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
製品紹介
影は実際のPV設置で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などが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.
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： BCセルは通常、影に対する耐性が優れており、影の下で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影で覆い、水ポンプがどれだけ高く水を噴射できるかを見せて、BC製品の影耐性を披露することがよくあります。
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は何ですか？
わかりやすい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でしょうか？
PVモジュール内のセルは通常、直列に配線されています。
直列回路には一つの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、一貫した動作をします。
しかし、一つのセルが影になると、そのセルが生成できる光電流が減少します。ストリングがまだ大きな電流を流そうとすると、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を強制される可能性があります。その時点で、そのセルは発電機ではなくなり、電力を消費する要素に変わります。
部分的な影の場合、影になったセルは完全に死んでいるわけではありません。影になっていない部分はまだ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表せます。
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch
つまり：
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)
この式は重要な問題を示しています。 同じストリング電流では、逆電圧が高いほど、影になったセルが消費する電力が大きくなり、ホットスポットがより高温になります。
したがって、ホットスポット対策の鍵の一つは次のとおりです。
影になったセルの逆電圧を下げ、熱をより均等に分散させる方法。
これこそがBCセルが優れている点です。
BCセルは構造的に通常のセルとどのように異なりますか？
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、次のような決定的な特徴があります。
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、受光面積が大きくなります。
裏面電極をインターデジタル状に配置できるため、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、多数の交互に配置されたp型とn型の領域があります。これらの領域の間には、多数の短く高濃度にドープされた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のように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。
同時に、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得やすくなります。しかし、それはリーク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、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。
なぜBCモジュールは影になった後、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、影になっ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。影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、ストリングのセクション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なるわけではありません。受動デバイスであり、導通するかどうかはその両端の電圧にのみ依存します。そのストリングセクション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。
オン条件は次のように表せます：
Vsubstring ≤ -Vf
Vサブストリングは、バイパスダイオードで保護されるストリングセクションの総電圧です。
Vfはバイパスダイオードの順方向電圧降下です。
ストリングセクションの場合、その総電圧は次のように理解できます：
Vsubstring = ∑Vunshaded + ∑Vshaded
ここで：
影になっていないセルは正の電圧を生成します。
影になっ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：
影になったセルの逆電圧の合計が、残りの影になっ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と、バイパスダイオードが作動します。
BCモジュールの利点は、外部バイパスダイオードがオンになる前に、BCセル自身の背面インターデジテートPN接合構造がすでに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デジテートPN接合構造が低い電圧で分散逆導通を形成し、逆電圧の上昇を制限します。そのため、部分的な影の状態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でも、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つのセルが影になっ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
耐影性が優れていても、影の影響を受けないわけではない
よくある誤解を解消する必要があります。
BCセルは影に対する耐性が優れていますが、影がセルに影響を与えないという意味ではありません。
日陰になると、どの太陽電池も発電量が低下します。
1つのサブストリング内の日陰領域が大きすぎる場合、または複数のセルが完全に日陰になると、日陰になったセルの逆方向電圧の合計が、残りの日陰になっていないセルの順方向電圧の合計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セクション全体を迂回します。このサブストリング内の日陰になっていないセルも日陰のセルと一緒にバイパスされ、出力への寄与が著しく低下します。そのため、日陰領域が大きい場合、BCモジュールの発電アドバンテージも弱まります。
BCモジュールは以下の場合に優位性を発揮する傾向があります：
単一または少数のセルが部分的に日陰になっている場合；
各サブストリング内の日陰領域が小さい場合；
日陰が斜め、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オンになっていない場合。
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日陰領域しか残さない場合、BCモジュールは通常、より優れた耐日陰発電を示します。
なぜBCモジュールはホットスポットで低温になるのですか？
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、逆電流がより広がりやすいこと
通常のセルでは、逆方向電流の分布が不均一になることがよくあります。逆方向降伏は、以下のような局所的な弱点で最初に発生する傾向があります：
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。
これらのスポットは弱点のように機能します。
逆方向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；
ピンポイントサイズの点。
後者の方が速く加熱されることは間違いありません。
したがって、通常のセルの日陰下でのリスクは「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。逆方向導通は、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セルの逆方向電流分布はより均一で、局所的な電力密度は低くなり、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
これはホットスポット電力の式からわかります：
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch
同じミスマッチ電流の場合、逆方向電圧が低いほど、発熱電力は小さくなります。
そのため、低い逆方向降伏電圧は、日陰下での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。
モジュールのストリング電流が10Aで、1つのセルが強く日陰になっているとします。
通常のセルが日陰後に15Vの逆方向電圧に達した場合、消費する電力は約：
P = 15V × 10A = 150W
BCセルがその背面構造によりクランプし、逆方向電圧が約6Vに制限された場合、消費する電力は約：
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、日陰面積、周囲温度、風速、モジュール封止、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。
それでも、実際のテストや現場経験では、BCモジュールは通常、従来のもの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に下げる一方、参照モジュールは約190°Cになります。これは、この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。
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。
低い逆方向降伏電圧は、日陰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し、
日陰による逆バイアス下では、低電圧で安全で均一な逆方向導通を形成します。
これが、BCセルによって日陰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、より強く絶縁し、結果として高い逆方向降伏電圧になります。他のセルは日陰耐性を重視するため、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セルは同じように日陰に耐える」とは言えません。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、裏面インター�ジタテッドPN接合構造により、より低く均一な逆降伏を実現し、遮光耐性と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
まとめると、BCセルの遮光下で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遮光下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？
実際には、遮光を完全に避けられないことがよくあります。
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。
周囲に複雑な建物があるサイト。
これらの用途では、モジュールが部分的に遮光されることがよくあります。
セルが遮光に強く、ホットスポットでの温度上昇が低い場合、それは以下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が低いため、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。
発電損失の制御性向上：部分的な遮光が避けられない場合でも、BCモジュールは電力損失の一部を軽減できます。
システム設計の容易さ
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
BCセルが遮光に強く、ホットスポットでの温度上昇が低い主な理由は、「遮光の影響を受けない」からではなく、構造と逆バイアス動作に利点があるからです。
通常のセルが遮光されると、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セルの裏面インター�ジタテッド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。遮光下では、より低い逆電圧で逆導通を形成し、逆電流をより均一に分散させるため、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セルが完全に遮光に強いわけではないことに注意してください。遮光面積が大きすぎる場合、複数のセルが完全に遮光され、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、より正確には次のようになります。
BCセルの利点は影の影響をなくすことではなく、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、強い影ではホットスポットのリスクを低減できます。
これが、BCセルが複雑な影環境で優れた性能を発揮する根本的な理由です。
Ooitechの見解
ここで注目すべきは、BCの影に対する優位性は特別な材料ではなく、裏面コンタクトの金属化工程に由来する点です。つまり、モジュール製造ラインでは、低く均一な逆降伏電圧を実現するために、インターデジテートパターンの厳しい公差を満たす必要があります。実際の生産ラインでは、EL試験やホットスポット試験で同じ物理現象が確認されており、不均一な裏面パターニングは、モジュールが影を受けるずっと前に、散在する降伏点として現れます。このようなセルから完成モジュールまでの内部動作の詳細な分析にご興味があれば、当社のYouTubeチャンネル（ www.youtube.com/ooitech ）では、実際の太陽光発電工場の内部をご紹介しています。
