Mengapa Sel Surya BC Menawarkan Toleransi Naungan yang Lebih Baik dan Suhu Hot-Spot yang Lebih Rendah?
Daftar Isi
Pengantar Produk
Naungan adalah salah satu masalah paling umum dalam instalasi PV di dunia nyata.
Bayangan pohon, tiang utilitas, debu, kotoran burung, salju, bahkan sudut pemasangan yang tidak rata dapat menyebabkan naungan parsial. Naungan tidak hanya mengurangi keluaran modul, tetapi juga dapat memicu masalah yang lebih serius: titik panas.
Akhir-akhir ini sel surya BC telah menarik banyak perhatian di atap terdistribusi, PV balkon, dan modul premium. Salah satu alasan besar: Sel BC biasanya menangani naungan dengan lebih baik, dan beroperasi pada suhu titik panas yang lebih rendah saat terkena naungan.
Di SNEC, Anda sering melihat vendor menaungi sebagian sel dan kemudian menunjukkan toleransi naungan produk BC mereka dengan melihat seberapa tinggi pompa air dapat menyemprot.
Jadi mengapa sel BC memiliki keunggulan ini? Apa fisika di baliknya?
Mari kita coba jelaskan dengan bahasa yang sederhana.
Mengapa naungan menyebabkan titik panas?
Sel-sel dalam modul PV biasanya dihubungkan secara seri.
Rangkaian seri memiliki satu ciri utama: arus harus sama di mana-mana.
Itu berarti arus melalui seluruh string ditentukan oleh loop seri secara bersama-sama. Ketika setiap sel mendapat cahaya penuh, masing-masing menghasilkan daya dan semuanya berperilaku cukup konsisten.
Tetapi jika satu sel terkena naungan, arus foto-generasi yang dapat dihasilkannya turun. Jika string masih perlu mendorong arus yang lebih besar melaluinya, sel yang teduh itu dapat dipaksa ke dalam bias balik oleh sel-sel lain yang tidak teduh. Pada titik itu, ia berhenti menjadi generator dan berubah menjadi elemen pemakan daya.
Untuk naungan parsial, sel yang ternaungi tidak sepenuhnya mati. Bagian yang tidak ternaungi masih menghasilkan 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.
Kita dapat menyebut selisih ini sebagai arus ketidakcocokan:
Imismatch = Istring - Igenerate
Jadi daya pemanasan hot-spot dapat ditulis secara kasar sebagai:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch
yaitu:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)
Rumus ini menunjukkan masalah utama: pada arus string yang sama, semakin tinggi tegangan balik, semakin besar daya yang dibakar oleh sel yang ternaungi, dan semakin panas hot-spot tersebut.
Jadi salah satu kunci untuk melawan hot-spot adalah:
bagaimana menurunkan tegangan balik pada sel yang ternaungi, dan menyebarkan panas secara lebih merata.
Di sinilah sel BC unggul.
Apa perbedaan struktural sel BC dengan sel biasa?
Sel silikon kristalin biasa biasanya memiliki struktur kontak depan dan belakang.
Sederhananya:
• bagian depan memiliki garis kisi dan busbar halus, dan cahaya masuk dari depan;
• arus, setelah dihasilkan di dalam sel, dikumpulkan oleh elektroda depan dan belakang.
Sel BC, yang berarti Back Contact, memiliki satu fitur penentu:
elektroda positif dan negatif keduanya berada di bagian belakang sel, dan bagian depan tidak memiliki garis kisi logam.
Itu membawa dua manfaat langsung:
tidak ada naungan garis kisi di depan, sehingga area penerima cahaya lebih besar;
elektroda belakang dapat dibuat saling menyilang, sehingga pengumpulan arus lebih seragam.
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 n yang saling berselang. Di antara daerah-daerah ini terdapat banyak sambungan PN pendek yang didoping berat. Dari sudut pandang rangkaian, ia tidak lagi berperilaku seperti satu dioda besar, tetapi lebih seperti banyak dioda kecil yang paralel. Di bawah bias balik, sambungan PN yang terdistribusi ini dapat membentuk jalur konduksi balik yang lebih seragam.
