Kwa Nini Seli za Jua za BC Zinatoa Uvumilivu Bora wa Kivuli na Joto la Chini la Hot-Spot?

Utangulizi wa Bidhaa

Kivuli ni mojawapo ya matatizo ya kawaida katika usakinishaji halisi wa PV.

Vivuli vya miti, nguzo za umeme, vumbi, kinyesi cha ndege, theluji, hata pembe zisizo sawa za kuweka zinaweza kusababisha kivuli cha sehemu. Kivuli hakikatizi tu pato la moduli, kinaweza pia kusababisha tatizo kubwa zaidi: sehemu za moto.

Hivi karibuni seli za jua za BC zimevutia umakini mkubwa katika paa za usambazaji, PV za balcony, na moduli za kifahari. Sababu moja kubwa: Seli za BC kwa kawaida hushughulikia kivuli vizuri zaidi, na hupata joto la chini la eneo la moto chini ya kivuli.

Katika SNEC, mara nyingi huona wauzaji wakifunika sehemu ya seli na kisha kuonyesha uvumilivu wa kivuli wa bidhaa zao za BC kwa kuangalia jinsi pampu ya maji inavyoweza kunyunyiza juu.

Kwa hivyo kwa nini seli za BC zina faida hii? Fizikia nyuma yake ni ipi?

Hebu tujaribu kuielezea kwa lugha rahisi.

Kwa nini kivuli husababisha sehemu za moto?

Seli katika moduli ya PV kwa kawaida huunganishwa kwa mfululizo.

Mizunguko ya mfululizo ina sifa moja muhimu: mkondo lazima uwe sawa kila mahali.

Hiyo inamaanisha kwamba mkondo kupitia mfululizo mzima huwekwa na kitanzi cha mfululizo pamoja. Wakati kila seli inapata mwanga kamili, kila moja huzalisha nishati na zote hufanya kazi kwa uthabiti.

Lakini ikiwa seli moja inafunikwa na kivuli, mkondo wa picha unaozalishwa unapungua. Ikiwa mfululizo bado unahitaji kusukuma mkondo mkubwa kupitia, seli hiyo iliyofunikwa inaweza kulazimishwa kuwa katika hali ya kinyume na seli zingine zisizofunikwa. Wakati huo inaacha kuwa jenereta na inageuka kuwa kipengele kinachotumia nishati.

Kwa kivuli cha sehemu, seli iliyofunikwa haijafa kabisa. Sehemu isiyofunikwa bado inazalisha mkondo wa picha. Kwa hivyo kile kinachopaswa kupita kupitia njia ya kuvunjika kinyume, njia ya kuvuja, au njia ya kupita si mkondo kamili wa mfululizo, bali tofauti kati ya mkondo wa mfululizo na mkondo ambao seli hiyo bado inaweza kuzalisha.

Tunaweza kuiita tofauti hii mkondo wa kutolingana:

Imismatch = Istring - Igenerate

Kwa hivyo nguvu ya joto ya eneo la moto inaweza kuandikwa takriban kama:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

ambayo ni:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)

Fomula hii inaonyesha suala muhimu: kwa mkondo wa kamba sawa, kadri voltage ya nyuma inavyokuwa juu, ndivyo nguvu zaidi kiini kilichofunikwa kinachoma, na ndivyo eneo la moto linavyozidi kuwa moto.

Kwa hiyo ufunguo mmoja wa kupambana na maeneo ya moto ni:

jinsi ya kupunguza voltage ya nyuma kwenye kiini kilichofunikwa, na kueneza joto sawasawa zaidi.

Hapa ndipo seli za BC zinapong'aa.

Je, kiini cha BC kinatofautianaje kimuundo na kiini cha kawaida?

Kiini cha kawaida cha silicon ya fuwele kwa kawaida kina muundo wa mawasiliano ya mbele-na-nyuma.

Kwa ufupi:

• mbele ina mistari nyembamba na busbars, na mwanga huingia kutoka mbele;

• mkondo, ukishazalishwa ndani ya kiini, hukusanywa na electrodes za mbele na nyuma.

Kiini cha BC, maana yake Back Contact, kina kipengele kimoja kinachofafanua:

electrodes chanya na hasi zote ziko nyuma ya kiini, na mbele haina mistari ya chuma.

Hiyo inaleta faida mbili za moja kwa moja:

1. hakuna kivuli cha mistari mbele, kwa hiyo eneo kubwa la kupokea mwanga;

2. electrodes za nyuma zinaweza kufanywa kuingiliana, kwa hiyo ukusanyaji wa mkondo ni sawasawa zaidi.

