Pourquoi les cellules solaires BC gèrent mieux l'ombrage et refroidissent les points chauds

Introduction

L'ombrage est un problème très courant dans les installations PV réelles.

Les ombres des arbres, les poteaux électriques, la poussière, les fientes d'oiseaux, la neige, même des angles de montage de modules légèrement incohérents peuvent tous provoquer un ombrage partiel. L'ombrage ne réduit pas seulement la sortie du module, il peut aussi déclencher un problème plus grave : points chauds.

Au cours des dernières années, les cellules solaires BC ont attiré de plus en plus d'attention dans les toits distribués, le PV de balcon et les modules premium. Une raison clé est la suivante : Les cellules solaires BC offrent généralement une meilleure tolérance à l'ombrage, et leurs températures de points chauds restent plus basses sous ombrage.

Au SNEC, vous voyez souvent des fabricants ombrager une partie d'une chaîne de cellules puis utiliser la hauteur d'eau d'une pompe pour montrer la tolérance à l'ombrage de leurs produits BC.

Alors pourquoi les cellules BC ont-elles cet avantage ? Quelle est la physique derrière cela ?

Essayons de l'expliquer en termes assez simples.

Pourquoi l'ombrage provoque des points chauds

Pourquoi l'ombrage provoque-t-il des points chauds ?

Les cellules à l'intérieur d'un module PV sont généralement connectées en série.

Un circuit en série a une caractéristique déterminante : le courant doit être le même partout.

Cela signifie que le courant à travers toute la chaîne est fixé par la boucle dans son ensemble. Lorsque chaque cellule reçoit une pleine lumière, chacune génère de l'énergie et elles se trouvent toutes dans un état assez cohérent.

Mais si une cellule est ombragée, le courant photo-généré qu'elle peut produire diminue. Si la chaîne entière doit encore transporter un courant important, cette cellule ombragée peut être poussée en polarisation inverse par les autres cellules non ombragées. À ce moment-là, elle cesse d'être une source d'énergie et devient un consommateur d'énergie.

En cas d'ombrage partiel, la cellule ombragée ne cesse pas complètement de générer. Sa zone non ombragée produit encore un certain photo-courant. Donc, ce qui doit réellement circuler à travers le chemin de claquage inverse, le chemin de fuite ou le chemin de dérivation n'est pas le courant complet de la chaîne, mais la différence entre le courant de la chaîne et le courant que cette cellule peut encore produire.

Cette différence peut être appelée le courant de désadaptation :

Imismatch = Istring - Igénéré

Ainsi, la dissipation de puissance du point chaud peut être approximativement écrite comme :

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

ce qui est :

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igénéré)

Cette formule pointe vers une chose clé : au même courant de chaîne, plus la tension inverse est élevée, plus la cellule ombragée dissipe de puissance, et plus le point chaud devient chaud.

Ainsi, l'une des clés pour résister aux points chauds est :

comment réduire la tension inverse sur la cellule ombragée et rendre le chauffage plus uniforme.

C'est exactement là où les cellules BC excellent.

Comment les cellules BC diffèrent structurellement

En quoi une cellule BC est-elle structurellement différente d'une cellule ordinaire ?

Les cellules ordinaires en silicium cristallin utilisent généralement une structure de contact avant et arrière.

En termes simples :

• Le devant a des lignes de grille fines et des barres omnibus, et la lumière entre par l'avant ;

• Le courant est généré à l'intérieur de la cellule puis collecté à travers les électrodes avant et arrière.

Une cellule BC, signifiant Back Contact, a une caractéristique remarquable :

les électrodes positives et négatives se trouvent à l'arrière de la cellule, sans lignes de grille métalliques sur le devant.

Cela donne deux avantages directs :

1. Pas d'ombrage des lignes de grille sur le devant, donc plus de surface de réception de lumière ;

2. Les électrodes arrière peuvent être construites en motif interdigité, donc la collecte de courant est plus uniforme.

Figure 1 Schéma de la structure de la cellule BC.

Source : 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

Le dos d'une cellule BC porte de nombreuses régions p et régions n entrelacées. Entre ces régions se trouvent de nombreuses jonctions PN courtes et fortement dopées. D'un point de vue circuit, elle ne se comporte plus comme une seule grande diode, mais plutôt comme de nombreuses petites diodes en parallèle. Sous polarisation inverse, ces jonctions PN distribuées peuvent former un chemin de conduction inverse plus uniforme.

Parce que ces jonctions PN arrière sont courtes et localement fortement dopées, elles peuvent entrer en claquage inverse à une tension inverse relativement basse.

Bien sûr, cela dépend des paramètres de conception spécifiques de la cellule BC.