Pada saat yang sama, 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 n, semakin kuat medan lokalnya, dan biasanya semakin mudah untuk mendapatkan tegangan tembus balik yang lebih rendah. Namun hal ini juga dapat membawa trade-off pada kebocoran dan resistansi shunt. Jadi toleransi naungan sel BC bukanlah angka tetap, melainkan terkait erat dengan struktur sel, desain pola belakang, ukuran celah, konsentrasi doping, kualitas pasivasi, dan proses manufaktur.
Mengapa modul BC kehilangan daya lebih sedikit setelah ternaungi?
Ketika modul mendapat naungan parsial, sel yang ternaungi didorong ke bias balik oleh arus string. Semakin parah naungannya, tegangan total dari bagian string tersebut terus turun.
Pada modul tradisional, dioda bypass biasanya dihubungkan secara paralel di seluruh bagian string. Dioda bypass tidak diaktifkan secara aktif oleh pengontrol. Ini adalah perangkat pasif. Apakah ia menghantarkan arus hanya tergantung pada tegangan yang melintasinya. Ketika tegangan total dari bagian string tersebut menjadi cukup negatif, dioda bypass menjadi bias maju dan menyala dengan sendirinya.
Kondisi penyalaan dapat ditulis sebagai:
Vsubstring ≤ -Vf
Vsubstring adalah tegangan total dari bagian string yang dilindungi oleh dioda bypass;
Vf adalah penurunan tegangan maju dari dioda bypass.
Untuk suatu bagian string, tegangan totalnya dapat dipahami sebagai:
Vsubstring = ∑Vtidak ternaungi + ∑Vternaungi
di mana:
sel yang tidak ternaungi masih menghasilkan tegangan positif;
sel yang ternaungi mendapat bias balik dan menghasilkan tegangan negatif.
Kondisi aktifnya dioda bypass dapat dibaca sebagai:
∣∑Vshaded∣ ≥ ∑Vunshaded + Vf
Dengan kata lain:
jumlah tegangan balik dari sel yang ternaungi harus melebihi jumlah tegangan maju dari sel yang tidak ternaungi yang tersisa, ditambah tegangan nyala dioda bypass, sebelum dioda bypass aktif.
Keuntungan modul BC adalah, sebelum dioda bypass eksternal menyala, struktur sambungan PN interdigitasi belakang sel BC sendiri sudah menyediakan konduksi balik terdistribusi. Ini berperilaku sedikit seperti dioda zener yang terintegrasi di dalam sel.
Di bawah bias balik, struktur sambungan PN interdigitasi di bagian belakang sel BC dapat membentuk konduksi balik terdistribusi pada tegangan yang lebih rendah, yang membatasi seberapa tinggi tegangan balik dapat naik. Jadi di bawah naungan parsial, dengan dioda bypass eksternal belum terpicu, modul BC masih dapat mempertahankan daya keluaran yang cukup tinggi.
Gambar 2 Kurva IV modul ketika satu sel ternaungi.
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 naungan yang lebih baik tidak berarti kebal terhadap naungan
Satu kesalahpahaman umum perlu diluruskan.
Sel BC lebih toleran terhadap naungan, tetapi itu tidak berarti naungan tidak berpengaruh pada mereka.
Setiap sel PV akan menghasilkan daya yang lebih rendah setelah terkena bayangan.
Jika area yang terkena bayangan dalam satu substring terlalu besar, atau beberapa sel tertutup bayangan sepenuhnya, maka tegangan balik total dari sel yang terkena bayangan pada akhirnya dapat melebihi tegangan maju total dari sel yang tidak terkena bayangan. Pada titik itu, dioda bypass eksternal akan aktif.
Setelah dioda bypass aktif, arus akan mengalir melewati seluruh bagian string ini. Sel yang tidak terkena bayangan dalam substring ini ikut dilewati bersama dengan yang terkena bayangan, dan kontribusinya terhadap output berkurang secara signifikan. Jadi ketika area yang terkena bayangan besar, keunggulan pembangkitan modul BC juga melemah.
