Pourquoi les cellules solaires BC offrent-elles une meilleure tolérance à l'ombrage et une température de point chaud plus basse ?

Introduction du produit

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

Les ombres d'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 ne réduit pas seulement la production d'un module, il peut aussi déclencher un problème plus grave : points chauds.

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

Au SNEC, vous voyez souvent des vendeurs ombrager une partie d'une cellule puis montrer la tolérance à l'ombrage de leurs produits BC en observant à quelle hauteur 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 à travers toute la chaîne est défini par la boucle série ensemble. 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 chute. 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, elle cesse d'être un générateur et devient un élément consommateur d'énergie.

Pour un ombrage partiel, la cellule ombragée n'est pas complètement morte. La partie 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.

Nous pouvons appeler cette différence le courant de désadaptation :

Imismatch = Istring - Igénéré

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

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

ce qui est :

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igénéré)

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

Ainsi, une 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 diffère-t-elle structurellement d'une cellule ordinaire ?

Les cellules ordinaires en silicium cristallin ont généralement une structure de contact avant-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, c'est-à-dire Back Contact, a une caractéristique déterminante :

les électrodes positive et négative se trouvent toutes deux à l'arrière de la cellule, et l'avant ne comporte aucune grille métallique.

Cela apporte deux avantages directs :

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

2. les électrodes arrière peuvent être réalisées en interdigitation, 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 grosse 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, parce que 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 plus il est 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 ombré, la cellule ombrée 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 ne dépend que 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 de déclenchement peut être écrite comme suit :

V_sous-chaîne ≤ -Vf

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

Vf 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 de déclenchement de la diode de dérivation peut être lue comme :

∣∑V_ombragé∣ ≥ ∑V_non_ombragé + 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 chute de tension d'activation de la diode de dérivation, avant que la diode de dérivation ne s'enclenche.

L'avantage d'un module BC est que, avant même que la diode de dérivation externe ne s'allume, la structure de jonction PN interdigitée à l'arrière de la cellule BC fournit déjà une certaine conduction inverse répartie. 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 répartie à une tension plus basse, ce qui limite la montée de la tension inverse. Ainsi, sous un 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, "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 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, la diode de dérivation externe s'allume.

Une fois la diode de dérivation allumée, 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 génération d'un module BC s'affaiblit également.

Les modules BC ont tendance à avoir 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 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 génération 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 tend à se produire d'abord aux points faibles locaux, tels que :

• les sites de défauts locaux ;

• les bords de cellule ;

• les zones de métallisation anormales ;

• les microfissures ou zones contaminées ;

• les 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 de la taille d'une épingle.

Ce dernier chauffe plus vite, sans aucun doute.

Ainsi, le risque d'une cellule ordinaire sous ombrage n'est pas un « chauffage uniforme de toute la cellule », c'est un chauffage local intense.

Une cellule BC a de nombreuses jonctions PN interdigitées à l'arrière. La conduction inverse peut se propager plus facilement sur de nombreuses 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 rupture inverse est plus basse

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

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

Au même courant de désadaptation, plus la tension inverse est basse, moins il y a de puissance de chauffage.

C'est pourquoi une faible tension de rupture inverse peut en fait fonctionner comme un mécanisme de protection sous ombrage.

Voici un exemple simple.

Disons que le courant de la chaîne du module 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 d'environ :

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 6 V, la puissance qu'elle dissipe est d'environ :

P = 6V × 10A = 60W

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 expériences de terrain, les modules BC fonctionnent généralement plus froids au niveau des points chauds 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 », réduisant 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 réduire 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 de génération normales de la cellule.

Ainsi, une cellule BC à haute efficacité 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 termes de performance sous 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.

Donc on ne peut pas simplement dire que « 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 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.

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 fonctionne plus froide 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 sur le verre et les risques électriques.

• 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 production 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-ombrages.

Conclusion

Les cellules BC tolèrent mieux l'ombrage et fonctionnent plus froides aux points chauds, principalement non pas parce qu'elles « ne sont pas affectées par l'ombrage », mais parce qu'elles présentent des avantages en termes de structure et de comportement en polarisation inverse.

Avec une cellule ordinaire sous ombrage, la rupture 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 à l'arrière d'une cellule BC agit comme une pince inverse intégrée et distribuée. Sous ombrage, elle peut former une conduction inverse à une tension inverse plus basse et répartir plus uniformément le courant inverse, ce qui réduit la puissance du point chaud et sa température.

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 sortie de la sous-chaîne dérivée diminue sensiblement.

Donc, plus précisément :

L'avantage d'une cellule BC n'est pas d'éliminer les effets de l'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 réduire le risque de point chaud.

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

Point de vue d'Ooitech

Ce qui nous frappe vraiment ici, c'est que l'avantage de BC en matière d'ombrage réside dans l'étape de métallisation des contacts arrière, et non dans un matériau magique, ce qui signifie que la ligne de production de modules doit respecter des tolérances strictes sur le motif interdigité pour obtenir réellement cette rupture inverse faible et uniforme. Sur une ligne de production, nous avons vu la même physique se manifester dans les tests EL et de points chauds, où un motif arrière inégal apparaît comme des points de rupture 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 un module fini, notre chaîne YouTube à l'adresse www.youtube.com/ooitech propose plus de contenu depuis l'intérieur de vraies usines solaires.