BC太陽電池が優れた耐影性と低いホットスポット温度を実現する理由とは？

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日陰は実際のPV設置において最も一般的な問題の一つです。

木の影、電柱、ほこり、鳥の糞、雪、さらには不均一な設置角度も部分的な日陰を引き起こす可能性があります。日陰はモジュールの出力を減らすだけでなく、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.

最近、BC太陽電池は分散型屋根、バルコニーPV、プレミアムモジュールで大きな注目を集めています。大きな理由の一つは： BCセルは通常、日陰に対してより優れた耐性を持ち、日陰時のホットスポット温度が低くなります。

SNECでは、ベンダーがセルの一部を日陰にして、水ポンプがどれだけ高く噴き上げるかを見てBC製品の耐日陰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？

平易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のはなぜですか？

PVモジュール内のセルは通常、直列に配線されています。

直列回路には重要な特性があります： 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直列ループによって一緒に決まります。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て動作します。

しかし、1つのセルが日陰になると、生成できる光電流が低下します。ストリングがまだ大きな電流を流す必要がある場合、その日陰のセルは他の日陰でないセルによって逆バイアスに強制される可能性があります。その時点で、それは発電機ではなくなり、電力を消費する要素になります。

部分的な日陰の場合、日陰のセルは完全に死んでいるわけではありません。日陰でない部分はまだ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流れる必要があるのは、ストリング全体の電流ではなく、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。

この差を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、ホットスポットの加熱電力はおおよそ次のように書けます：

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

つまり：

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)

この式は重要な問題を指し示しています： 同じストリング電流の場合、逆電圧が高いほど、遮光されたセルが消費する電力が大きくなり、ホットスポットが高温になります。

したがって、ホットスポット対策の鍵は次のとおりです。

遮光されたセルの逆電圧を下げ、熱をより均一に分散させる方法。

これはまさにBCセルが優れている点です。

BCセルは、通常のセルと構造的にどのように異なるのですか？

通常の結晶シリコンセルは、通常、表面と裏面のコンタクト構造を持っています。

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。

• セル内部で生成された電流は、表面と裏面の電極によって収集されます。

BCセル（Back Contact）には、決定的な特徴が1つあります：

正極と負極の両方がセルの裏面に配置され、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もたらされます：

1. 表面にグリッド線による遮光がないため、受光面積が大きくなります。

2. 裏面電極を交互配置にできるため、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、多数の交互配置されたp領域とn領域があります。これらの領域の間には、多数の短く高濃度ドープされたPN接合があります。回路の観点から見ると、もはや1つ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ものとして動作します。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。

同時に、これらの裏面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を開始できます。

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得やすくなります。ただし、これによりリーク電流やシャント抵抗のトレードオフが生じる可能性もあります。したがって、BCセルの耐遮光性は固定値ではなく、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モジュールは、遮光後の出力損失がなぜ少ないのですか？

モジュールが部分的に遮光されると、遮光されたセルはストリング電流によって逆バイアスに押し込まれます。遮光が悪化するにつれて、そのストリングセクションの総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、ストリングの一部に並列に配線されます。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わけではありません。これは受動デバイスです。導通するかどうかは、その両端の電圧にのみ依存します。そのストリング部分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。

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

Vsubstringは、バイパスダイオードによって保護されるストリング部分の合計電圧です。

Vfはバイパスダイオードの順方向電圧降下です。

ストリング部分について、その合計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：

• 遮光されていないセルは依然として正の電圧を生成します；

• 遮光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：

∣∑V影∣ ≥ ∑V非影 + Vf

言い換えれば：

バイパスダイオードが作動する前に、遮光されたセルの逆電圧の合計が、残りの遮光されていないセルの順方向電圧の合計にバイパスダイオードのターンオン電圧降下を加えたものを超える必要があります。

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セル自身の背面インター�ジデジテッドPN接合構造がすでにいくつかの分散逆導通を提供することです。これはセル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セルの背面のインター�ジデジテッドPN接合構造は、より低い電圧で分散逆導通を形成でき、逆電圧が上昇する範囲を制限します。したがって、部分的な遮光下で、外部バイパスダイオードがまだトリガーされていない場合、BCモジュールはかなり高い出力電力を維持できます。

図2 1つのセルが遮光されたときのモジュールの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

優れた遮光耐性は遮光に免疫があることを意味しない

よくある誤解を解消する必要があります。

BCセルは遮光に対してより耐性がありますが、それは遮光がそれらに影響を与えないという意味ではありません。

どのPVセルも、遮光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遮光領域が大きすぎる場合、または複数のセルが完全に遮光されている場合、遮光されたセルの合計逆電圧は最終的に残りの遮光されていないセルの合計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、電流はこのストリング全体を迂回します。このサブストリング内の遮光されていないセルは、遮光されたセルと一緒にバイパスされ、出力への寄与は著しく低下します。したがって、遮光領域が大きい場合、BCモジュールの発電利点も弱まります。