Modul BC cenderung unggul ketika:
satu sel atau beberapa sel terkena bayangan sebagian;
area yang terkena bayangan dalam setiap substring kecil;
bayangan bersifat diagonal, seperti strip, atau tersebar secara lokal;
dioda bypass eksternal belum sepenuhnya aktif.
Misalnya, bayangan diagonal dari tiang utilitas dapat membuat setiap substring hanya memiliki area bayangan kecil. Dalam kasus itu, modul BC biasanya menunjukkan pembangkitan toleran bayangan yang lebih baik.
Mengapa modul BC beroperasi lebih dingin pada titik panas?
Modul BC memiliki suhu titik panas yang lebih rendah terutama karena dua alasan.
Pertama, arus balik lebih tersebar
Pada sel biasa, distribusi arus balik sering tidak merata. Kerusakan balik cenderung terjadi pertama kali pada titik lemah lokal, seperti:
situs cacat lokal;
tepi sel;
area metalisasi abnormal;
retak mikro atau area terkontaminasi;
area dengan pasivasi lokal yang lemah.
Titik-titik ini bertindak seperti titik lemah.
Setelah arus balik terkonsentrasi pada titik-titik lemah ini, kepadatan daya lokal menjadi sangat tinggi, suhu naik dengan cepat, dan titik panas yang jelas terbentuk.
Ini seperti memanaskan dua benda dengan jumlah panas yang sama:
seluruh pelat logam;
titik seukuran jarum.
Yang terakhir memanas lebih cepat, tidak diragukan lagi.
Jadi risiko sel biasa di bawah bayangan bukanlah "pemanasan merata di seluruh sel", melainkan pemanasan titik lokal yang intens..
Sebuah sel BC memiliki banyak sambungan PN yang saling terkait di bagian belakang. Konduksi balik dapat menyebar lebih mudah ke banyak area, bukan menumpuk pada beberapa titik cacat.
Jadi distribusi arus balik sel BC lebih seragam, kerapatan daya lokal lebih rendah, dan suhu titik panas juga lebih rendah.
Kedua, tegangan breakdown balik lebih rendah
Anda bisa melihatnya dari rumus daya titik panas:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch
Pada arus ketidakcocokan yang sama, semakin rendah tegangan balik, semakin sedikit daya pemanasan.
Itulah mengapa tegangan tembus balik yang rendah sebenarnya dapat berfungsi sebagai mekanisme perlindungan di bawah naungan.
Berikut contoh sederhana.
Katakanlah arus string modul adalah 10A, dan satu sel terkena naungan parah.
Jika sel biasa mencapai tegangan balik 15V setelah naungan, daya yang terbakar sekitar:
P = 15V × 10A = 150W
Jika sel BC menjepit karena struktur belakangnya dan tegangan balik dibatasi sekitar 6V, daya yang terbakar sekitar:
P = 6V × 10A = 60W
Perbedaannya sangat mencolok.
Tentu saja, suhu titik panas sebenarnya tergantung pada area yang teduh, suhu sekitar, kecepatan angin, enkapsulasi modul, ukuran kaca, desain sel, dan metode pengujian, jadi Anda tidak bisa menilainya hanya dengan satu angka tetap.
Meski begitu, dalam beberapa pengujian nyata dan pengalaman lapangan, modul BC biasanya berjalan lebih dingin pada titik panas dibandingkan 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 bawaan", menurunkan suhu titik panas hingga sekitar 90 °C sementara modul referensi berada di dekat 190 °C, yang menunjukkan desain konduksi balik terdistribusi ini dapat memotong suhu titik panas secara signifikan.
Apakah tegangan breakdown balik yang lebih rendah selalu lebih baik?
Belum tentu.
Tegangan tembus balik yang rendah membantu menurunkan suhu titik panas di bawah 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, menjaga efisiensi tinggi, kebocoran rendah, dan resistansi shunt tinggi;
di bawah bias balik dari naungan, membentuk konduksi balik yang aman dan seragam pada tegangan rendah.
