BC太陽電池が影に強く、ホットスポットが低温で動作する理由
目次
はじめに
影は実際のPV設置において非常に一般的な問題です。
木の影、電柱、ほこり、鳥の糞、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も部分的な影を引き起こす可能性があります。影はモジュールの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可能性があります： ホットスポット.
ここ数年、BC太陽電池は分散型屋根、バルコニーPV、および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、優れた耐影性を提供し、影がかかった状態でもホットスポット温度が低く保たれます。
SNECでは、メーカーがセルストリングの一部を影で覆い、ポンプからの水の高さを使ってBC製品の耐影性を披露するのをよく見かけます。
では、なぜBCセルにはこの利点があるのでしょうか？その背後にある物理は何でしょうか？
比較的簡単な言葉で説明してみましょう。
影がホットスポットを引き起こす理由
影がホットスポットを引き起こすのはなぜですか？
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、ストリング全体の電流はループ全体によって設定されます。すべてのセルが完全な光を受けると、それぞれが電力を生成し、すべてがかなり一貫した状態にあります。
しかし、1つのセルが影になると、生成できる光電流が低下します。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、その影になったセルは他の影の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、電力消費者になります。
部分遮蔽の場合、遮蔽されたセルは完全に発電を停止するわけではありません。その日陰になっていない領域は依然としてある程度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実際に流れる必要があるのは、ストリング電流全体ではなく、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損失はおおよそ次のように書くことができます：
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch
つまり：
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)
この式は重要な点を指し示しています： 同じストリング電流では、逆電圧が高いほど、遮蔽されたセルが消費する電力が大きくなり、ホットスポットがより高温になります。
したがって、ホットスポットに耐えるための鍵の一つは：
遮蔽されたセルの逆電圧を下げ、加熱をより均一にすることです。
これはまさにBCセルが優れている点です。
BCセルの構造の違い
BCセルは通常のセルと構造的に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通常、前面と背面の接触構造を使用します。
簡単に言うと：
前面には細かいグリッド線とバスバーがあり、光は前面から入射します；
電流はセル内部で生成され、前面と背面の電極を通じて収集されます。
BCセル（Back Contact）には際立った特徴があります：
正極と負極の両方がセルの背面にあり、前面には金属グリッド線がありません。
これにより、2つの直接的な利点が得られます：
前面にグリッド線の影がないため、受光面積が増えます；
背面電極は交互配置パターンで構築できるため、電流収集がより均一になります。
図1 BCセル構造の概略図。
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セルの背面には、多数のp領域とn領域が交互に配置されています。これらの領域の間には、短く高濃度ドープされたPN接合が多数存在します。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、多数の小さなダイオードが並列に接続されたように動作します。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導通経路を形成できます。
これらの背面PN接合は短く局所的に高濃度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ことができます。
もちろん、これはBCセルの特定の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の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セルの耐影性は固定値ではありません。特定のセル構造、背面パターン設計、ギャップサイズ、ドーピング濃度、パッシベーション品質、製造プロセスに密接に関連しています。
BCセルが影で電力損失が少ない理由
BCセルは影がかかった後、なぜ電力損失が少ないのですか？
モジュールが部分的に影になると、ストリング電流が影になったセルを逆バイアスに押し込みます。影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が通常、ストリングの一部に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のではなく、受動デバイスです。導通するかどうかは、その両端の電圧にのみ依存します。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方向バイアスされ、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：
Vサブストリング ≤ -Vf
Vサブストリングは、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：
Vサブストリング = ∑V非影 + ∑V影
ここで：
非影セルは依然として順方向電圧を生成します；
影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：
∣∑V影∣ ≥ ∑V非影 + Vf
言い換えれば：
遮光セルの逆方向電圧の合計が、残りの非遮光セルの順方向電圧の合計にバイパスダイオードの順方向降下を加えた値を超えると、バイパスダイオードが導通します。
BCモジュールの利点は、外部バイパスダイオードが導通する前に、BCセル自体のインター�デジテーテッド背面PN接合構造が、すでに分散型逆方向導通能力を提供することです。これは、セル内に組み込まれたツェナーダイオードのように動作します。
逆バイアス下では、BCセルのインター�デジテーテッド背面PN接合が低い電圧で分散型逆方向導通を形成し、逆方向電圧のさらなる上昇を制限します。そのため、部分的な遮光下で外部バイパスダイオードがまだ導通していない場合でも、BCモジュールは比較的高い出力電力を維持できます。
図2 1セルが遮光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
耐性が高いことは、遮光に影響されないことを意味しない
遮光耐性が高いことは、BCセルが遮光の影響を受けないことを意味するわけではありません
よくある誤解を解消する必要があります。
遮光耐性が高いことは、BCセルが遮光の影響を受けないことを意味するわけではありません。
どのPVセルも、遮光されると出力が低下します。
1つのサブストリング内の遮光面積が大きすぎる場合、または複数のセルが完全に遮光された場合、遮光セルの逆方向電圧の合計が、残りの非遮光セルの順方向電圧の合計を最終的に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導通します。
バイパスダイオードが導通すると、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遮光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、遮光面積が大きい場合、BCモジュールの発電利点も弱まります。
BCモジュールが真に優位性を発揮するシナリオは、通常以下の通りです:
1セルまたは数セルが部分的に遮光される場合;
各サブストリング内の遮光面積が小さい場合;
