーPV；
BIPV；
多方向設置；
複雑な建物に囲まれた設置場所。
これらの用途では、モジュールはしばしば部分的な遮蔽に直面する可能性があります。
セルの遮蔽耐性がより高く、ホットスポット温度がより低ければ、それは以下を意味します：
優れたモジュール安全性：低いホットスポット温度は封止材の劣化、 バックシート 損傷、局所的なガラス応力、電気的リスクを低減します。
より良い長期信頼性：局所的な高温は材料の劣化を加速します。ホットスポットが弱いほど、モジュールは経時的に安定します。
より制御可能な発電損失：局所的な遮蔽が避けられない場合、BCモジュールは電力損失の一部を緩和できます。
より扱いやすいシステム設計。
BCモジュールは、複雑な屋根、分散型設置環境、多重遮蔽シナリオにより適応します。
まとめ
まとめ
BCセルがより良い遮蔽耐性と低いホットスポット温度を提供するのは、「遮蔽の影響を受けない」からではなく、構造と逆バイアス挙動に利点があるからです。
遮蔽時、通常のセルでは逆降伏が局所的な欠陥点に集中し、高い局所電力密度と高いホットスポット温度を引き起こす可能性があります。
BCセルのインターデジタル背面PN接合構造は、分散型の内蔵逆クランプのように機能します。遮蔽時、より低い逆電圧で逆導通を形成し、逆電流をより均等に分散できるため、ホットスポット電力とホットスポット温度の両方を低下させます。
ただし、BCセルが影の影響を完全に受けにくいわけではない点に注意してください。影の面積が大きすぎる場合、複数のセルが完全に影になり、サブストリング電圧が十分に負になると、外部バイパスダイオードが依然としてオンになります。その時点で、バイパスされたサブストリングの出力は著しく低下します。
より正確に言うなら、
BCセルの利点は影の影響をなくすことではなく、その影響をより制御可能にすることです。小面積の影では電力損失を減らし、重度の影ではホットスポットのリスクを下げます。
これが、BCセルが複雑な影の環境で優位性を持つ根本的な理由です。
Ooitechの見解
ここで興味深いのは、シェーディング耐性は単なるセル設計の選択ではなく、そのインターデジタルバックパターンがライン内のすべてのセルでどれだけ一貫して再現されるかにも依存するという点です。メタライゼーション、ギャップサイズ、またはパッシベーション品質のわずかなドリフトは、先ほど説明した逆方向降伏挙動を変化させる可能性があります。そのため、BCモジュールラインのプロセス制御はセルレシピと同じくらい重要です。Ooitechは、 TOPCon、HPBC、ABC、その他のBC型モジュール向けのターンキーモジュール生産ラインを長年にわたり構築してきたため、これらのバックコンタクトプロセスウィンドウを注意深く監視しています。これらのモジュールが工場の現場で実際にどのように製造されるかを見たい場合は、私たちのYouTubeチャンネルをご覧ください： www.youtube.com/ooitech には、一見の価値がある実際の生産ライン映像がたくさんあります。
