Présentation du produit

L'ombrage est l'un des problèmes les plus courants dans les installations photovoltaïques réelles.

Les ombres des arbres, les poteaux électriques, la poussière, les fientes d'oiseaux, la neige, même les angles de montage inégaux peuvent tous provoquer un ombrage partiel. L'ombrage non seulement réduit la production d'un module, mais peut aussi déclencher un problème plus grave : points chauds.

Récemment, les cellules solaires BC ont attiré beaucoup d'attention sur les toits distribués, le photovoltaïque de balcon et les modules premium. Une grande raison : Les cellules BC gèrent généralement mieux l'ombrage et fonctionnent à des températures de point chaud plus basses sous ombrage.

Au SNEC, on voit souvent des vendeurs ombrager une partie d'une cellule puis montrer la tolérance à l'ombrage de leurs produits BC en observant la hauteur à laquelle une pompe à eau peut pulvériser.

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

Essayons de l'expliquer en langage simple.

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

Les cellules d'un module PV sont généralement câblées en série.

Les circuits en série ont une caractéristique clé : le courant doit être le même partout.

Cela signifie que le courant dans toute la chaîne est déterminé ensemble par la boucle série. Lorsque chaque cellule reçoit une pleine lumière, chacune génère de l'énergie et elles se comportent toutes de manière assez cohérente.

Mais si une cellule est ombragée, le courant photo-généré qu'elle peut produire diminue. Si la chaîne doit encore pousser un courant plus important à travers, cette cellule ombragée peut être forcée en polarisation inverse par les autres cellules non ombragées. À ce moment-là, elle cesse d'être un générateur et se transforme en élément consommateur d'énergie.

Pour un ombrage partiel, la cellule ombrée n'est pas complètement morte. La partie non ombrée produit encore un certain photo-courant. Donc, ce qui doit réellement traverser le chemin de claquage inverse, le chemin de fuite ou le chemin de dérivation n'est pas le courant total de la chaîne, mais la différence entre le courant de la chaîne et le courant que cette cellule peut encore produire.

On peut appeler cette différence le courant de désadaptation :

Imismatch = Ichaîne - Igénéré

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

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

ce qui est :

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Ichaîne - Igénéré)

Cette formule pointe vers un problème clé : pour un même courant de chaîne, plus la tension inverse est élevée, plus la cellule ombrée dissipe de puissance, et plus le point chaud devient chaud.

Donc, un élément clé pour lutter contre les points chauds est :

comment réduire la tension inverse sur la cellule ombrée et répartir la chaleur plus uniformément.

C'est exactement là où les cellules BC excellent.

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

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

En termes simples :

• l'avant comporte de fines grilles et des barres omnibus, et la lumière entre par l'avant ;

• le courant, une fois généré à l'intérieur de la cellule, est collecté par les électrodes avant et arrière.

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

les électrodes positive et négative se trouvent toutes deux à l'arrière de la cellule, et l'avant n'a pas de grilles métalliques.

Cela apporte deux avantages directs :

1. pas d'ombrage des grilles sur l'avant, donc une plus grande surface de réception de la lumière ;

2. les électrodes arrière peuvent être réalisées en forme de peigne, donc la collecte du courant est plus uniforme.

Figure 1 Schéma de la structure d'une 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

L'arrière d'une cellule BC comporte de nombreuses régions p et 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.

En même temps, comme ces jonctions PN arrière sont courtes et localement fortement dopées, elles peuvent entrer en claquage inverse à une tension inverse relativement faible.

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

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

Pourquoi les modules BC perdent-ils moins de puissance après un ombrage ?

Lorsqu'un module est partiellement ombragé, la cellule ombragée est poussée en polarisation inverse par le courant de la chaîne. À mesure que l'ombrage s'aggrave, la tension totale de cette section de la chaîne continue de chuter.

Dans les modules traditionnels, une diode de dérivation est généralement câblée 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 section de chaîne devient suffisamment négative, la diode de dérivation est polarisée en direct et s'allume d'elle-même.