Itu juga mengapa sel BC yang berbeda bervariasi dalam kinerja naungan.
Beberapa sel BC condong ke efisiensi, sehingga mereka mungkin mengisolasi lebih kuat dan berakhir dengan tegangan tembus balik yang lebih tinggi. Yang lain condong ke toleransi naungan, sehingga mereka mungkin merancang jalur tembus balik yang lebih rendah dan lebih seragam.
Jadi Anda tidak bisa hanya mengatakan "semua sel BC mentolerir naungan dengan cara yang sama". Pernyataan yang lebih akurat adalah:
sel BC yang dirancang dengan baik dapat mencapai tegangan tembus balik yang lebih rendah dan lebih seragam melalui struktur sambungan PN interdigitasi belakangnya, yang meningkatkan toleransi terhadap bayangan dan titik panas.
Ringkasan keunggulan sel BC
Secara keseluruhan, keunggulan sel BC di bawah bayangan terutama meliputi:
lebih sedikit kehilangan daya modul pada bayangan area kecil, sebelum dioda bypass eksternal aktif;
kepadatan daya lokal yang lebih rendah;
suhu titik panas yang lebih rendah;
margin keamanan modul yang lebih tinggi.
Apa artinya ini untuk aplikasi modul?
Dalam praktiknya, bayangan seringkali tidak dapat dihindari sepenuhnya.
Terutama dalam skenario terdistribusi, seperti:
atap perumahan;
atap komersial dan industri;
PV balkon;
BIPV;
pemasangan multi-orientasi;
lokasi dengan bangunan sekitar yang kompleks.
Dalam aplikasi ini, modul mungkin sering mendapat bayangan sebagian.
Jika sel lebih toleran terhadap bayangan dan berjalan lebih dingin pada titik panas, itu berarti:
Keamanan modul yang lebih baik: suhu titik panas yang lebih rendah mengurangi penuaan enkapsulan, kerusakan lembaran belakang, 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 sebagian 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.
Kesimpulan
Sel BC lebih toleran terhadap bayangan dan berjalan lebih dingin pada titik panas, terutama bukan karena mereka "tidak terpengaruh oleh bayangan", tetapi karena mereka memiliki keunggulan dalam struktur dan perilaku bias balik.
Dengan sel biasa di bawah bayangan, tembus balik dapat terkonsentrasi pada titik cacat lokal, mendorong kepadatan daya lokal yang tinggi dan suhu titik panas yang tinggi.
Struktur sambungan PN interdigitasi belakang dari sel BC bertindak seperti penjepit balik terdistribusi yang terintegrasi. Di bawah bayangan, 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 tahan terhadap bayangan. Ketika area yang teduh terlalu besar, beberapa sel sepenuhnya teduh, dan tegangan substring menjadi cukup negatif, dioda bypass eksternal masih aktif. Pada titik itu, output substring yang dilewati turun secara signifikan.
Jadi lebih tepatnya:
Keunggulan sel BC bukanlah menghilangkan efek bayangan, melainkan membuatnya lebih terkendali. Di bawah bayangan area kecil, ia dapat memotong kehilangan daya; di bawah bayangan berat, ia dapat menurunkan risiko titik panas.
Itulah alasan mendasar mengapa sel BC berkinerja lebih baik di lingkungan bayangan yang kompleks.
Pandangan Ooitech
Yang benar-benar mencolok di sini adalah bahwa keunggulan bayangan BC terletak pada langkah metalisasi kontak belakang, bukan pada material ajaib, yang berarti jalur modul harus mencapai toleransi ketat pada pola interdigitated untuk benar-benar mendapatkan breakdown balik yang rendah dan merata. Di jalur produksi, kami telah melihat fisika yang sama terjadi dalam pengujian EL dan titik panas, di mana pola belakang yang tidak merata muncul sebagai titik breakdown yang tersebar jauh sebelum modul melihat bayangan. Jika Anda menyukai pembongkaran semacam ini tentang apa yang terjadi antara sel dan modul jadi, saluran YouTube kami di www.youtube.com/ooitech memiliki lebih banyak dari dalam pabrik surya nyata.
