Tại sao pin mặt trời BC có khả năng chịu bóng tốt hơn và nhiệt độ điểm nóng thấp hơn?
Giới thiệu sản phẩm
Bóng râm là một trong những vấn đề phổ biến nhất trong các hệ thống PV thực tế.
Bóng cây, cột điện, bụi, phân chim, tuyết, thậm chí góc lắp đặt không đều có thể gây ra bóng râm một phần. Bóng râm không chỉ làm giảm sản lượng của mô-đun mà còn có thể gây ra một vấn đề nghiêm trọng hơn: điểm nóng.
Gần đây, pin mặt trời BC đã thu hút nhiều sự chú ý trong các mái nhà phân tán, PV ban công và các mô-đun cao cấp. Một lý do lớn: Pin BC thường xử lý bóng râm tốt hơn và chúng chạy ở nhiệt độ điểm nóng thấp hơn dưới bóng râm.
Tại SNEC, bạn thường thấy các nhà cung cấp che bóng một phần của pin và sau đó thể hiện khả năng chịu bóng râm của sản phẩm BC của họ bằng cách xem máy bơm nước có thể phun cao đến đâu.
Vậy tại sao pin BC có lợi thế này? Vật lý đằng sau nó là gì?
Hãy thử giải thích bằng ngôn ngữ đơn giản.
Tại sao bóng râm gây ra điểm nóng?
Các pin trong mô-đun PV thường được mắc nối tiếp.
Mạch nối tiếp có một đặc điểm chính: dòng điện phải giống nhau ở mọi nơi.
Điều đó có nghĩa là dòng điện qua toàn bộ chuỗi được thiết lập bởi vòng lặp nối tiếp cùng nhau. Khi mọi pin nhận được đầy đủ ánh sáng, mỗi pin tạo ra năng lượng và chúng hoạt động khá nhất quán.
Nhưng nếu một pin bị che bóng, dòng quang điện mà nó có thể tạo ra sẽ giảm. Nếu chuỗi vẫn cần đẩy một dòng điện lớn hơn qua, pin bị che bóng đó có thể bị ép vào phân cực ngược bởi các pin không bị che bóng khác. Tại thời điểm đó, nó không còn là máy phát điện nữa mà trở thành một phần tử tiêu thụ năng lượng.
Đối với bóng che một phần, tế bào bị che không hoàn toàn chết. Phần không bị che vẫn tạo ra một số dòng quang điện. Vì vậy, những gì thực sự phải chạy qua đường đánh thủng ngược, đường rò rỉ hoặc đường bypass không phải là toàn bộ dòng điện của chuỗi, mà là sự chênh lệch giữa dòng điện chuỗi và dòng điện mà tế bào đó vẫn có thể tạo ra.
Chúng ta có thể gọi sự chênh lệch này là dòng điện không khớp:
Imismatch = Istring - Igenerate
Vì vậy, công suất sinh nhiệt điểm nóng có thể được viết gần đúng như sau:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch
tức là:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)
Công thức này chỉ ra một vấn đề chính: ở cùng một dòng điện chuỗi, điện áp ngược càng cao, tế bào bị che càng tiêu thụ nhiều năng lượng và điểm nóng càng nóng.
Vì vậy, một chìa khóa để chống lại điểm nóng là:
làm thế nào để giảm điện áp ngược trên tế bào bị che và phân tán nhiệt đều hơn.
Đây chính xác là nơi các tế bào BC tỏa sáng.
Tế bào BC khác về mặt cấu trúc so với tế bào thông thường như thế nào?
Tế bào silicon tinh thể thông thường thường có cấu trúc tiếp xúc mặt trước và mặt sau.
Nói một cách đơn giản:
• mặt trước có các đường lưới mảnh và thanh cái, và ánh sáng đi vào từ mặt trước;
• dòng điện, sau khi được tạo ra bên trong tế bào, được thu thập bởi các điện cực mặt trước và mặt sau.
Tế bào BC, viết tắt của Back Contact, có một đặc điểm xác định:
cả điện cực dương và âm đều nằm ở mặt sau của tế bào, và mặt trước không có đường lưới kim loại.
Điều đó mang lại hai lợi ích trực tiếp:
không có bóng che từ đường lưới ở mặt trước, do đó diện tích nhận ánh sáng lớn hơn;
các điện cực mặt sau có thể được làm dạng xen kẽ, do đó việc thu dòng điện đồng đều hơn.