Kielelezo 1 Mchoro wa muundo wa kiini cha BC

Chanzo: 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

Nyuma ya kiini cha BC kuna maeneo mengi ya p na n yaliyopishana. Kati ya maeneo haya kuna viungo vingi vifupi vya PN vilivyopakwa doping nyingi. Kwa mtazamo wa mzunguko, haifanyi kazi tena kama diode moja kubwa, bali kama diode nyingi ndogo zinazofanana. Chini ya bias ya nyuma, viungo hivi vya PN vilivyosambazwa vinaweza kuunda njia ya upitishaji ya nyuma iliyosawazishwa zaidi.

Wakati huo huo, kwa sababu viungo hivi vya PN vya nyuma ni vifupi na vimepakwa doping nyingi kwa ndani, vinaweza kuingia katika kuvunjika kwa nyuma kwa voltage ya chini kiasi.

Bila shaka, hii inategemea vigezo maalum vya muundo wa seli ya BC.

Kwa mfano, kadri pengo kati ya maeneo ya p na n linavyokuwa ndogo, ndivyo uwanja wa ndani unavyokuwa na nguvu, na kwa kawaida ni rahisi kupata voltage ya chini ya kuvunjika kwa nyuma. Lakini hiyo inaweza pia kuleta ubadilishanaji katika uvujaji na upinzani wa shunt. Kwa hiyo uvumilivu wa kivuli wa kiini cha BC sio namba isiyobadilika, unahusishwa kwa karibu na muundo wa kiini, muundo wa mchoro wa nyuma, ukubwa wa pengo, mkusanyiko wa doping, ubora wa passivation, na mchakato wa utengenezaji.

Kwa nini moduli za BC hupoteza nguvu kidogo baada ya kufunikwa?

Wakati moduli inafunikwa kwa sehemu, kiini kilichofunikwa kinasukuma kwenye bias ya nyuma na mkondo wa kamba. Kadri kufunikwa kunavyozidi kuwa mbaya, jumla ya voltage ya sehemu hiyo ya kamba inaendelea kushuka.

Katika moduli za kawaida, diode ya kupitisha kwa kawaida huunganishwa sambamba na sehemu ya mnyororo. Diode ya kupitisha haiwashwi kikamilifu na kidhibiti. Ni kifaa kisicho na nguvu. Ikiwa inapitisha umeme inategemea tu voltage iliyopo juu yake. Wakati voltage ya jumla ya sehemu hiyo ya mnyororo inakuwa hasi vya kutosha, diode ya kupitisha inaelekezwa mbele na kuwasha yenyewe.

Hali ya kuwasha inaweza kuandikwa kama:

Vsubstring ≤ -Vf

Vsubstring ni voltage ya jumla ya sehemu ya mnyororo inayolindwa na diode ya kupitisha;

Vf ni kushuka kwa voltage ya mbele ya diode ya bypass.

Kwa sehemu ya mnyororo, voltage yake ya jumla inaweza kueleweka kama:

Vsubstring = ∑Vunshaded + ∑Vshaded

ambapo:

• seli zisizo na kivuli bado huzalisha voltage chanya;

• seli zilizo na kivuli zinaelekezwa nyuma na huzalisha voltage hasi.

Hali ya kuwasha ya diode ya bypass inaweza kusomwa kama:

∣∑Vshaded∣ ≥ ∑Vunshaded + Vf

Kwa maneno mengine:

jumla ya voltages hasi za seli zilizo na kivuli lazima izidi jumla ya voltages chanya za seli zilizobaki zisizo na kivuli, pamoja na kushuka kwa voltage ya kuwasha ya diode ya kupitisha, kabla ya diode ya kupitisha kuanza kufanya kazi.

Faida ya moduli ya BC ni kwamba, kabla ya diode ya nje ya kupitisha kuwasha, muundo wa PN junction wa nyuma wa seli ya BC tayari hutoa upitishaji wa nyuma uliosambazwa. Hii inafanana kidogo na diode ya zener iliyojengwa ndani ya seli.

Chini ya voltage hasi ya nyuma, muundo wa PN junction wa nyuma wa seli ya BC unaweza kuunda upitishaji wa nyuma uliosambazwa kwa voltage ya chini, ambayo inazuia voltage hasi kupanda zaidi. Kwa hiyo, chini ya kivuli cha sehemu, wakati diode ya nje ya kupitisha haijawashwa, moduli ya BC bado inaweza kushikilia nguvu ya pato ya juu kiasi.

