Mengapa Sel Surya BC Menangani Naungan Lebih Baik dan Menjalankan Hot Spot yang Lebih Dingin
Daftar Isi
Pendahuluan
Naungan adalah masalah yang sangat umum dalam instalasi PV di dunia nyata.
Bayangan pohon, tiang utilitas, debu, kotoran burung, salju, bahkan sudut pemasangan modul yang sedikit tidak konsisten dapat menyebabkan naungan parsial. Naungan tidak hanya menurunkan keluaran modul, tetapi juga dapat memicu masalah yang lebih serius: titik panas.
Selama beberapa tahun terakhir, sel surya BC semakin menarik perhatian di atap terdistribusi, PV balkon, dan modul premium. Salah satu alasan utamanya adalah: Sel surya BC biasanya menawarkan toleransi naungan yang lebih baik, dan suhu titik panasnya tetap lebih rendah saat terkena naungan.
Di SNEC, Anda sering melihat produsen menaungi sebagian dari rangkaian sel dan kemudian menggunakan tinggi air dari pompa untuk memamerkan toleransi naungan produk BC mereka.
Jadi mengapa sel BC memiliki keunggulan ini? Apa fisika di baliknya?
Mari kita coba menjelaskannya dengan istilah yang cukup sederhana.
Mengapa Naungan Menyebabkan Titik Panas
Mengapa naungan menyebabkan titik panas?
Sel di dalam modul PV biasanya dihubungkan secara seri.
Rangkaian seri memiliki satu ciri khas: arus harus sama di mana-mana.
Itu berarti arus melalui seluruh rangkaian ditentukan oleh loop secara keseluruhan. Ketika setiap sel mendapat cahaya penuh, masing-masing menghasilkan daya dan semuanya berada dalam kondisi yang cukup konsisten.
Tetapi jika satu sel terkena bayangan, arus foto yang dapat dihasilkannya turun. Jika seluruh string masih perlu membawa arus besar, sel yang terkena bayangan tersebut dapat didorong ke bias balik oleh sel-sel lain yang tidak terkena bayangan. Pada titik itu, sel tersebut berhenti menjadi sumber daya dan berubah menjadi konsumen daya.
Untuk bayangan parsial, sel yang terkena bayangan tidak berhenti menghasilkan sepenuhnya. Area yang tidak terkena bayangan masih menghasilkan beberapa arus foto. Jadi, yang sebenarnya harus mengalir melalui jalur breakdown balik, jalur bocor, atau jalur bypass bukanlah arus string penuh, tetapi selisih antara arus string dan arus yang masih dapat dihasilkan oleh sel tersebut.
Selisih ini dapat disebut sebagai arus ketidakcocokan:
Imismatch = Istring - Igenerate
Jadi disipasi daya hot spot dapat ditulis secara kasar sebagai:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch
yaitu:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)
Rumus ini menunjukkan satu hal penting: pada arus string yang sama, semakin tinggi tegangan balik, semakin besar daya yang didisipasikan oleh sel yang terkena bayangan, dan semakin panas hot spot tersebut.
Jadi salah satu kunci untuk menahan hot spot adalah:
bagaimana menurunkan tegangan balik pada sel yang terkena bayangan dan membuat pemanasan lebih merata.
Di sinilah sel BC unggul.
Bagaimana Sel BC Berbeda dalam Struktur
Apa perbedaan struktural sel BC dengan sel biasa?
Sel silikon kristalin biasa biasanya menggunakan struktur kontak depan dan belakang.
Sederhananya:
Bagian depan memiliki garis kisi halus dan busbar, dan cahaya masuk dari depan;
Arus dihasilkan di dalam sel dan kemudian dikumpulkan melalui elektroda depan dan belakang.
Sel BC, yang berarti Back Contact, memiliki satu fitur menonjol:
kedua elektroda positif dan negatif terletak di bagian belakang sel, tanpa garis kisi logam di bagian depan.
