Introdução do Produto

O sombreamento é um dos problemas mais comuns em instalações fotovoltaicas reais.

Sombras de árvores, postes de serviços públicos, poeira, fezes de pássaros, neve, até ângulos de montagem irregulares podem causar sombreamento parcial. O sombreamento não só reduz a produção de um módulo, mas também pode desencadear um problema mais sério: pontos quentes.

Ultimamente, as células solares BC têm atraído muita atenção em telhados distribuídos, varandas fotovoltaicas e módulos premium. Uma grande razão: As células BC geralmente lidam melhor com sombreamento e operam com temperaturas de ponto quente mais baixas sob sombreamento.

Na SNEC, você frequentemente vê fornecedores sombrearem parte de uma célula e depois exibirem a tolerância a sombreamento de seus produtos BC observando a altura que uma bomba d'água consegue jorrar.

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

Vamos tentar explicar em linguagem simples.

Por que o sombreamento causa pontos quentes?

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

Circuitos em série têm uma característica chave: a corrente deve ser a mesma em todos os lugares.

Isso significa que a corrente através de toda a string é definida pelo loop série em conjunto. Quando cada célula recebe luz total, cada uma gera energia e todas se comportam de forma bastante consistente.

Mas se uma célula fica sombreada, a corrente foto-gerada que ela pode produzir cai. Se a string ainda precisar empurrar uma corrente maior através dela, essa célula sombreada pode ser forçada a polarização reversa pelas outras células não sombreadas. Nesse ponto, ela deixa de ser um gerador e se torna um elemento consumidor de energia.

Para sombreamento parcial, a célula sombreada não está completamente morta. A parte não sombreada ainda gera alguma fotocorrente. Portanto, 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.

Podemos chamar essa diferença de corrente de incompatibilidade:

Imismatch = Istring - Igenerate

Assim, a potência de aquecimento do ponto quente pode ser aproximadamente escrita como:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

que é:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)

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

Portanto, uma chave para combater pontos quentes é:

como reduzir a tensão reversa na célula sombreada e distribuir o calor de forma mais uniforme.

É exatamente aqui que as células BC brilham.

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

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

Simplificando:

• a frente tem grades finas e barras coletoras, e a luz entra pela frente;

• a corrente, uma vez gerada dentro da célula, é coletada pelos eletrodos frontal e traseiro.

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

tanto os eletrodos positivo quanto negativo estão na parte traseira da célula, e a frente não tem grades metálicas.

Isso traz dois benefícios diretos:

1. sem sombreamento de grades na frente, portanto uma área de recepção de luz maior;

2. os eletrodos traseiros podem ser feitos de forma interdigitada, 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 tem muitas regiões p e n intercaladas. Entre essas regiões existem muitas junções PN curtas e fortemente dopadas. Do ponto de vista do circuito, ela não se comporta mais como um grande diodo, mas sim como muitos pequenos diodos em paralelo. Sob polarização reversa, essas junções PN distribuídas podem formar um caminho de condução reversa mais uniforme.

Ao mesmo tempo, 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 a lacuna entre as regiões p e n, mais forte o campo local e, geralmente, mais fácil obter uma tensão de ruptura reversa mais baixa. Mas isso também pode trazer compensações em corrente de fuga e resistência shunt. Portanto, a tolerância ao sombreamento de uma célula BC não é um número fixo; está intimamente ligada à estrutura da célula, ao design do padrão traseiro, ao tamanho da lacuna, à concentração de dopagem, à qualidade da passivação e ao processo de fabricação.

Por que os módulos BC perdem menos energia após o sombreamento?

Quando um módulo fica parcialmente sombreado, a célula sombreada é empurrada para polarização reversa pela corrente da string. À medida que o sombreamento piora, a tensão total dessa seção da string continua caindo.

Em módulos tradicionais, um diodo de bypass geralmente é conectado 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 através dele. Quando a tensão total dessa seção da string se torna negativa o suficiente, o diodo de bypass fica polarizado diretamente e liga por conta própria.