Hình 1 Sơ đồ cấu trúc tế bào BC
Nguồn: 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
Mặt sau của tế bào BC có nhiều vùng p và n xen kẽ. Giữa các vùng này có nhiều tiếp xúc PN ngắn, pha tạp nặng. Từ góc nhìn mạch điện, nó không còn hoạt động như một diode lớn, mà giống như nhiều diode nhỏ mắc song song. Dưới phân cực ngược, các tiếp xúc PN phân bố này có thể tạo thành một đường dẫn ngược đồng đều hơn.
Đồng thời, vì các tiếp xúc PN mặt sau này ngắn và được pha tạp nặng cục bộ, chúng có thể đi vào trạng thái đánh thủng ngược ở điện áp ngược tương đối thấp.
Tất nhiên, điều này phụ thuộc vào các thông số thiết kế cụ thể của tế bào BC.
Ví dụ, khoảng cách giữa vùng p và n càng nhỏ, điện trường cục bộ càng mạnh, và thường dễ đạt được điện áp đánh thủng ngược thấp hơn. Nhưng điều đó cũng có thể mang lại sự đánh đổi về dòng rò và điện trở shunt. Vì vậy, khả năng chịu bóng râm của tế bào BC không phải là một con số cố định, nó phụ thuộc chặt chẽ vào cấu trúc tế bào, thiết kế mẫu mặt sau, kích thước khe hở, nồng độ pha tạp, chất lượng thụ động hóa và quy trình sản xuất.
Tại sao module BC mất ít điện năng hơn sau khi bị che bóng?
Khi một module bị che bóng một phần, tế bào bị che sẽ bị đẩy vào phân cực ngược bởi dòng điện của chuỗi. Khi bóng râm trở nên tồi tệ hơn, tổng điện áp của phần chuỗi đó tiếp tục giảm.
Trong các module truyền thống, một diode bypass thường được mắc song song trên một phần của chuỗi. Diode bypass không được bật chủ động bởi bộ điều khiển. Nó là một thiết bị thụ động. Việc nó dẫn điện hay không chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt lên nó. Khi tổng điện áp của phần chuỗi đó trở nên âm đủ, diode bypass sẽ được phân cực thuận và tự động bật.
Điều kiện bật có thể được viết là:
Vchuỗi con ≤ -Vf
Vsubstring là tổng điện áp của phần chuỗi được bảo vệ bởi diode bypass;
Vf là điện áp rơi thuận của diode bypass.
Đối với một phần chuỗi, tổng điện áp của nó có thể được hiểu là:
Vchuỗi con = ∑Vkhông bị che + ∑Vbị che
trong đó:
các tế bào không bị che vẫn tạo ra điện áp dương;
các tế bào bị che bị phân cực ngược và tạo ra điện áp âm.
Điều kiện kích hoạt diode bypass có thể được đọc như sau:
∣∑Vbóng∣ ≥ ∑Vkhông bóng + Vf
Nói cách khác:
tổng điện áp ngược của các tế bào bị che phải vượt quá tổng điện áp thuận của các tế bào không bị che còn lại, cộng với điện áp bật của diode bypass, trước khi diode bypass hoạt động.
Ưu điểm của module BC là, trước khi diode bypass bên ngoài bật, cấu trúc PN xen kẽ ở mặt sau của tế bào BC đã cung cấp một số dẫn điện ngược phân tán. Điều này hoạt động giống như một diode zener tích hợp trong tế bào.
Dưới phân cực ngược, cấu trúc PN xen kẽ ở mặt sau của tế bào BC có thể tạo ra dẫn điện ngược phân tán ở điện áp thấp hơn, giới hạn mức tăng điện áp ngược. Vì vậy, dưới điều kiện che bóng một phần, khi diode bypass bên ngoài chưa được kích hoạt, module BC vẫn có thể duy trì công suất đầu ra khá cao.
Hình 2 Đường cong IV của module khi một tế bào bị che.
Nguồn: 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. Có sẵn tại: https://doi.org/10.1051/epjpv/2024001
Khả năng chịu bóng râm tốt hơn không có nghĩa là miễn nhiễm với bóng râm
Một hiểu lầm phổ biến cần được làm rõ.
Tế bào BC chịu bóng râm tốt hơn, nhưng điều đó không có nghĩa là bóng râm không ảnh hưởng đến chúng.
