BC太陽電池が影に強く、ホットスポットを低減する理由
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。
木陰、電柱、ほこり、鳥の糞、雪、さらにはわずかに不均一なモジュール設置角度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、影がある場合のホットスポット温度も低く保たれます。
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セルにこの利点があるのでしょうか？その背後にある物理的原理は何でしょうか？
比較的簡単な言葉で説明してみましょう。
なぜ影がホットスポットを引き起こすのか
なぜ影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性があります： 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決まります。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なります。
しかし、1つのセルが影になると、そのセルが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、他の影になっ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、そのセルは電源ではなくなり、電力消費体になります。
部分的な影の場合、影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。影になっていない領域は依然として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ばれます：
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表せます：
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch
つまり：
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)
この式は重要なことを示しています： 同じストリング電流でも、逆電圧が高いほど、影になったセルが消費する電力が大きくなり、ホットスポットが高温になります。
したがって、ホットスポットに耐えるための鍵の1つは：
影になったセルの逆電圧を下げ、発熱をより均一にすることです。
これこそがBCセルが優れている点です。
BCセルの構造的な違い
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、表裏電極構造を使用します。
簡単に言うと：
表面には細かいグリッド線とバスバーがあり、光は表面から入射します；
セル内部で電流が生成され、表面と裏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1つあります：
正極と負極の両方がセルの裏面にあり、表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：
表面にグリッド線による影がなく、受光面積が増加します；
裏面電極をインターデジタル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、短く高濃度にドープされた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のように振る舞うのではなく、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方向導通経路を形成できます。
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方向降伏を起こすことができます。
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、これはリーク電流やシャント抵抗と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なく、特定のセル構造、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、製造プロセスに密接に関連しています。
BCセルが影で損失する電力が少ない理由
なぜBCセルは影になった後、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、通常、ストリングの一部に並列にバイパスダイオードが配置されます。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なるわけではなく、受動的なデバイスです。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合計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。
オン条件は次のように表せます：
Vsubstring ≤ -Vf
Vsubstringはバイパスダイオードで保護されたサブストリングの合計電圧です；
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、その合計電圧は次のように理解できます：
Vsubstring = ∑Vunshaded + ∑Vshaded
ここで：
影になっていないセルは依然として順方向電圧を生成します；
網掛けされたセルは逆バイアスされ、負の電圧を発生します。
バイパスダイオードの導通条件は次のように読み取れます：
∣∑V網掛け∣ ≥ ∑V非網掛け + Vf
言い換えると：
網掛けされたセルの総逆電圧が、残りの非網掛け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るまで、バイパスダイオードは導通しません。
BCモジュールの利点は、外部バイパスダイオードが導通する前に、BCセル自体のインターデジット型裏面PN接合構造がすでにある程度の分散逆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ット型裏面PN接合が低電圧で分散逆導通を形成し、逆電圧のさらなる上昇を制限します。そのため、部分的な影がある場合、外部バイパスダイオードがまだ導通していないときでも、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つのセルが影になったモジュールの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
耐性が高いことは影に影響されないことを意味しない
影耐性が高いことは、BCセルが影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。
影耐性が高いことは、BCセルが影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、影になると発電量が減少します。
1つのサブストリング内の影の面積が大きくなりすぎたり、複数のセルが完全に影になると、影になったセルの総逆電圧が最終的に残りの非影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影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、影の面積が大きい場合、BCモジュールの発電利点も弱まります。
BCモジュールが真価を発揮するシナリオは通常次の通りです：
1つまたは少数のセルが部分的に影になる場合；
各サブストリング内の影の領域は小さく保たれます。
影は斜め、帯状、または局所的に散在しています。
外部バイパスダイオードは完全にオンになっていません。
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を低温化する理由
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モジュールがホットスポットを低温化する理由は主に2つあります。
第一に、逆電流がより広がりやすいこと
通常のセルでは、逆電流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。
これらのスポット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；
ピンポイントのスポット。
後者の方が確実に早く加熱します。
したがって、影下での通常のセルのリスクは「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セルは裏面に多数のインターデジテート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、逆降伏電圧が低いこと
ホットスポットの電力式から：
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、影のシナリオにおいて保護機構として実際に機能することができます。
簡単な例を示します。
例えば、ストリング電流が10Aで、1つのセルが大きく影になっているとします。
通常のセルが影になった後、逆電圧が15Vに達した場合、そのセルが消費する電力はおおよそ次のようになります：
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に制限された場合、そのセルが消費する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、試験方法に依存するため、単一の固定数値で判断することはできません。
しかし、実際の試験や現場での経験では、BCモジュールは通常、従来のモジュール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以下に抑えることができますが、他のモジュールタイプでは160°C以上に達する場合があります。
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に下げることができ、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。
低い逆降伏電圧は常に良いのか
低い逆降伏電圧は常に良いのでしょうか？
必ずしもそうではありません。
低い逆降伏電圧は、影になったとき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だと、漏れ電流が増加し、シャント抵抗が低下し、セルの通常の発電性能に悪影響を及ぼします。
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：
通常動作時は、高効率、低漏れ電流、高シャント抵抗を維持すること；
影による逆バイアス下では、より低い電圧で安全かつ均一な逆導通を形成すること。
これが、異なるBCセル間で影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、より強力な絶縁を構築するため、逆降伏電圧が高くなります。他のセルは影耐性を重視し、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セルは同じ影耐性を持つ」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�ジタテッドバックPN接合構造を利用して、より低く均一な逆降伏を実現し、シェーディングやホットスポット耐性を向上させます。
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、シェーディング下での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シェーディング下でのモジュール発電損失の低減；
より低い局所電力密度；
より低いホットスポット温度；
より高いモジュール安全マージン。
モジュールアプリケーションにとっての意味
これはモジュールアプリケーションにとって何を意味するのでしょうか？
実際の使用では、シェーディングを完全に避けることはできません。
特に分散型シナリオでは、以下のような場合があります：
住宅用屋根；
商業・産業用屋根；
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。
これらのアプリケーションでは、モジュールが頻繁に局所的なシェーディングに直面する可能性があります。
セルのシェーディング耐性が高く、ホットスポット温度が低い場合、それは以下のことを意味します：
より優れたモジュール安全性：低いホットスポット温度により、封止材の劣化、バックシートの損傷、局所的なガラス応力、および電気的リスクが低減されます。
より優れた長期信頼性：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、モジュールは時間の経過とともに安定します。
より制御可能な発電損失：局所的なシェーディング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。
より親しみ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、および複数のシェーディングシナリオに適応しやすくなります。
まとめ
まとめ
BCセルが優れたシェーディング耐性と低いホットスポット温度を提供するのは、「シェーディングの影響を受けない」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。
シェーディング下では、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、分散型の内蔵逆方向クランプのように機能します。部分的な影がある場合、より低い逆電圧で逆方向導通を形成し、逆電流をより均等に分散させるため、ホットスポットの電力と温度の両方を低減します。
ただし、BCセルが影に対して完全に耐性があるわけではないことに注意してください。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可能にすることです。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、影耐性はセル設計の選択だけでなく、その交差指状背面パターンがライン上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変動が、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るため、BCモジュールラインにおけるプロセス制御はセルのレシピと同じくらい重要です。Ooitechは、TOPCon、HPBC、ABC、およびその他のBCタイプモジュールのターンキーモジュール生産ラインを構築してきた長年の経験があり、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ご覧になりたい場合は、当社のYouTubeチャンネル（ www.youtube.com/ooitech ）に実際の生産ラインの映像が多数ありますので、ぜひご覧ください。