Itu memberikan dua manfaat langsung:
Tidak ada bayangan garis kisi di depan, sehingga area penerima cahaya lebih banyak;
Elektroda belakang dapat dibangun dalam pola interdigitated, sehingga pengumpulan arus lebih merata.
Gambar 1 Skema struktur sel BC.
Sumber: 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
Bagian belakang sel BC memiliki banyak daerah-p dan daerah-n yang saling berselang. Di antara daerah-daerah ini terdapat banyak sambungan PN pendek yang didoping berat. Dari sudut pandang rangkaian, sel ini tidak lagi berperilaku seperti satu dioda besar, tetapi lebih seperti banyak dioda kecil yang terhubung paralel. Di bawah bias balik, sambungan PN yang terdistribusi ini dapat membentuk jalur konduksi balik yang lebih merata.
Karena sambungan PN belakang ini pendek dan didoping berat secara lokal, mereka dapat memasuki breakdown balik pada tegangan balik yang relatif rendah.
Tentu saja, ini tergantung pada parameter desain spesifik sel BC.
Misalnya, semakin kecil celah antara daerah-p dan daerah-n, semakin kuat medan lokalnya, dan biasanya semakin mudah untuk membentuk tegangan breakdown balik yang lebih rendah. Namun hal ini juga dapat membawa trade-off pada kebocoran dan resistansi shunt. Jadi toleransi naungan sel BC bukanlah nilai yang tetap. Ini terkait erat dengan struktur sel spesifik, desain pola belakang, ukuran celah, konsentrasi doping, kualitas pasivasi, dan proses manufaktur.
Mengapa Sel BC Kehilangan Daya Lebih Sedikit Saat Ternaungi
Mengapa sel BC kehilangan daya lebih sedikit setelah ternaungi?
Ketika modul mendapat naungan parsial, arus string mendorong sel yang ternaungi ke dalam bias balik. Semakin parah naungan, semakin turun tegangan total pada substring tersebut.
Pada modul tradisional, dioda bypass biasanya ditempatkan paralel di seluruh bagian string. Dioda bypass tidak diaktifkan secara aktif oleh pengontrol. Ini adalah perangkat pasif. Apakah ia menghantarkan hanya tergantung pada tegangan yang melintasinya. Ketika tegangan total substring tersebut menjadi cukup negatif, dioda bypass menjadi bias maju dan menyala secara otomatis.
Kondisi penyalaan dapat ditulis sebagai:
Vsubstring ≤ -Vf
Vsubstring adalah tegangan total dari substring yang dilindungi oleh dioda bypass;
Vf adalah penurunan tegangan maju dari dioda bypass.
Untuk sebuah substring, tegangan totalnya dapat dipahami sebagai:
Vsubstring = ∑Vtidak ternaungi + ∑Vternaungi
di mana:
Sel yang tidak ternaungi masih menghasilkan tegangan maju;
Sel yang diarsir mengalami bias balik dan menghasilkan tegangan negatif.
Kondisi aktifnya dioda bypass dapat dibaca sebagai:
∣∑Vshaded∣ ≥ ∑Vunshaded + Vf
Dengan kata lain:
total tegangan balik dari sel yang diarsir harus melebihi total tegangan maju dari sel yang tidak diarsir, ditambah penurunan tegangan maju dioda bypass, sebelum dioda bypass aktif.
Keuntungan modul BC adalah, sebelum dioda bypass eksternal aktif, struktur sambungan PN belakang yang saling menjari dari sel BC itu sendiri sudah menyediakan kemampuan konduksi balik terdistribusi. Ini berperilaku seperti dioda Zener internal di dalam sel.
Di bawah bias balik, sambungan PN belakang yang saling menjari dari sel BC dapat membentuk konduksi balik terdistribusi pada tegangan yang lebih rendah, membatasi kenaikan tegangan balik lebih lanjut. Jadi di bawah naungan parsial, ketika dioda bypass eksternal belum aktif, modul BC masih dapat mempertahankan daya keluaran yang relatif tinggi.