A condição de ligação pode ser escrita como:

Vsubstring ≤ -Vf

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

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

Para uma seção da string, sua tensão total pode ser entendida como:

Vsubstring = ∑Vnão sombreada + ∑Vsombreada

onde:

• células não sombreadas ainda produzem uma tensão positiva;

• células sombreadas estão em polarização reversa 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 soma das tensões reversas das células sombreadas deve exceder a soma das tensões diretas das células não sombreadas restantes, mais a queda de tensão de ativação do diodo de bypass, antes que o diodo de bypass entre em ação.

A vantagem de um módulo BC é que, antes mesmo do diodo de bypass externo ligar, a própria estrutura de junção PN interdigitada traseira da célula BC já fornece alguma condução reversa distribuída. Isso se comporta um pouco como um diodo zener embutido na célula.

Sob polarização reversa, a estrutura de junção PN interdigitada na parte traseira de uma célula BC pode formar condução reversa distribuída em uma tensão mais baixa, o que limita o quanto a tensão reversa pode subir. Assim, sob sombreamento parcial, com o diodo de bypass externo ainda não acionado, um módulo BC ainda pode manter uma potência de saída bastante alta.

Figura 2 A curva IV do módulo quando uma célula está 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 ao sombreamento não significa imune ao sombreamento

Um equívoco comum precisa ser esclarecido.

As células BC toleram melhor o sombreamento, mas isso não significa que o sombreamento não tenha efeito sobre elas.

Qualquer célula fotovoltaica produzirá menos energia quando estiver sombreada.

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

Uma vez que o diodo de bypass é ativado, a corrente desvia de toda esta seção da string. As células não sombreadas nesta substring são desviadas junto com as sombreadas, e sua contribuição para a saída cai visivelmente. Portanto, quando a área sombreada é grande, a vantagem de geração de um módulo BC também enfraquece.

Módulos BC tendem a ter vantagem quando:

• uma única célula ou algumas células estão parcialmente sombreadas;

• a área sombreada dentro de cada substring é pequena;

• o sombreamento é diagonal, em faixas ou localmente disperso;

• o diodo de bypass externo não foi totalmente ativado.

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 geralmente mostra uma geração com melhor tolerância ao sombreamento.

Por que os módulos BC funcionam mais frios em pontos quentes?

Os módulos BC têm temperaturas de ponto quente mais baixas principalmente por duas razões.

Primeiro, a corrente reversa é mais espalhada

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

• locais com defeitos locais;

• bordas da célula;

• áreas de metalização anormais;

• microtrincas ou áreas contaminadas;

• áreas com passivação local 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 óbvio se forma.

É como aquecer dois objetos com a mesma quantidade de calor:

• uma placa de metal inteira;

• um ponto do tamanho de uma agulha.

O segundo aquece mais rápido, sem dúvida.

Portanto, o risco de uma célula comum sob sombreamento não é "aquecimento uniforme em toda a célula", é um aquecimento local intenso em um ponto..

Uma célula BC possui muitas junções PN interdigitadas na parte traseira. A condução reversa pode se espalhar mais facilmente por várias regiões, em vez de se acumular em alguns pontos de defeito.

Portanto, a distribuição da corrente reversa de uma célula BC é mais uniforme, a densidade de potência local é menor e a temperatura do ponto quente também é menor.

Segundo, a tensão de ruptura reversa é mais baixa

Você pode ver isso pela fórmula da potência do ponto quente:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

Na mesma corrente de desequilíbrio, quanto menor a tensão reversa, menor a potência de aquecimento.

É por isso que uma baixa tensão de ruptura reversa pode funcionar como um mecanismo de proteção sob sombreamento.

Aqui está um exemplo simples.

Digamos que a corrente da string do módulo seja 10A e uma célula esteja fortemente sombreada.