Kielelezo 2 Mviringo wa IV wa moduli wakati seli moja ina kivuli.

Chanzo: E. Özkalay, F. Valoti, M. Caccivio, A. Virtuani, G. Friesen, na C. Ballif, "Athari ya kivuli cha sehemu kwenye kuegemea kwa moduli za photovoltaic katika mazingira yaliyojengwa," EPJ Photovoltaics, vol. 15, p. 7, Jan. 2024, doi: 10.1051/epjpv/2024001. Inapatikana: https://doi.org/10.1051/epjpv/2024001

Uvumilivu bora wa kivuli haumaanishi kinga dhidi ya kivuli

Kuna kutokuelewana kwa kawaida kunahitaji kufafanuliwa.

Seli za BC huvumilia kivuli vizuri, lakini hiyo haimaanishi kwamba kivuli hakina athari kwao.

Seli yoyote ya PV itazalisha nguvu kidogo mara tu inapokuwa na kivuli.

Ikiwa eneo lenye kivuli ndani ya substring moja ni kubwa sana, au seli kadhaa zimefunikwa kabisa, basi voltage hasi ya jumla ya seli zilizo na kivuli inaweza hatimaye kuzidi voltage chanya ya jumla ya seli zilizobaki zisizo na kivuli. Wakati huo diode ya nje ya kupitisha inawasha.

Mara tu diode ya kupitisha inapowasha, mkondo hupita kuzunguka sehemu hii yote ya mnyororo. Seli zisizo na kivuli katika substring hii zinapitiwa pamoja na zile zilizo na kivuli, na mchango wao kwa pato hupungua kwa kiasi kikubwa. Kwa hiyo wakati eneo lenye kivuli ni kubwa, faida ya uzalishaji wa moduli ya BC pia inapungua.

Moduli za BC huwa na faida wakati:

• seli moja au seli chache zimefunikwa kwa kivuli kwa sehemu;

• eneo lenye kivuli ndani ya kila kikundi kidogo ni dogo;

• kivuli ni cha mshazari, kama kamba, au kimetawanyika mahali;

• diodi ya nje ya bypass haijawasha kikamilifu.

Kwa mfano, kivuli cha mshazari kutoka kwa nguzo ya umeme kinaweza kuacha kila kikundi kidogo na eneo dogo tu lenye kivuli. Katika hali hiyo, moduli ya BC kwa kawaida huonyesha uzalishaji bora wa kustahimili kivuli.

Kwa nini moduli za BC hupata joto kidogo kwenye sehemu za moto?

Moduli za BC zina joto la chini kwenye sehemu za moto hasa kwa sababu mbili.

Kwanza, mkondo wa nyuma unaenea zaidi

Katika seli za kawaida, usambazaji wa mkondo wa kinyume mara nyingi hauna usawa. Kuvunjika kwa mkondo wa kinyume huwa hutokea kwanza kwenye sehemu dhaifu za ndani, kama vile:

• sehemu za kasoro za ndani;

• kingo za seli;

• sehemu zisizo za kawaida za metali;

• nyufa ndogo au sehemu zilizochafuliwa;

• sehemu zilizo na ulinzi dhaifu wa ndani.

Sehemu hizi hufanya kama pointi dhaifu.

Mara tu mkondo wa kinyume unapojilimbikizia kwenye sehemu hizi dhaifu, nguvu ya ndani kwa kila eneo inakuwa kubwa sana, joto hupanda haraka, na sehemu ya moto inayoonekana hutokea.

Ni kama kupasha joto vitu viwili kwa kiasi sawa cha joto:

• bamba zima la chuma;

• nukta ndogo kama kichwa cha sindano.

Ya pili hupata joto haraka, bila shaka.

Kwa hivyo hatari ya seli ya kawaida chini ya kivuli sio "kupashwa joto sawasawa kwenye seli nzima", ni kupashwa joto kwa nguvu kwenye sehemu ndogo ya mahali.

Seli ya BC ina viungo vingi vya PN vilivyopishana nyuma. Mkondo wa kinyume unaweza kuenea kwa urahisi katika maeneo mengi badala ya kujilimbikizia kwenye sehemu chache za kasoro.

Kwa hivyo usambazaji wa mkondo wa kinyume wa seli ya BC ni sawasawa zaidi, nguvu ya ndani kwa kila eneo ni ndogo, na joto la sehemu ya moto pia ni la chini.