遮光が斜め、帯状、または局所的に散在している場合;
外部バイパスダイオードが完全に導通していない場合。
例えば、電柱からの斜めの影が各サブストリングに小さな影の領域だけを残す場合があります。その場合、BCモジュールはより優れた耐影発電性能を示す傾向があります。
BCモジュールがホットスポット温度を低く抑える理由
なぜBCモジュールはホットスポット温度が低いのですか？
BCモジュールのホットスポット温度が低い理由は主に2つあります。
第一に、逆電流がより広範囲に分散される
通常のセルでは、逆電流の分布は不均一であることがよくあります。逆降伏はまず局所的な弱点で発生する可能性があります。例えば：
局所的な欠陥部位；
セルエッジ；
メタライゼーションの異常；
マイクロクラックや汚染領域；
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機能します。
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。
同じ熱量を2つの物体に加えるようなものです：
金属板全体；
針先ほどの大きさの点。
後者の方が確実に早く熱くなります。
したがって、通常のセルが影になる場合のリスクは「セル全体が均一に加熱される」ことではなく、 強い局所的な点加熱です。
BCセルは背面に多数の交互配置されたPN接合を持っています。逆導通は少数の欠陥点に集中するのではなく、複数の領域に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なります。
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、低い逆降伏電圧は影の状況で保護機構として機能することができます。
簡単な例を示します。
ストリング電流が10Aで、1つのセルが強く影になっているとします。
通常のセルが影になった後に15Vの逆電圧に達した場合、消費される電力はおよそ次のようになります：
P = 15V × 10A = 150W
BCセルが裏面構造によりクランプされ、逆電圧が約6Vに制限される場合、その消費電力はおおよそ次のようになります：
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、影の面積、周囲温度、風速、モジュールの封止、ガラスサイズ、セル設計、試験方法によって異なるため、単一の固定数値で判断することはできません。
しかし、いくつかの実際の試験や現場での経験では、BCモジュールは従来のものよりもホットスポット温度が低くなる傾向があります。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未満に保つことができますが、他のモジュールタイプは160°C以上に達することもあります。
特別に設計された一部のBCセルは、「セル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、参照モジュールが約190°Cであるのに対し、この種の分散型逆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。
逆降伏電圧が低いほど常に良いのか
逆降伏電圧が低いほど常に良いのでしょうか？
必ずしもそうとは限りません。
逆降伏電圧が低いと、遮光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る可能性があります。
逆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して、セルの通常の発電性能に悪影響を及ぼす可能性があります。
したがって、高効率の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：
通常動作時には、高効率、低漏れ電流、高シャント抵抗を維持すること；
遮光時の逆バイアス下では、低電圧で安全かつ均一な逆導通を形成すること。
そのため、BCセルによって遮光耐性が異なるのもこのためです。
一部のBCセルは効率を重視し、より強い絶縁を設計するため、逆降伏電圧が高くなります。他のものは遮光耐性を重視し、より低く均一な逆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セルが同じ遮光耐性を持つ」とは単純に言えません。より正確な表現は次のとおりです：
適切に設計されたBCセルは、そのインターカジット型裏面PN接合構造を利用して、より低く均一な逆降伏を実現し、それによって遮光耐性と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、日陰下でのBCセルの利点は主に以下の通りです：
外部バイパスダイオードが導通する前の小面積日陰下でのモジュール発電損失が小さいこと；
局所電力密度が低いこと；
ホットスポット温度が低いこと；
モジュールの安全マージンが高いこと。
モジュール応用への影響
これはモジュールの応用にとって何を意味するのでしょうか？
実際の使用では、日陰を完全に避けることはしばしばできません。
特に分散型シナリオでは、例えば：
住宅用屋根；
商業・工業用屋根；
バルコニー太陽光発電；
BIPV；
多方向設置；
複雑な建物に囲まれたサイト。
これらの用途では、モジュールは頻繁に局所的な日陰に直面する可能性があります。
セルの日陰耐性が良く、ホットスポット温度が低い場合、それは次のことを意味します：
モジュールの安全性が向上：ホットスポット温度が低いと、封止材の劣化、バックシートの損傷、局所的なガラス応力、電気的リスクが軽減されます。
長期的な信頼性が向上：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、モジュールは時間経過とともに安定します。
発電損失の制御が容易：局所的な日陰が避けられない場合、BCモジュールは電力損失の一部を軽減できます。
システム設計がより親しみやすくなります。
BCモジュールは複雑な屋根、分散型設置環境、多様な日陰シナリオに適応しやすくなります。
まとめ
まとめ
BCセルが優れた日陰耐性と低いホットスポット温度を提供するのは、「日陰の影響を受けない」からではなく、構造と逆バイアス挙動において利点があるからです。
日陰下では、通常のセル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セルの交差指状背面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。日陰下では、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させることができ、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、留意すべき点として、BCセルは影の影響を完全に受けないわけではありません。影の面積が大きすぎて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導通します。その時点で、バイパスされたサブストリングの出力は顕著に低下します。
したがって、より正確な言い方をすると：
BCセルの利点は影の影響を排除することではなく、その影響をより制御しやすくすることです。小面積の影では電力損失を低減し、強い影ではホットスポットのリスクを低減します。
これが、BCセルが複雑な影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、影耐性はセルの設計選択だけでなく、そのインター�ーデジテーテッド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ことです。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ずれが、先ほど説明した逆降伏挙動を変える可能性があり、そのためBCモジュールラインでのプロセス管理はセルのレシピと同じくらい重要です。Ooitechは、TOPCon、HPBC、ABC、その他のBCタイプのモジュール向けのターンキーモジュール生産ラインの構築に長年携わっており、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実際に工場でどのように製造されるかを見たい場合は、当社のYouTubeチャンネル www.youtube.com/ooitech には、実際の生産ラインの映像が多数あり、ご覧になる価値があります。