Gambar 2 Kurva IV modul dengan satu sel yang diarsir.
Sumber: E. Özkalay, F. Valoti, M. Caccivio, A. Virtuani, G. Friesen, and 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. Tersedia di: https://doi.org/10.1051/epjpv/2024001
Toleransi yang Lebih Baik Bukan Berarti Kebal Terhadap Naungan
Toleransi naungan yang lebih baik tidak berarti sel BC kebal terhadap naungan
Satu kesalahpahaman umum perlu diluruskan.
Toleransi naungan yang lebih baik tidak berarti sel BC tidak terpengaruh oleh naungan.
Setiap sel PV menghasilkan daya lebih sedikit setelah ternaungi.
Jika area yang ternaungi dalam satu substring terlalu besar, atau beberapa sel ternaungi sepenuhnya, maka total tegangan balik dari sel yang ternaungi masih dapat melebihi total tegangan maju dari sel yang tidak ternaungi. Pada titik itu, dioda bypass eksternal aktif.
Setelah dioda bypass aktif, arus mengalir melewati seluruh substring tersebut. Sel yang tidak ternaungi dalam substring itu juga dilewati, dan kontribusinya terhadap keluaran turun drastis. Jadi ketika area yang ternaungi besar, keunggulan pembangkitan modul BC juga melemah.
Skenario di mana modul BC benar-benar unggul biasanya:
Satu sel atau beberapa sel mendapat naungan parsial;
Area yang teduh di setiap sub-string tetap kecil;
Peneduhan bersifat diagonal, berbentuk strip, atau tersebar secara lokal;
Dioda bypass eksternal belum sepenuhnya aktif.
Misalnya, bayangan diagonal dari tiang utilitas mungkin hanya menyisakan area teduh kecil di setiap sub-string. Dalam kasus tersebut, modul BC cenderung menunjukkan toleransi peneduhan yang lebih baik.
Mengapa Modul BC Memiliki Hot Spot yang Lebih Dingin
Mengapa modul BC memiliki suhu hot spot yang lebih rendah?
Ada dua alasan utama mengapa modul BC memiliki hot spot yang lebih dingin.
Pertama, arus balik lebih tersebar
Untuk sel biasa, distribusi arus balik sering tidak merata. Breakdown balik mungkin pertama kali terjadi pada beberapa titik lemah lokal, seperti:
Titik cacat lokal;
Tepi sel;
Anomali metalisasi;
Retak mikro atau area terkontaminasi;
Daerah dengan pasivasi lokal yang lebih lemah.
Titik-titik ini bertindak seperti titik lemah.
Begitu arus balik terkonsentrasi di titik-titik lemah ini, kepadatan daya lokal menjadi sangat tinggi, suhu naik dengan cepat, dan hot spot yang jelas terbentuk.
Ini seperti menggunakan jumlah panas yang sama pada dua objek:
Sebuah pelat logam utuh;
Titik seukuran jarum.
Yang terakhir pasti lebih cepat panas.
Jadi risiko untuk sel biasa di bawah peneduhan bukanlah "pemanasan merata di seluruh sel," melainkan pemanasan titik lokal yang kuat.
Sel BC memiliki banyak sambungan PN yang saling menyilang di bagian belakangnya. Konduksi balik dapat menyebar lebih mudah ke beberapa daerah, bukan hanya terkonsentrasi pada beberapa titik cacat.
Jadi arus balik pada sel BC terdistribusi lebih merata, kepadatan daya lokal tetap lebih rendah, dan suhu hot spot juga tetap lebih rendah.
Kedua, tegangan breakdown balik lebih rendah
Dari rumus daya hot spot:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch
pada arus mismatch yang sama, tegangan balik yang lebih rendah berarti disipasi daya yang lebih kecil.