Pili, voltage ya uvunjaji wa nyuma ni ya chini

Unaweza kuiona kutoka kwa fomula ya nguvu ya sehemu ya moto:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

Kwa mkondo sawa wa kutolingana, kadri voltage ya kinyume inavyokuwa ndogo, nguvu ya kupasha joto inakuwa ndogo.

Ndiyo maana voltage ya chini ya kuvunjika kwa kinyume inaweza kufanya kazi kama utaratibu wa ulinzi chini ya kivuli.

Hapa kuna mfano rahisi.

Tuseme mkondo wa mfululizo wa moduli ni 10A, na seli moja imefunikwa kwa kivuli vibaya.

Ikiwa seli ya kawaida itafikia voltage ya kinyume ya 15V baada ya kivuli, nguvu inayochoma ni takriban:

P = 15V × 10A = 150W

Ikiwa seli ya BC inabana kwa sababu ya muundo wake wa nyuma na voltage ya kinyume imepunguzwa hadi karibu 6V, nguvu inayochoma ni takriban:

P = 6V × 10A = 60W

Tofauti ni kubwa.

Bila shaka, halijoto halisi ya eneo la moto inategemea eneo lenye kivuli, halijoto ya mazingira, kasi ya upepo, ufungaji wa moduli, ukubwa wa glasi, muundo wa seli, na mbinu ya majaribio, kwa hivyo huwezi kuihukumu kwa nambari moja maalum.

Hata hivyo, katika majaribio halisi na uzoefu wa shambani, moduli za BC kwa kawaida huwa na halijoto ya chini kwenye maeneo ya moto kuliko zile za kawaida. Kwa mfano, baadhi ya moduli za BC zinaweza kuweka halijoto ya eneo la moto chini ya takriban 120 °C, wakati aina nyingine za moduli zinaweza kufikia 160 °C au hata zaidi.

Baadhi ya seli za BC zilizoundwa maalum hufikia kitu kama "diode ya kupita iliyojengewa ndani", kupunguza halijoto ya eneo la moto hadi karibu 90 °C wakati moduli ya kumbukumbu iko karibu 190 °C, ambayo inaonyesha muundo huu wa upitishaji wa kinyume uliosambazwa unaweza kupunguza halijoto ya eneo la moto kwa kiasi kikubwa.

Je, voltage ya chini ya kuvunjika kwa kinyume daima ni bora?

Si lazima.

Voltage ya chini ya kuvunjika kwa kinyume husaidia kupunguza halijoto ya eneo la moto chini ya kivuli, lakini inaweza kuleta mabadiliko ya muundo pia.

Ikiwa njia ya upitishaji wa kinyume haijabuniwa vizuri, inaweza kuongeza uvujaji na kupunguza upinzani wa shunt, jambo linalodhuru utendaji wa kawaida wa uzalishaji wa seli.

Kwa hivyo seli ya BC yenye ufanisi wa juu kwa kawaida inapaswa kusawazisha malengo mawili:

1. wakati wa operesheni ya kawaida, weka ufanisi wa juu, uvujaji mdogo, na upinzani wa juu wa shunt;

2. chini ya voltage ya kinyume kutokana na kivuli, tengeneza upitishaji wa kinyume salama na sawa kwa voltage ya chini.

Ndiyo maana seli tofauti za BC hutofautiana katika utendaji wa kivuli.

Baadhi ya seli za BC zinaelekea kwenye ufanisi, kwa hivyo zinaweza kujitenga zaidi na kuishia na voltage ya juu ya kuvunjika kwa kinyume. Nyingine zinaelekea kwenye uvumilivu wa kivuli, kwa hivyo zinaweza kubuni njia za chini na sawa za kuvunjika kwa kinyume.

Kwa hivyo huwezi kusema tu "seli zote za BC huvumilia kivuli sawa". Taarifa sahihi zaidi ni:

seli ya BC iliyoundwa vizuri inaweza kufikia kuvunjika kwa kinyume cha chini na sawa kupitia muundo wake wa nyuma wa PN junction, ambayo inaboresha uvumilivu wa kivuli na eneo la moto.

Muhtasari wa faida za seli za BC

Kwa kujumlisha, faida za seli ya BC chini ya kivuli kwa kiasi kikubwa ni pamoja na:

• upotevu mdogo wa nguvu ya moduli chini ya kivuli cha eneo dogo, kabla ya diode ya nje ya kupita kuwasha;

• wiani wa chini wa nguvu ya ndani;

• halijoto ya chini ya eneo la moto;

• kiwango cha juu cha usalama wa moduli.