La condition d'activation peut s'écrire :

V_sous-chaîne ≤ -V_f

Vsubstring est la tension totale de la section de chaîne protégée par la diode de dérivation ;

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

Pour une section de 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 positive ;

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

La condition d'activation de la diode de dérivation peut être lue comme suit :

∣∑Vombrées∣ ≥ ∑Vnon ombrées + Vf

En d'autres termes :

la somme des tensions inverses des cellules ombragées doit dépasser la somme des tensions directes des cellules non ombragées restantes, plus la tension de seuil de la diode de dérivation, avant que la diode de dérivation ne s'enclenche.

L'avantage d'un module BC est qu'avant même que la diode de dérivation externe ne s'allume, la propre structure de jonction PN interdigitée arrière de la cellule BC fournit déjà une conduction inverse distribuée. Cela se comporte un peu comme une diode Zener intégrée dans la cellule.

Sous polarisation inverse, la structure de jonction PN interdigitée à l'arrière d'une cellule BC peut former une conduction inverse distribuée à une tension plus basse, ce qui limite la montée de la tension inverse. Ainsi, sous ombrage partiel, avec la diode de dérivation externe non encore déclenchée, un module BC peut encore maintenir une puissance de sortie assez élevée.

Figure 2 La courbe IV du module lorsqu'une cellule est ombragée.

Source : E. Özkalay, F. Valoti, M. Caccivio, A. Virtuani, G. Friesen, et C. Ballif, "The effect of partial shading on the reliability of photovoltaic modules in the built-environment," EPJ Photovoltaics, vol. 15, p. 7, janv. 2024, doi: 10.1051/epjpv/2024001. Disponible : https://doi.org/10.1051/epjpv/2024001

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

Un malentendu courant doit être clarifié.

Les cellules BC tolèrent mieux l'ombrage, mais cela ne signifie pas que l'ombrage n'a aucun effet sur elles.

Toute cellule photovoltaïque produira moins d'énergie une fois ombragée.

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

Une fois la diode de dérivation activée, le courant contourne toute cette section de chaîne. Les cellules non ombragées de cette sous-chaîne sont contournées avec les cellules ombragées, et leur contribution à la sortie diminue sensiblement. Ainsi, lorsque la zone ombragée est grande, l'avantage de production d'un module BC s'affaiblit également.

Les modules BC ont généralement l'avantage lorsque :

• une seule cellule ou quelques cellules sont partiellement ombragées ;

• la zone ombragée dans chaque sous-chaîne est petite ;

• l'ombrage est diagonal, en bande, ou localement dispersé ;

• la diode de dérivation externe ne s'est pas encore complètement activée.

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 montre généralement une meilleure production tolérante à l'ombrage.

Pourquoi les modules BC chauffent-ils moins aux points chauds ?

Les modules BC ont des températures de points chauds plus basses principalement pour deux raisons.

Premièrement, le courant inverse est plus réparti

Dans les cellules ordinaires, la distribution du courant inverse est souvent inégale. La rupture inverse a tendance à se produire d'abord aux points faibles locaux, tels que :

• sites de défauts locaux ;

• bords de cellule ;

• zones de métallisation anormales ;

• microfissures ou zones contaminées ;

• zones avec une passivation locale faible.

Ces points agissent comme des points faibles.

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

C'est comme chauffer deux objets avec la même quantité de chaleur :

• une plaque métallique entière ;

• un point minuscule.

Ce dernier chauffe plus vite, sans aucun doute.

Ainsi, le risque d'une cellule ordinaire sous ombrage n'est pas un "chauffage uniforme sur toute la cellule", c'est un chauffage local intense en un point..

Une cellule BC possède de nombreuses jonctions PN entrelacées à l'arrière. La conduction inverse peut se propager plus facilement sur plusieurs régions au lieu de s'accumuler sur quelques points de défaut.

Ainsi, la distribution du courant inverse d'une cellule BC est plus uniforme, la densité de puissance locale est plus faible, et la température du point chaud est également plus basse.

Deuxièmement, la tension de claquage inverse est plus faible

Vous pouvez le voir à partir de la formule de puissance du point chaud :

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

Pour un même courant de désadaptation, plus la tension inverse est faible, moins la puissance de chauffage est élevée.

C'est pourquoi une faible tension de claquage inverse peut en fait servir de mécanisme de protection sous ombrage.

Voici un exemple simple.

Supposons que le courant de la chaîne du module soit de 10 A et qu'une cellule soit fortement ombragée.

