Introdução

O sombreamento é um problema muito comum em instalações fotovoltaicas reais.

Sombras de árvores, postes de utilidades, poeira, fezes de pássaros, neve, até mesmo ângulos de montagem de módulos ligeiramente inconsistentes podem causar sombreamento parcial. O sombreamento não apenas reduz a saída do módulo, mas também pode desencadear um problema mais sério: pontos quentes.

Nos últimos anos, as células solares BC têm atraído cada vez mais atenção em telhados distribuídos, varandas fotovoltaicas e módulos premium. Uma razão chave é esta: As células solares BC geralmente oferecem melhor tolerância ao sombreamento, e suas temperaturas de ponto quente permanecem mais baixas sob sombreamento.

Na SNEC, você frequentemente vê fabricantes sombrearem parte de uma string de células e depois usarem a altura da água de uma bomba para exibir a tolerância ao sombreamento de seus produtos BC.

Então, por que as células BC têm essa vantagem? Qual é a física por trás disso?

Vamos tentar explicar em termos bastante simples.

Por que o Sombreamento Causa Pontos Quentes

Por que o sombreamento causa pontos quentes?

As células dentro de um módulo fotovoltaico geralmente são conectadas em série.

Um circuito em série tem uma característica definidora: a corrente deve ser a mesma em todos os lugares.

Isso significa que a corrente através de toda a string é definida pelo loop como um todo. Quando cada célula recebe luz total, cada uma gera energia e todas ficam em um estado razoavelmente consistente.

Mas se uma célula fica sombreada, a corrente fotogerada que ela pode produzir cai. Se toda a string ainda precisa transportar uma corrente grande, essa célula sombreada pode ser empurrada para polarização reversa pelas outras células não sombreadas. Nesse ponto, ela deixa de ser uma fonte de energia e se torna um consumidor de energia.

Para sombreamento parcial, a célula sombreada não para de gerar completamente. Sua área não sombreada ainda produz alguma fotocorrente. Então, o que realmente precisa fluir pelo caminho de ruptura reversa, caminho de fuga ou caminho de desvio não é a corrente total da string, mas a diferença entre a corrente da string e a corrente que essa célula ainda pode produzir.

Essa diferença pode ser chamada de corrente de incompatibilidade:

Imismatch = Istring - Igenerate

Portanto, a dissipação de potência do ponto quente pode ser aproximadamente escrita como:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

que é:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)

Esta fórmula aponta para uma coisa chave: na mesma corrente da string, quanto maior a tensão reversa, mais potência a célula sombreada dissipa e mais quente o ponto quente fica.

Então, uma das chaves para resistir a pontos quentes é:

como reduzir a tensão reversa na célula sombreada e tornar o aquecimento mais uniforme.

É exatamente aqui que as células BC brilham.

Como as Células BC Diferem na Estrutura

Como uma célula BC é estruturalmente diferente de uma célula comum?

Células comuns de silício cristalino geralmente usam uma estrutura de contato frontal e traseiro.

Simplificando:

• A frente tem finas linhas de grade e barras coletoras, e a luz entra pela frente;

• A corrente é gerada dentro da célula e depois coletada através de eletrodos frontal e traseiro.

Uma célula BC, que significa Back Contact (Contato Traseiro), tem uma característica marcante:

tanto os eletrodos positivo quanto negativo ficam na parte traseira da célula, sem grades metálicas na frente.

Isso traz dois benefícios diretos:

1. Sem sombreamento de grades na frente, então mais área de recepção de luz;

2. Os eletrodos traseiros podem ser construídos em um padrão interdigitado, então a coleta de corrente é mais uniforme.

Figura 1 Esquema da estrutura da célula BC.

Fonte: 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

A parte traseira de uma célula BC carrega muitas regiões p e n entrelaçadas. Entre essas regiões existem muitas junções PN curtas e fortemente dopadas. Do ponto de vista do circuito, ela não se comporta mais como um único diodo grande, mas sim como muitos diodos pequenos em paralelo. Sob polarização reversa, essas junções PN distribuídas podem formar um caminho de condução reversa mais uniforme.

Como essas junções PN traseiras são curtas e localmente fortemente dopadas, elas podem entrar em ruptura reversa com uma tensão reversa relativamente baixa.

Claro, isso depende dos parâmetros específicos de projeto da célula BC.