Itulah mengapa tegangan breakdown balik yang rendah sebenarnya dapat bertindak sebagai mekanisme perlindungan dalam skenario peneduhan.
Berikut contoh sederhana.
Katakanlah arus string adalah 10A dan satu sel mengalami naungan berat.
Jika sel biasa mencapai tegangan balik 15V setelah ternaung, daya yang dihamburkannya kira-kira:
P = 15V × 10A = 150W
Jika sel BC menjepit karena struktur belakangnya dan tegangan balik dibatasi sekitar 6V, daya yang dihamburkannya kira-kira:
P = 6V × 10A = 60W
Perbedaannya sangat jelas.
Suhu titik panas sebenarnya tergantung pada area yang ternaung, suhu sekitar, kecepatan angin, enkapsulasi modul, ukuran kaca, desain sel, dan metode pengujian, sehingga Anda tidak bisa menilainya hanya dengan satu angka tetap.
Namun dalam beberapa pengujian nyata dan pengalaman lapangan, modul BC biasanya memiliki suhu titik panas yang lebih rendah daripada modul konvensional. Misalnya, beberapa modul BC dapat menjaga suhu titik panas di bawah sekitar 120 °C, sementara tipe modul lain mungkin mencapai 160 °C atau bahkan lebih tinggi.
Beberapa sel BC yang dirancang khusus mencapai sesuatu seperti "dioda bypass internal di dalam sel." Hal itu dapat menurunkan suhu titik panas hingga sekitar 90 °C sementara modul referensi berada di sekitar 190 °C, menunjukkan bahwa desain konduksi balik terdistribusi semacam ini dapat mengurangi suhu titik panas secara signifikan.
Apakah Tegangan Breakdown Balik yang Lebih Rendah Selalu Lebih Baik
Apakah tegangan breakdown balik yang lebih rendah selalu lebih baik?
Belum tentu.
Tegangan breakdown balik yang rendah membantu menurunkan suhu titik panas selama naungan, tetapi juga dapat membawa trade-off desain.
Jika jalur konduksi balik dirancang dengan buruk, hal itu dapat meningkatkan kebocoran dan menurunkan resistansi shunt, yang merusak kinerja pembangkitan normal sel.
Jadi sel BC berefisiensi tinggi biasanya harus menyeimbangkan dua tujuan:
Selama operasi normal, pertahankan efisiensi tinggi, kebocoran rendah, dan resistansi shunt tinggi;
Di bawah bias balik naungan, bentuk konduksi balik yang aman dan merata pada tegangan yang lebih rendah.
Itulah juga mengapa toleransi naungan bervariasi antara sel BC yang berbeda.
Beberapa sel BC condong ke efisiensi dan mungkin membangun isolasi yang lebih kuat, sehingga tegangan breakdown baliknya lebih tinggi. Yang lain condong ke toleransi naungan dan mungkin merancang jalur breakdown balik yang lebih rendah dan lebih merata.
Jadi Anda tidak bisa begitu saja mengatakan "semua sel BC memiliki toleransi naungan yang sama." Cara yang lebih akurat untuk mengatakannya adalah:
sel BC yang dirancang dengan baik dapat menggunakan struktur sambungan PN belakang interdigitatednya untuk mencapai breakdown balik yang lebih rendah dan lebih merata, dan itu meningkatkan toleransi terhadap bayangan dan hot spot.
Keunggulan Sel BC Dirangkum
Keunggulan sel BC dirangkum
Secara keseluruhan, keunggulan sel BC di bawah bayangan terutama meliputi:
Kehilangan pembangkitan modul yang lebih kecil di bawah bayangan area kecil, sebelum dioda bypass eksternal aktif;
Kepadatan daya lokal yang lebih rendah;
Suhu hot spot yang lebih rendah;
Margin keamanan modul yang lebih tinggi.
Apa Artinya Ini untuk Aplikasi Modul
Apa artinya ini untuk aplikasi modul?