Hii inamaanisha nini kwa matumizi ya moduli?

Kwa vitendo, kivuli mara nyingi hakiwezi kuepukwa kabisa.

Hasa katika hali za usambazaji, kama vile:

• paa za makazi;

• paa za biashara na viwanda;

• PV ya balcony;

• BIPV;

• uwekaji wa mwelekeo mbalimbali;

• maeneo yenye majengo magumu yanayozunguka.

Katika matumizi haya, moduli mara nyingi zinaweza kupata kivuli kidogo.

Ikiwa seli inastahimili kivuli vizuri na inaendesha baridi kwenye sehemu za moto, hiyo inamaanisha:

• Usalama bora wa moduli: joto la chini la sehemu ya moto hupunguza kuzeeka kwa encapsulant, uharibifu wa backsheet, mkazo wa kioo wa ndani, na hatari ya umeme.

• Kuegemea bora kwa muda mrefu: joto la juu la ndani huharakisha kuzeeka kwa nyenzo. Kadiri sehemu ya moto inavyokuwa dhaifu, ndivyo moduli inavyobaki imara kwa muda.

• Udhibiti zaidi wa upotezaji wa nguvu: wakati kivuli cha sehemu hakiepukiki, moduli ya BC inaweza kupunguza baadhi ya upotezaji wa nguvu.

• Muundo wa mfumo rafiki zaidi

Moduli za BC zinajiboresha vizuri kwa paa ngumu, mazingira ya ufungaji wa usambazaji, na hali za kivuli nyingi.

Kuhitimisha

Seli za BC hustahimili kivuli vizuri na huendesha baridi kwenye sehemu za moto, hasa si kwa sababu "haziathiriwi na kivuli", bali kwa sababu zina faida katika muundo na tabia ya reverse-bias.

Kwa seli ya kawaida chini ya kivuli, kuvunjika kwa reverse kunaweza kujilimbikizia kwenye pointi za kasoro za ndani, na kusababisha wiani wa juu wa nguvu wa ndani na joto la juu la sehemu ya moto.

Muundo wa nyuma wa PN junction wa seli ya BC hufanya kama clamp ya reverse iliyojengwa ndani. Chini ya kivuli, inaweza kuunda upitishaji wa reverse kwa voltage ya chini ya reverse na kueneza mkondo wa reverse sawasawa, ambayo hupunguza nguvu ya sehemu ya moto na joto la sehemu ya moto.

Lakini kumbuka, seli za BC si za kukabiliana na kivuli kabisa. Wakati eneo la kivuli ni kubwa sana, seli kadhaa zimefunikwa kabisa, na voltage ya substring inakuwa hasi ya kutosha, diode ya bypass ya nje bado inawasha. Wakati huo, pato la substring iliyopitishwa hupungua dhahiri.

Kwa hiyo kwa usahihi zaidi:

Faida ya seli ya BC si kuondoa athari za kivuli, ni kuzifanya ziweze kudhibitiwa zaidi. Chini ya kivuli cha eneo ndogo inaweza kupunguza upotezaji wa nguvu; chini ya kivuli kizito inaweza kupunguza hatari ya sehemu ya moto.

Hiyo ndiyo sababu ya msingi kwa nini seli za BC hufanya vizuri katika mazingira magumu ya kivuli.

Maoni ya Ooitech

Kinachotushangaza hapa ni kwamba faida ya BC ya kivuli iko kwenye hatua ya back-contact metallization, si katika nyenzo za kichawi, ambayo inamaanisha kwamba mstari wa moduli unapaswa kufikia uvumilivu mkali kwenye muundo wa interdigitated ili kupata kuvunjika kwa reverse ya chini na sawasawa. Kwenye mstari wa uzalishaji tumeona fizikia hiyo hiyo ikichezwa katika majaribio ya EL na hot-spot, ambapo muundo usio sawa wa nyuma unaonekana kama pointi za kuvunjika zilizotawanyika kabla ya moduli kuona kivuli. Ikiwa unapenda aina hii ya uchambuzi wa kile kinachotokea kati ya seli na moduli iliyokamilika, kituo chetu cha YouTube kwenye www.youtube.com/ooitech kina zaidi kutoka ndani ya viwanda halisi vya sola.