Por exemplo, quanto menor o espaço entre a região p e a região n, mais forte o campo local e, geralmente, mais fácil é formar uma tensão de ruptura reversa mais baixa. Mas isso também pode trazer compensações em termos de corrente de fuga e resistência shunt. Portanto, a tolerância ao sombreamento de uma célula BC não é um valor fixo. Está intimamente ligada à estrutura específica da célula, ao design do padrão traseiro, ao tamanho do espaço, à concentração de dopagem, à qualidade da passivação e ao processo de fabricação.

Por que as Células BC Perdem Menos Potência Sob Sombreamento

Por que as células BC perdem menos potência após o sombreamento?

Quando um módulo fica parcialmente sombreado, a corrente da string empurra a célula sombreada para polarização reversa. À medida que o sombreamento piora, a tensão total nessa substring continua caindo.

Em módulos tradicionais, um diodo de bypass é geralmente colocado em paralelo em uma seção da string. O diodo de bypass não é ativamente ligado por um controlador. É um dispositivo passivo. Se ele conduz depende apenas da tensão sobre ele. Quando a tensão total dessa substring se torna suficientemente negativa, o diodo de bypass fica polarizado diretamente e liga automaticamente.

A condição de ligação pode ser escrita como:

Vsubstring ≤ -Vf

Vsubstring é a tensão total da substring protegida pelo diodo de bypass;

Vf é a queda de tensão direta do diodo de bypass.

Para uma substring, sua tensão total pode ser entendida como:

Vsubstring = ∑Vnão sombreada + ∑Vsombreada

onde:

• Células não sombreadas ainda produzem uma tensão direta;

• Células sombreadas estão polarizadas reversamente e produzem uma tensão negativa.

A condição de ativação do diodo de bypass pode ser lida como:

∣∑Vsombreadas∣ ≥ ∑Vnão sombreadas + Vf

Em outras palavras:

a tensão reversa total das células sombreadas deve exceder a tensão direta total das células não sombreadas restantes, mais a queda direta do diodo de bypass, antes que o diodo de bypass ative.

A vantagem dos módulos BC é que, antes mesmo do diodo de bypass externo ativar, a estrutura de junção PN traseira interdigitada da própria célula BC já fornece alguma capacidade de condução reversa distribuída. Isso se comporta um pouco como um diodo Zener embutido dentro da célula.

Sob polarização reversa, as junções PN traseiras interdigitadas de uma célula BC podem formar condução reversa distribuída em uma tensão mais baixa, limitando o aumento adicional da tensão reversa. Assim, sob sombreamento parcial, quando o diodo de bypass externo ainda não ativou, um módulo BC ainda pode manter uma potência de saída relativamente alta.

Figura 2 Curva IV do módulo com uma célula sombreada.

Fonte: E. Özkalay, F. Valoti, M. Caccivio, A. Virtuani, G. Friesen, e 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. Disponível em: https://doi.org/10.1051/epjpv/2024001

Melhor Tolerância Não Significa Imune ao Sombreamento

Melhor tolerância ao sombreamento não significa que as células BC são imunes ao sombreamento

Um equívoco comum precisa ser esclarecido.

Melhor tolerância ao sombreamento não significa que uma célula BC não é afetada pelo sombreamento.

Qualquer célula fotovoltaica produz menos energia quando está sombreada.

Se a área sombreada dentro de uma substring se tornar muito grande, ou várias células estiverem totalmente sombreadas, então a tensão reversa total das células sombreadas ainda pode eventualmente exceder a tensão direta total das células não sombreadas restantes. Nesse ponto, o diodo de bypass externo ativa.

Uma vez que o diodo de bypass ativa, a corrente desvia de toda essa substring. As células não sombreadas nessa substring também são desviadas, e sua contribuição para a saída cai drasticamente. Portanto, quando a área sombreada é grande, a vantagem de geração de um módulo BC também enfraquece.

Os cenários onde os módulos BC realmente se destacam são geralmente:

• Uma célula ou algumas células recebem sombreamento parcial;

• A área sombreada em cada substring permanece pequena;

• O sombreamento é diagonal, em forma de faixa ou localmente disperso;

• O diodo de bypass externo não ligou completamente.

Por exemplo, uma sombra diagonal de um poste de utilidade pode deixar cada substring com apenas uma pequena área sombreada. Nesse caso, um módulo BC tende a mostrar sua melhor geração tolerante a sombreamento.