BCモジュールは次の場合に優位に立つ傾向があります：

• 単一セルまたは少数のセルが部分的に影になっている場合；

• 各サブストリング内の影の面積が小さい場合；

• 影が斜め、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モジュールは通常、より優れた耐影発電性能を示します。

BCモジュールがホットスポットで低温になるのはなぜですか？

BCモジュールのホットスポット温度が低い主な理由は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、逆電流分布が不均一になることがよくあります。逆降伏は局所的な弱点で最初に発生する傾向があり、例えば：

• 局所的な欠陥部位；

• セルエッジ；

• 異常なメタライゼーション領域；

• 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、明らかなホットスポットが形成されます。

同じ熱量で2つの物体を加熱するようなものです：

• 金属板全体；

• 針先サイズの点。

後者の方が速く加熱されるのは間違いありません。

したがって、通常のセルの影によるリスクは「セル全体が均一に加熱される」ことではなく、 激し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、多くの領域に容易に広がることができます。

したがって、BCセルの逆電流分布はより均一で、局所的な電力密度は低く、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もわかります：

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

同じミスマッチ電流で、逆電圧が低いほど、発熱電力は少なくなります。

そのため、低い逆降伏電圧は影の下での保護メカニズムとして機能することができます。

簡単な例を示します。

モジュールのストリング電流が10Aで、1つのセルがひどく影になっているとします。

通常のセルが影の後に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セルが背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、消費される電力はおよそ次の通りです：

P = 6V × 10A = 60W

その差は顕著です。

もちろん、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、ガラスのサイズ、セルの設計、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。

それでも、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ホットスポットが低温で動作します。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以上に達する場合があります。

特別に設計された一部のBCセルは、「内蔵バイパスダイオード」のようなものを実現し、ホットスポット温度を約90°Cに抑える一方、参照モジュールは約190°Cに達します。これは、こ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でしょうか？

必ずしもそうとは限りません。

低い逆降伏電圧は、影の下で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もたらす可能性があります。

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：

1. 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します。

2. 影による逆バイアス下では、低電圧で安全で均一な逆導通を形成します。

そのため、BCセルによって影の性能が異なる理由でもあります。

一部のBCセルは効率を重視するため、より強く分離し、逆降伏電圧が高くなる場合があります。他のセルは影耐性を重視するため、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セルが同じように影を許容する」とは言えません。より正確な表現は次の通りです：

適切に設計されたBCセルは、背面の交差指状PN接合構造を通じて、より低く均一な逆降伏を実現でき、影とホットスポットの耐性を向上させます。

BCセルの利点のまとめ

まとめると、BCセルの影の下での利点は主に次の通りです：

• 外部バイパスダイオードが導通する前の小面積の影でのモジュール電力損失が少ない。

• 局所的な電力密度が低い。

• ホットスポット温度が低い。

• モジュールの安全マージンが高い。

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？

実際には、影を完全に避けることはできないことがよくあります。

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；

• 周辺建物が複雑なサイト。

これらの用途では、モジュールが部分的な日陰になることがよくあります。

セルが日陰に強く、ホットスポットでより低温で動作する場合、それは次のことを意味します：

• モジュールの安全性向上：ホットスポット温度の低下により、封止材の劣化、バックシートの損傷、ガラスへの局所的な応力、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。

• 発電損失の制御性向上：部分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。

• システム設計に優しい

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

BCセルは日陰に強く、ホットスポットでより低温で動作しますが、主な理由は「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利点があるからです。

通常のセルが日陰になると、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セルの背面交差指状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ため、ホットスポット電力とホットスポット温度が低下します。

ただし、BCセルが完全に日陰に強いわけではないことに注意してください。日陰領域が大きすぎる場合、複数のセルが完全に日陰になり、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顕著に低下します。

より正確には：

BCセルの利点は日陰の影響を排除することではなく、より制御可能にすることです。小面積の日陰では電力損失を削減でき、強い日陰ではホットスポットのリスクを低減できます。

これが、BCセルが複雑な日陰環境で優れている根本的な理由です。

Ooitechの見解

ここで本当に注目すべきは、BCの日陰耐性の利点がバックコンタクトのメタライゼーション工程にあり、特別な材料にあるわけではないということです。つまり、モジュールラインは、低く均一な逆降伏を実際に得るために、交差指状パターンの厳しい公差を満たす必要があります。生産ラインでは、同じ物理現象がELテストとホットスポットテストで確認されており、不均一な背面パターニングは、モジュールが影を見るずっと前に散在する降伏点として現れます。セルと完成モジュールの間で何が起こるかについてのこのような分析が気に入ったら、当社のYouTubeチャンネル www.youtube.com/ooitech で実際の太陽光発電工場の内部をさらにご覧いただけます。