Bất kỳ tế bào quang điện nào cũng sẽ sản xuất ít điện hơn khi bị che bóng.
Nếu diện tích bị che bóng trong một chuỗi con quá lớn, hoặc một số tế bào bị che bóng hoàn toàn, thì tổng điện áp ngược của các tế bào bị che bóng cuối cùng có thể vượt quá tổng điện áp thuận của các tế bào không bị che bóng còn lại. Tại thời điểm đó, diode bypass bên ngoài sẽ bật.
Khi diode bypass bật, dòng điện sẽ đi vòng qua toàn bộ phần chuỗi này. Các tế bào không bị che bóng trong chuỗi con này cũng bị bypass cùng với các tế bào bị che bóng, và sự đóng góp của chúng vào sản lượng đầu ra giảm đi đáng kể. Vì vậy, khi diện tích bị che bóng lớn, lợi thế phát điện của mô-đun BC cũng suy yếu.
Mô-đun BC thường chiếm ưu thế khi:
một tế bào đơn lẻ hoặc một vài tế bào bị che bóng một phần;
diện tích bị che bóng trong mỗi chuỗi con là nhỏ;
bóng che là đường chéo, dạng dải, hoặc rải rác cục bộ;
diode bypass bên ngoài chưa bật hoàn toàn.
Ví dụ, một bóng đổ chéo từ cột điện có thể để lại mỗi chuỗi con chỉ một diện tích bị che bóng nhỏ. Trong trường hợp đó, mô-đun BC thường cho thấy khả năng phát điện chịu bóng tốt hơn.
Tại sao mô-đun BC chạy mát hơn tại các điểm nóng?
Mô-đun BC có nhiệt độ điểm nóng thấp hơn chủ yếu vì hai lý do.
Thứ nhất, dòng ngược được phân bố rộng hơn
Trong các tế bào thông thường, sự phân bố dòng điện ngược thường không đồng đều. Sự đánh thủng ngược có xu hướng xảy ra đầu tiên tại các điểm yếu cục bộ, chẳng hạn như:
các vị trí khuyết tật cục bộ;
các cạnh tế bào;
các khu vực kim loại hóa bất thường;
các vết nứt nhỏ hoặc khu vực bị nhiễm bẩn;
các khu vực có thụ động hóa cục bộ yếu.
Những điểm này hoạt động như các điểm yếu.
Khi dòng điện ngược tập trung vào các điểm yếu này, mật độ công suất cục bộ trở nên rất cao, nhiệt độ tăng nhanh và hình thành một điểm nóng rõ rệt.
Giống như đun nóng hai vật với cùng một lượng nhiệt:
một tấm kim loại nguyên vẹn;
một chấm nhỏ như đầu kim.
Cái sau nóng lên nhanh hơn, không cần bàn cãi.
Vì vậy, rủi ro của tế bào thông thường khi bị che bóng không phải là "làm nóng đều toàn bộ tế bào", mà là làm nóng điểm cục bộ dữ dội.
Một tế bào BC có nhiều tiếp giáp PN đan xen ở mặt sau. Dẫn ngược có thể lan rộng dễ dàng hơn qua nhiều vùng thay vì tập trung vào một vài điểm khuyết tật.
Vì vậy, phân bố dòng ngược của tế bào BC đồng đều hơn, mật độ công suất cục bộ thấp hơn và nhiệt độ điểm nóng cũng thấp hơn.
Thứ hai, điện áp đánh thủng ngược thấp hơn
Bạn có thể thấy điều đó từ công thức công suất điểm nóng:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch
Với cùng dòng điện không khớp, điện áp ngược càng thấp thì nhiệt lượng sinh ra càng ít.
Đó là lý do tại sao điện áp đánh thủng ngược thấp thực sự có thể hoạt động như một cơ chế bảo vệ khi bị che khuất.
Đây là một ví dụ đơn giản.
Giả sử dòng điện chuỗi mô-đun là 10A và một tế bào bị che khuất nặng.
Nếu một tế bào thông thường đạt điện áp ngược 15V sau khi che khuất, công suất tiêu tán khoảng:
P = 15V × 10A = 150W
Nếu một tế bào BC kẹp do cấu trúc mặt sau và điện áp ngược bị giới hạn ở khoảng 6V, công suất tiêu tán khoảng:
P = 6V × 10A = 60W
Sự khác biệt rất rõ rệt.