Por que os Módulos BC Têm Pontos Quentes Mais Frios

Por que os módulos BC têm temperaturas de ponto quente mais baixas?

Existem principalmente duas razões pelas quais os módulos BC têm pontos quentes mais frios.

First, the reverse current is more spread out

Para células comuns, a distribuição da corrente reversa é frequentemente desigual. A ruptura reversa pode ocorrer primeiro em alguns pontos fracos locais, como:

• Locais de defeitos locais;

• Bordas da célula;

• Anomalias de metalização;

• Microtrincas ou áreas contaminadas;

• Regiões com passivação local mais fraca.

Esses pontos agem como pontos fracos.

Uma vez que a corrente reversa se concentra nesses pontos fracos, a densidade de potência local fica muito alta, a temperatura sobe rapidamente e um ponto quente claro se forma.

É como usar a mesma quantidade de calor em dois objetos:

• Uma placa de metal inteira;

• Um ponto do tamanho de uma agulha.

O segundo aquece mais rápido, com certeza.

Portanto, o risco para uma célula comum sob sombreamento não é "aquecimento uniforme em toda a célula," mas sim um forte aquecimento pontual local.

Uma célula BC tem muitas junções PN interdigitadas em sua parte traseira. A condução reversa pode se espalhar mais facilmente por múltiplas regiões, em vez de se concentrar em alguns pontos de defeito.

Assim, a corrente reversa em uma célula BC se distribui de forma mais uniforme, a densidade de potência local permanece mais baixa e a temperatura do ponto quente também permanece mais baixa.

Segundo, a tensão de ruptura reversa é mais baixa

Pela fórmula de potência do ponto quente:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

na mesma corrente de desequilíbrio, uma tensão reversa mais baixa significa menos dissipação de potência.

É por isso que uma baixa tensão de ruptura reversa pode realmente atuar como um mecanismo de proteção em cenários de sombreamento.

Aqui está um exemplo simples.

Digamos que a corrente da string seja 10A e uma célula fique fortemente sombreada.

Se uma célula comum atingir 15V de tensão reversa após o sombreamento, a potência que ela dissipa é aproximadamente:

P = 15V × 10A = 150W

Se uma célula BC limitar devido à sua estrutura traseira e a tensão reversa for limitada a cerca de 6V, a potência que ela dissipa é aproximadamente:

P = 6V × 10A = 60W

A diferença é muito clara.

A temperatura real do ponto quente depende da área sombreada, temperatura ambiente, velocidade do vento, encapsulamento do módulo, tamanho do vidro, design da célula e método de teste, portanto não se pode julgá-la por um único número fixo.

Mas em alguns testes reais e experiência de campo, os módulos BC geralmente apresentam temperaturas de ponto quente mais baixas do que os convencionais. Por exemplo, alguns módulos BC podem manter a temperatura do ponto quente abaixo de cerca de 120 °C, enquanto outros tipos de módulo podem atingir 160 °C ou até mais.

Algumas células BC especialmente projetadas alcançam algo como um "diodo de bypass embutido dentro da célula". Isso pode reduzir a temperatura do ponto quente para cerca de 90 °C, enquanto um módulo de referência fica em torno de 190 °C, mostrando que esse tipo de design de condução reversa distribuída pode reduzir significativamente a temperatura do ponto quente.

Uma Tensão de Ruptura Reversa Mais Baixa é Sempre Melhor?

Uma tensão de ruptura reversa mais baixa é sempre melhor?

Não necessariamente.

Uma baixa tensão de ruptura reversa ajuda a reduzir a temperatura do ponto quente durante o sombreamento, mas também pode trazer compensações de design.

Se o caminho de condução reversa for mal projetado, pode aumentar a corrente de fuga e reduzir a resistência shunt, o que prejudica o desempenho normal de geração da célula.

Portanto, uma célula BC de alta eficiência geralmente precisa equilibrar dois objetivos:

1. Durante a operação normal, manter alta eficiência, baixa corrente de fuga e alta resistência shunt;

2. Sob polarização reversa de sombreamento, formar uma condução reversa segura e uniforme em uma tensão mais baixa.

É também por isso que a tolerância ao sombreamento varia entre diferentes células BC.

Algumas células BC tendem à eficiência e podem construir um isolamento mais forte, então sua tensão de ruptura reversa é mais alta. Outras tendem à tolerância ao sombreamento e podem projetar caminhos de ruptura reversa mais baixos e uniformes.