Se uma célula comum atingir uma tensão reversa de 15V 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 impressionante.

Claro, 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, então você não pode julgá-la por um único número fixo.

Ainda assim, em alguns testes reais e experiência de campo, os módulos BC geralmente operam mais frios nos pontos quentes 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", reduzindo a temperatura do ponto quente para cerca de 90 °C, enquanto um módulo de referência fica perto de 190 °C, o que mostra que este design de condução reversa distribuída pode reduzir bastante a temperatura do ponto quente.

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 sob sombreamento, mas também pode trazer trade-offs 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 devido ao sombreamento, formar condução reversa segura e uniforme em baixa tensão.

É também por isso que diferentes células BC variam no desempenho sob sombreamento.

Algumas células BC tendem à eficiência, então podem isolar mais fortemente e acabar com uma tensão de ruptura reversa mais alta. Outras tendem à tolerância ao sombreamento, então podem projetar caminhos de ruptura reversa mais baixos e uniformes.

Portanto, você não pode simplesmente dizer "todas as células BC toleram o sombreamento da mesma forma". Uma afirmação mais precisa é:

uma célula BC bem projetada pode alcançar uma ruptura reversa mais baixa e mais uniforme através de sua estrutura de junção PN interdigitada traseira, o que melhora a tolerância ao sombreamento e a pontos quentes.

Resumo das vantagens da célula BC

Juntando tudo, as vantagens de uma célula BC sob sombreamento incluem principalmente:

• menor perda de potência 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?

Na prática, o sombreamento muitas vezes não pode ser totalmente evitado.

Especialmente em cenários distribuídos, como:

• telhados residenciais;

• telhados comerciais e industriais;

• PV de varanda;

• BIPV;

• montagem multi-orientação;

• locais com edifícios circundantes complexos.

Nessas aplicações, os módulos podem frequentemente ficar parcialmente sombreados.

Se uma célula tolera melhor o sombreamento e opera mais fria nos pontos quentes, isso significa:

• Melhor segurança do módulo: temperatura mais baixa do ponto quente reduz o envelhecimento do encapsulante, danos ao backsheet, estresse local do 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 parcial 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.

Concluindo

As células BC toleram melhor o sombreamento e operam mais frias nos pontos quentes, principalmente não porque 'não são afetadas pelo sombreamento', mas porque têm vantagens na estrutura e no comportamento de polarização reversa.

Com uma célula comum sob sombreamento, a ruptura reversa pode se concentrar em pontos de defeito locais, gerando alta densidade de potência local e alta temperatura do ponto quente.

A estrutura de junção PN interdigitada traseira de uma célula BC atua como uma fixação reversa distribuída e embutida. Sob sombreamento, pode formar condução reversa a uma tensão reversa mais baixa e espalhar a corrente reversa de forma mais uniforme, o que reduz a potência do ponto quente e a temperatura do ponto quente.

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

Então, mais precisamente:

A vantagem de uma célula BC não é eliminar os efeitos de sombreamento, mas torná-los mais controláveis. Sob sombreamento de pequena área, pode reduzir a perda de potência; sob sombreamento intenso, pode diminuir o risco de ponto quente.

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

Visão da Ooitech

O que realmente nos chama atenção aqui é que a vantagem do BC no sombreamento reside na etapa de metalização do contato traseiro, não em algum material mágico, o que significa que a linha de módulos precisa atingir tolerâncias rigorosas no padrão interdigitado para realmente obter essa ruptura reversa baixa e uniforme. Em uma linha de produção, vimos a mesma física se manifestar em testes de EL e ponto quente, onde um padrão traseiro irregular aparece como pontos de ruptura dispersos muito antes de o módulo ver qualquer sombra. Se você gosta desse tipo de análise detalhada do que acontece entre a célula e o módulo finalizado, nosso canal no YouTube em www.youtube.com/ooitech tem mais conteúdo de dentro de fábricas solares reais.