Par exemple, plus l'écart entre la région p et la région n est petit, plus le champ local est fort, et généralement plus il est facile de former une tension de claquage inverse plus basse. Mais cela peut aussi entraîner des compromis en termes de fuite et de résistance shunt. Ainsi, la tolérance à l'ombrage d'une cellule BC n'est pas une valeur fixe. Elle est étroitement liée à la structure spécifique de la cellule, à la conception du motif arrière, à la taille de l'écart, à la concentration de dopage, à la qualité de passivation et au processus de fabrication.

Pourquoi les cellules BC perdent moins de puissance sous l'ombrage

Pourquoi les cellules BC perdent-elles moins de puissance après l'ombrage ?

Lorsqu'un module est partiellement ombragé, le courant de la chaîne pousse la cellule ombragée en polarisation inverse. À mesure que l'ombrage s'aggrave, la tension totale aux bornes de cette sous-chaîne continue de chuter.

Dans les modules traditionnels, une diode de dérivation est généralement placée en parallèle sur une section de la chaîne. La diode de dérivation n'est pas activée activement par un contrôleur. C'est un dispositif passif. Sa conduction dépend uniquement de la tension à ses bornes. Lorsque la tension totale de cette sous-chaîne devient suffisamment négative, la diode de dérivation est polarisée en direct et s'allume automatiquement.

La condition de déclenchement peut être écrite comme suit :

V_sous-chaîne ≤ -Vf

V_sous-chaîne est la tension totale de la sous-chaîne protégée par la diode de dérivation ;

Vf est la chute de tension directe de la diode de dérivation.

Pour une sous-chaîne, sa tension totale peut être comprise comme :

V_sous-chaîne = ∑V_non_ombragé + ∑V_ombragé

où :

• Les cellules non ombragées produisent toujours une tension directe ;

• Les cellules ombragées sont polarisées en inverse et produisent une tension négative.

La condition de déclenchement de la diode de dérivation peut être lue comme :

∣∑V_ombragé∣ ≥ ∑V_non_ombragé + Vf

En d'autres termes :

la tension inverse totale des cellules ombragées doit dépasser la tension directe totale des cellules non ombragées restantes, plus la chute de tension directe de la diode de dérivation, avant que la diode de dérivation ne s'allume.

L'avantage des modules BC est que, avant même que la diode de dérivation externe ne s'allume, la structure de jonction PN arrière interdigitée de la cellule BC elle-même fournit déjà une certaine capacité de conduction inverse distribuée. Cela se comporte un peu comme une diode Zener intégrée à l'intérieur de la cellule.

Sous polarisation inverse, les jonctions PN arrière interdigitées d'une cellule BC peuvent former une conduction inverse distribuée à une tension plus basse, limitant ainsi la montée supplémentaire de la tension inverse. Ainsi, sous ombrage partiel, lorsque la diode de dérivation externe ne s'est pas encore allumée, un module BC peut toujours maintenir une puissance de sortie relativement élevée.

Figure 2 Courbe IV du module avec une cellule ombragée.

Source : E. Özkalay, F. Valoti, M. Caccivio, A. Virtuani, G. Friesen, et C. Ballif, "L'effet de l'ombrage partiel sur la fiabilité des modules photovoltaïques dans l'environnement bâti," EPJ Photovoltaics, vol. 15, p. 7, janv. 2024, doi : 10.1051/epjpv/2024001. Disponible : https://doi.org/10.1051/epjpv/2024001

Une meilleure tolérance ne signifie pas une immunité à l'ombrage

Une meilleure tolérance à l'ombrage ne signifie pas que les cellules BC sont immunisées contre l'ombrage

Une idée fausse courante doit être clarifiée.

Une meilleure tolérance à l'ombrage ne signifie pas qu'une cellule BC n'est pas affectée par l'ombrage.

Toute cellule photovoltaïque produit moins de puissance une fois ombragée.

Si la zone ombragée dans une sous-chaîne devient trop grande, ou si plusieurs cellules sont entièrement ombragées, alors la tension inverse totale des cellules ombragées peut encore éventuellement dépasser la tension directe totale des cellules non ombragées restantes. À ce moment-là, la diode de dérivation externe s'allume.

Une fois que la diode de dérivation s'allume, le courant contourne toute cette sous-chaîne. Les cellules non ombragées de cette sous-chaîne sont également contournées, et leur contribution à la sortie chute fortement. Ainsi, lorsque la zone ombragée est grande, l'avantage de génération d'un module BC s'affaiblit également.

Les scénarios où les modules BC brillent vraiment sont généralement :

• Une cellule ou quelques cellules subissent un ombrage partiel ;

• La zone ombragée dans chaque sous-chaîne reste petite ;

• L'ombrage est diagonal, en forme de bande, ou localement dispersé ;

• La diode de dérivation externe ne s'est pas complètement allumée.