Dalam penggunaan nyata, bayangan seringkali tidak dapat dihindari sepenuhnya.
Terutama dalam skenario terdistribusi, seperti:
Atap perumahan;
Atap komersial dan industri;
PV balkon;
BIPV;
Pemasangan multi-orientasi;
Lokasi yang dikelilingi bangunan kompleks.
Dalam aplikasi ini, modul sering menghadapi bayangan lokal.
Jika sel memiliki toleransi bayangan yang lebih baik dan suhu hot spot yang lebih rendah, itu berarti:
Keamanan modul yang lebih baik: suhu hot spot rendah mengurangi penuaan enkapsulasi, kerusakan backsheet, tekanan kaca lokal, dan risiko listrik.
Keandalan jangka panjang yang lebih baik: suhu tinggi lokal mempercepat penuaan material. Semakin lemah hot spot, semakin stabil modul seiring waktu.
Kehilangan pembangkitan yang lebih terkendali: ketika bayangan lokal tidak dapat dihindari, modul BC dapat mengurangi sebagian kehilangan daya.
Desain sistem yang lebih ramah.
Modul BC beradaptasi lebih baik pada atap kompleks, lingkungan pemasangan terdistribusi, dan skenario multi-bayangan.
Ringkasan
Ringkasan
Sel BC menawarkan toleransi bayangan yang lebih baik dan suhu hot spot yang lebih rendah, bukan karena mereka "tidak terpengaruh oleh bayangan," tetapi karena mereka memiliki keunggulan dalam struktur dan perilaku bias balik.
Di bawah bayangan, sel biasa mungkin mengalami breakdown balik yang terkonsentrasi pada titik cacat lokal, menyebabkan kepadatan daya lokal yang tinggi dan suhu hot spot yang tinggi.
Struktur sambungan PN belakang interdigitated dari sel BC bertindak seperti penjepit balik internal terdistribusi. Di bawah naungan, ia dapat membentuk konduksi balik pada tegangan balik yang lebih rendah dan menyebarkan arus balik lebih merata, yang menurunkan daya titik panas dan suhu titik panas.
Namun perlu diingat, sel BC tidak sepenuhnya kebal terhadap naungan. Ketika area yang teduh terlalu besar, beberapa sel menjadi teduh penuh, dan tegangan substring menjadi cukup negatif, dioda bypass eksternal masih akan menyala. Pada titik itu, output substring yang dilewati turun secara signifikan.
Jadi cara yang lebih akurat untuk mengatakannya:
keuntungan sel BC bukan untuk menghilangkan efek naungan, tetapi untuk membuat efek itu lebih terkendali. Di bawah naungan area kecil, ia mengurangi kehilangan daya; di bawah naungan berat, ia menurunkan risiko titik panas.
Itulah alasan mendasar mengapa sel BC memiliki keunggulan di lingkungan naungan yang kompleks.
Pandangan Ooitech
Bagian yang menarik di sini adalah bahwa toleransi naungan bukan hanya pilihan desain sel, tetapi juga tergantung pada seberapa konsisten pola belakang interdigitated itu direproduksi di setiap sel dalam satu jalur. Penyimpangan kecil dalam metalisasi, ukuran celah, atau kualitas pasivasi dapat menggeser perilaku breakdown balik yang baru saja kita jelaskan, itulah sebabnya kontrol proses pada jalur modul BC sama pentingnya dengan resep sel. Ooitech telah menghabiskan waktu bertahun-tahun membangun jalur produksi modul turnkey untuk modul TOPCon, HPBC, ABC, dan tipe BC lainnya, jadi kami mengamati jendela proses kontak belakang ini dengan cermat. Jika Anda ingin melihat bagaimana modul-modul ini benar-benar dibuat di lantai pabrik, saluran YouTube kami di www.youtube.com/ooitech memiliki banyak rekaman lini produksi nyata yang layak ditonton.