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

P = 15 V × 10 A = 150 W

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

P = 6 V × 10 A = 60 W

La différence est frappante.

Bien sûr, 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 on ne peut pas la juger par un seul chiffre fixe.

Néanmoins, dans certains tests réels et retours d'expérience terrain, les modules BC fonctionnent généralement à des températures de points chauds 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", abaissant la température du point chaud à environ 90 °C tandis qu'un module de référence se situe près de 190 °C, ce qui montre que cette conception de conduction inverse distribuée peut réduire considérablement la température du point chaud.

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

Pas nécessairement.

Une faible tension de claquage inverse aide à abaisser la température du point chaud sous 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 normales de génération de la cellule.

Ainsi, une cellule BC à haut rendement doit généralement équilibrer deux objectifs :

1. pendant le fonctionnement normal, maintenir un rendement élevé, un faible courant de fuite et une résistance shunt élevée ;

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

C'est aussi pourquoi différentes cellules BC varient en performance d'ombrage.

Certaines cellules BC privilégient le rendement, donc elles peuvent s'isoler plus fortement et aboutir à une tension de claquage inverse plus élevée. D'autres privilégient la tolérance à l'ombrage, donc elles peuvent concevoir des chemins de claquage inverse plus bas et plus uniformes.

On ne peut donc pas dire simplement "toutes les cellules BC tolèrent l'ombrage de la même manière". Une affirmation plus précise est :

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

Résumé des avantages des cellules BC

En résumé, les avantages d'une cellule BC sous ombrage incluent principalement :

• moins de perte de puissance du module sous un ombrage de petite surface, avant l'activation de la diode de dérivation externe ;

• une densité de puissance locale plus faible ;

• une température de point chaud plus basse ;

• une marge de sécurité du module plus élevée.

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

En pratique, l'ombrage ne peut souvent pas être totalement évité.

Surtout dans les scénarios distribués, tels que :

• toits résidentiels ;

• toits commerciaux et industriels ;

• PV de balcon ;

• BIPV ;

• montage multi-orientation ;

• sites avec des bâtiments environnants complexes.

Dans ces applications, les modules peuvent souvent être partiellement ombragés.

Si une cellule tolère mieux l'ombrage et chauffe moins aux points chauds, cela signifie :

• Meilleure sécurité du module : une température de point chaud plus basse réduit le vieillissement de l'encapsulant, les dommages à la feuille arrière, les contraintes locales du verre et les risques électriques.

• Meilleure fiabilité à long terme : une 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 partiel 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-ombrage.

Conclusion

Les cellules BC tolèrent mieux l'ombrage et chauffent moins aux points chauds, principalement non pas parce qu'elles « ne sont pas affectées par l'ombrage », mais parce qu'elles présentent des avantages structurels et un comportement en polarisation inverse.

Avec une cellule ordinaire sous ombrage, le claquage inverse peut 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 répartie intégrée. Sous ombrage, elle peut former une conduction inverse à une tension inverse plus basse et répartir le courant inverse plus uniformément, ce qui abaisse la puissance et la température du point chaud.

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

Donc, plus précisément :

L'avantage d'une cellule BC n'est pas d'éliminer les effets d'ombrage, mais de les rendre plus contrôlables. Sous un ombrage de petite surface, elle peut réduire la perte de puissance ; sous un ombrage important, elle peut diminuer le risque de point chaud.

C'est la raison fondamentale pour laquelle les cellules BC sont meilleures dans les environnements d'ombrage complexes.

Point de vue d'Ooitech

Ce qui nous frappe ici, c'est que l'avantage d'ombrage du BC réside dans l'étape de métallisation à contact arrière, et non dans un matériau magique, ce qui signifie que la ligne de modules doit respecter des tolérances serrées sur le motif entrelacé pour obtenir cette faible tension de claquage inverse uniforme. Sur une ligne de production, nous avons observé les mêmes phénomènes physiques lors des tests EL et de points chauds, où un motif arrière irrégulier se manifeste par des points de claquage dispersés bien avant que le module ne voie une ombre. Si vous aimez ce genre d'analyse de ce qui se passe entre la cellule et le module fini, notre chaîne YouTube à www.youtube.com/ooitech propose plus de contenu depuis l'intérieur de vraies usines solaires.