Par exemple, une ombre diagonale d'un poteau électrique peut laisser chaque sous-chaîne avec seulement une petite zone ombragée. Dans ce cas, un module BC a tendance à montrer sa meilleure génération tolérante à l'ombrage.

Pourquoi les modules BC ont des points chauds plus froids

Pourquoi les modules BC ont-ils des températures de points chauds plus basses ?

Il y a principalement deux raisons pour lesquelles les modules BC ont des points chauds plus froids.

Premièrement, le courant inverse est plus réparti

Pour les cellules ordinaires, la distribution du courant inverse est souvent inégale. La rupture inverse peut d'abord se produire à certains points faibles locaux, tels que :

• Sites de défauts locaux ;

• Bords de cellule ;

• Anomalies de métallisation ;

• Microfissures ou zones contaminées ;

• Régions avec une passivation locale plus faible.

Ces points agissent comme des points faibles.

Une fois que le courant inverse se concentre à ces points faibles, la densité de puissance locale devient très élevée, la température augmente rapidement et un point chaud clair se forme.

C'est comme utiliser la même quantité de chaleur sur deux objets :

• Une plaque métallique entière ;

• Un point de la taille d'une épingle.

Ce dernier chauffe plus vite, c'est sûr.

Donc le risque pour une cellule ordinaire sous ombrage n'est pas "chauffage uniforme sur toute la cellule", mais un fort chauffage local ponctuel.

Une cellule BC a de nombreuses jonctions PN interdigitées sur son dos. La conduction inverse peut se propager plus facilement à travers plusieurs régions au lieu de se concentrer à quelques points de défaut.

Donc le courant inverse dans une cellule BC se distribue plus uniformément, la densité de puissance locale reste plus basse, et la température du point chaud reste également plus basse.

Deuxièmement, la tension de rupture inverse est plus basse

D'après la formule de puissance du point chaud :

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

à courant de désadaptation égal, une tension inverse plus basse signifie moins de dissipation de puissance.

C'est pourquoi une faible tension de rupture inverse peut en fait agir comme un mécanisme de protection dans les scénarios d'ombrage.

Voici un exemple simple.

Disons que le courant de chaîne est de 10 A et qu'une cellule est fortement ombragée.

Si une cellule ordinaire atteint une tension inverse de 15 V après ombrage, la puissance qu'elle dissipe est approximativement :

P = 15V × 10A = 150W

Si une cellule BC se bloque en raison de sa structure arrière et que la tension inverse est limitée à environ 6V, la puissance qu'elle dissipe est approximativement :

P = 6V × 10A = 60W

La différence est très claire.

La température réelle du point chaud dépend de la zone ombragée, de la température ambiante, de la vitesse du vent, de l'encapsulation du module, de la taille du verre, de la conception de la cellule et de la méthode de test, donc vous ne pouvez pas la juger par un seul chiffre fixe.

Mais dans certains tests réels et expériences de terrain, les modules BC ont généralement des températures de point chaud plus basses que les modules conventionnels. Par exemple, certains modules BC peuvent maintenir la température du point chaud en dessous d'environ 120 °C, tandis que d'autres types de modules peuvent atteindre 160 °C ou même plus.

Certaines cellules BC spécialement conçues réalisent une sorte de « diode de dérivation intégrée dans la cellule ». Cela peut réduire la température du point chaud à environ 90 °C tandis qu'un module de référence se situe autour de 190 °C, montrant que ce type de conception de conduction inverse distribuée peut réduire considérablement la température du point chaud.

Une tension de claquage inverse plus faible est-elle toujours meilleure ?

Une tension de claquage inverse plus faible est-elle toujours meilleure ?

Pas nécessairement.

Une faible tension de claquage inverse aide à réduire la température du point chaud pendant l'ombrage, mais elle peut aussi entraîner des compromis de conception.

Si le chemin de conduction inverse est mal conçu, cela peut augmenter les fuites et réduire la résistance shunt, ce qui nuit aux performances de génération normales de la cellule.

Ainsi, une cellule BC à haute efficacité doit généralement équilibrer deux objectifs :

1. Pendant le fonctionnement normal, maintenir une haute efficacité, de faibles fuites et une résistance shunt élevée ;

2. Sous polarisation inverse due à l'ombrage, former une conduction inverse sûre et uniforme à une tension plus basse.

C'est aussi pourquoi la tolérance à l'ombrage varie entre différentes cellules BC.

Certaines cellules BC privilégient l'efficacité et peuvent construire une isolation plus forte, donc leur tension de claquage inverse est plus élevée. D'autres privilégient la tolérance à l'ombrage et peuvent concevoir des chemins de claquage inverse plus bas et plus uniformes.