Portanto, não se pode simplesmente dizer "todas as células BC têm a mesma tolerância ao sombreamento". Uma maneira mais precisa de colocar é:

uma célula BC bem projetada pode usar sua estrutura de junção PN traseira interdigitada para obter uma ruptura reversa mais baixa e mais uniforme, melhorando a tolerância ao sombreamento e a pontos quentes.

Vantagens da Célula BC Resumidas

Vantagens da célula BC resumidas

Em conjunto, as vantagens das células BC sob sombreamento incluem principalmente:

• Menor perda de geração do módulo sob sombreamento de pequena área, antes do diodo de bypass externo entrar em condução;

• Menor densidade de potência local;

• Menor temperatura do ponto quente;

• Maior margem de segurança do módulo.

O Que Isso Significa para Aplicações de Módulos

O que isso significa para aplicações de módulos?

No uso real, o sombreamento muitas vezes não pode ser totalmente evitado.

Especialmente em cenários distribuídos, como:

• Telhados residenciais;

• Telhados comerciais e industriais;

• Varandas solares;

• BIPV;

• Montagem multi-orientação;

• Locais cercados por edifícios complexos.

Nessas aplicações, os módulos podem enfrentar sombreamento local com frequência.

Se uma célula tem melhor tolerância ao sombreamento e menor temperatura de ponto quente, isso significa:

• Melhor segurança do módulo: baixa temperatura de ponto quente reduz o envelhecimento do encapsulamento, danos ao backsheet, estresse local no vidro e risco elétrico.

• Melhor confiabilidade a longo prazo: alta temperatura local acelera o envelhecimento dos materiais. Quanto mais fraco o ponto quente, mais estável o módulo permanece ao longo do tempo.

• Perda de geração mais controlável: quando o sombreamento local é inevitável, um módulo BC pode aliviar parte da perda de potência.

• Projeto de sistema mais amigável.

Os módulos BC se adaptam melhor a telhados complexos, ambientes de montagem distribuída e cenários com múltiplos sombreamentos.

Resumo

Resumo

As células BC oferecem melhor tolerância ao sombreamento e menor temperatura de ponto quente, não porque "não são afetadas pelo sombreamento", mas porque têm vantagens na estrutura e no comportamento de polarização reversa.

Sob sombreamento, células comuns podem ter a ruptura reversa concentrada em pontos de defeito locais, levando a alta densidade de potência local e alta temperatura de ponto quente.

A estrutura de junção PN interdigitada de uma célula BC funciona como um grampo reverso embutido distribuído. Sob sombreamento, ela pode formar condução reversa em uma tensão reversa mais baixa e espalhar a corrente reversa de forma mais uniforme, o que reduz tanto a potência do ponto quente quanto a temperatura do ponto quente.

Mas lembre-se, as células BC não são totalmente imunes ao sombreamento. Quando a área sombreada é muito grande, várias células estão totalmente sombreadas e a tensão da substring fica suficientemente negativa, o diodo de bypass externo ainda liga. Nesse ponto, a saída da substring bypassada cai visivelmente.

Então, uma maneira mais precisa de dizer:

a vantagem de uma célula BC não é eliminar o efeito do sombreamento, mas tornar esse efeito mais controlável. Sob sombreamento de pequena área, reduz a perda de potência; sob sombreamento intenso, reduz o risco de ponto quente.

Essa é a razão fundamental pela qual as células BC têm vantagem em ambientes de sombreamento complexos.

Visão da Ooitech

O interessante aqui é que a tolerância ao sombreamento não é apenas uma escolha de design da célula, mas também depende de quão consistentemente esse padrão interdigitado é reproduzido em cada célula de uma linha. Pequenos desvios na metalização, tamanho do gap ou qualidade da passivação podem alterar o comportamento de ruptura reversa que acabamos de descrever, e é por isso que o controle de processo nas linhas de módulos BC é tão importante quanto a receita da célula. A Ooitech passou anos construindo linhas de produção de módulos turnkey para módulos TOPCon, HPBC, ABC e outros tipos BC, por isso acompanhamos de perto essas janelas de processo de contato traseiro. Se você quiser ver como esses módulos são realmente construídos no chão de fábrica, nosso canal no YouTube em www.youtube.com/ooitech tem muitas filmagens reais de linhas de produção que valem a pena conferir.