Donc, vous ne pouvez pas simplement dire « toutes les cellules BC ont la même tolérance à l'ombrage ». Une façon plus précise de le dire est :

une cellule BC bien conçue peut utiliser sa structure de jonction PN arrière interdigitée pour obtenir un claquage inverse plus bas et plus uniforme, ce qui améliore la tolérance à l'ombrage et aux points chauds.

Avantages des cellules BC résumés

Avantages des cellules BC en résumé

Dans l'ensemble, les avantages des cellules BC sous ombrage incluent principalement :

• Perte de génération du module plus faible sous un ombrage de petite surface, avant que la diode de dérivation externe ne s'active ;

• Densité de puissance locale plus faible ;

• Température de point chaud plus basse ;

• Marge de sécurité du module plus élevée.

Ce que cela signifie pour les applications de modules

Qu'est-ce que cela signifie pour les applications de modules ?

En utilisation réelle, l'ombrage ne peut souvent pas être entièrement évité.

Surtout dans les scénarios distribués, tels que :

• Toits résidentiels ;

• Toits commerciaux et industriels ;

• PV de balcon ;

• BIPV ;

• Montage multi-orientation ;

• Sites entourés de bâtiments complexes.

Dans ces applications, les modules peuvent fréquemment subir un ombrage local.

Si une cellule a une meilleure tolérance à l'ombrage et une température de point chaud plus basse, cela signifie :

• Meilleure sécurité du module : une température de point chaud basse réduit le vieillissement de l'encapsulation, les dommages au film arrière, le stress local du verre et le risque électrique.

• Meilleure fiabilité à long terme : la température locale élevée accélère le vieillissement des matériaux. Plus le point chaud est faible, plus le module reste stable dans le temps.

• Perte de génération plus contrôlable : lorsque l'ombrage local est inévitable, un module BC peut atténuer une partie de la perte de puissance.

• Conception de système plus conviviale.

Les modules BC s'adaptent mieux aux toits complexes, aux environnements de montage distribués et aux scénarios multi-ombrages.

Résumé

Résumé

Les cellules BC offrent une meilleure tolérance à l'ombrage et une température de point chaud plus basse, non pas parce qu'elles « ne sont pas affectées par l'ombrage », mais parce qu'elles présentent des avantages structurels et un comportement de polarisation inverse.

Sous ombrage, les cellules ordinaires peuvent voir la rupture inverse se concentrer sur des points de défaut locaux, entraînant une densité de puissance locale élevée et une température de point chaud élevée.

La structure de jonction PN interdigitée arrière d'une cellule BC agit comme une pince inverse intégrée distribuée. Sous ombrage, elle peut former une conduction inverse à une tension inverse plus basse et répartir le courant inverse plus uniformément, ce qui réduit à la fois la puissance du point chaud et la température du point chaud.

Mais gardez à l'esprit que les cellules BC ne sont pas totalement immunisées contre l'ombrage. Lorsque la zone ombragée est trop grande, plusieurs cellules sont entièrement ombragées, et la tension de sous-chaîne devient suffisamment négative, la diode de dérivation externe s'active toujours. À ce moment-là, la sortie de la sous-chaîne dérivée chute de manière notable.

Donc, une façon plus précise de le dire :

l'avantage d'une cellule BC n'est pas d'éliminer l'effet de l'ombrage, mais de rendre cet effet plus contrôlable. Sous un ombrage de petite surface, cela réduit la perte de puissance ; sous un ombrage important, cela réduit le risque de points chauds.

C'est la raison fondamentale pour laquelle les cellules BC présentent un avantage dans les environnements d'ombrage complexes.

Point de vue d'Ooitech

La partie intéressante ici est que la tolérance à l'ombrage n'est pas seulement un choix de conception de cellule, elle dépend aussi de la constance avec laquelle ce motif interdigité arrière est reproduit sur chaque cellule d'une ligne. De petits écarts dans la métallisation, la taille des espaces ou la qualité de la passivation peuvent modifier le comportement de claquage inverse que nous venons de décrire, c'est pourquoi le contrôle du processus sur les lignes de modules BC est aussi important que la recette de la cellule. Ooitech a passé des années à construire des lignes de production de modules clés en main pour les modules TOPCon, HPBC, ABC et autres types BC, donc nous surveillons de près ces fenêtres de processus à contact arrière. Si vous voulez voir comment ces modules sont réellement fabriqués sur le sol de l'usine, notre chaîne YouTube à l'adresse www.youtube.com/ooitech contient beaucoup de séquences réelles de lignes de production qui valent le coup d'œil.