Tất nhiên, nhiệt độ điểm nóng thực tế phụ thuộc vào diện tích che khuất, nhiệt độ môi trường, tốc độ gió, bao bọc mô-đun, kích thước kính, thiết kế tế bào và phương pháp thử nghiệm, vì vậy bạn không thể đánh giá bằng một con số cố định duy nhất.
Tuy nhiên, trong một số thử nghiệm thực tế và kinh nghiệm thực địa, các mô-đun BC thường chạy mát hơn tại điểm nóng so với các mô-đun thông thường. Ví dụ, một số mô-đun BC có thể giữ nhiệt độ điểm nóng dưới khoảng 120 °C, trong khi các loại mô-đun khác có thể đạt 160 °C hoặc thậm chí cao hơn.
Một số tế bào BC được thiết kế đặc biệt đạt được thứ gì đó giống như "diode bypass tích hợp", đưa nhiệt độ điểm nóng xuống khoảng 90 °C trong khi mô-đun tham chiếu ở gần 190 °C, điều này cho thấy thiết kế dẫn ngược phân tán này có thể giảm đáng kể nhiệt độ điểm nóng.
Điện áp đánh thủng ngược thấp hơn có luôn tốt hơn không?
Không nhất thiết.
Điện áp đánh thủng ngược thấp giúp giảm nhiệt độ điểm nóng khi bị che khuất, nhưng nó cũng có thể mang lại sự đánh đổi trong thiết kế.
Nếu đường dẫn ngược được thiết kế kém, nó có thể làm tăng dòng rò và giảm điện trở shunt, làm giảm hiệu suất phát điện bình thường của cell.
Vì vậy, một cell BC hiệu suất cao thường phải cân bằng hai mục tiêu:
trong hoạt động bình thường, duy trì hiệu suất cao, dòng rò thấp và điện trở shunt cao;
dưới phân cực ngược do che khuất, hình thành dẫn ngược an toàn, đồng đều ở điện áp thấp.
Đó cũng là lý do tại sao các tế bào BC khác nhau có hiệu suất che khuất khác nhau.
Một số tế bào BC nghiêng về hiệu suất, vì vậy chúng có thể cách ly mạnh hơn và dẫn đến điện áp đánh thủng ngược cao hơn. Một số khác nghiêng về khả năng chịu che khuất, vì vậy chúng có thể thiết kế các đường dẫn đánh thủng ngược thấp hơn, đồng đều hơn.
Vì vậy, bạn không thể nói "tất cả các tế bào BC đều chịu che khuất như nhau". Một phát biểu chính xác hơn là:
Một tế bào BC được thiết kế tốt có thể đạt được điện áp đánh thủng ngược thấp hơn và đồng đều hơn nhờ cấu trúc PN xen kẽ phía sau, giúp cải thiện khả năng chịu bóng và điểm nóng.
Tóm tắt ưu điểm của tế bào BC
Tổng hợp lại, ưu điểm của tế bào BC khi bị che bóng chủ yếu bao gồm:
ít tổn thất công suất mô-đun hơn khi che bóng diện tích nhỏ, trước khi diode bypass ngoài kích hoạt;
mật độ công suất cục bộ thấp hơn;
nhiệt độ điểm nóng thấp hơn;
biên an toàn mô-đun cao hơn.
Điều này có ý nghĩa gì đối với ứng dụng mô-đun?
Trong thực tế, việc che bóng thường không thể tránh khỏi hoàn toàn.
Đặc biệt trong các kịch bản phân tán, như:
mái nhà dân dụng;
mái nhà thương mại và công nghiệp;
điện mặt trời ban công;
BIPV;
lắp đặt đa hướng;
các địa điểm có tòa nhà xung quanh phức tạp.
Trong các ứng dụng này, mô-đun thường xuyên bị che bóng một phần.
Nếu một tế bào chịu bóng tốt hơn và chạy mát hơn tại điểm nóng, điều đó có nghĩa là:
An toàn mô-đun tốt hơn: nhiệt độ điểm nóng thấp hơn làm giảm lão hóa chất bao bọc, hư hỏng tấm nền, ứng suất thủy tinh cục bộ và rủi ro điện.
Độ tin cậy lâu dài tốt hơn: nhiệt độ cao cục bộ làm tăng tốc lão hóa vật liệu. Điểm nóng càng yếu, mô-đun càng ổn định theo thời gian.
Kiểm soát tổn thất phát điện tốt hơn: khi che bóng một phần không thể tránh khỏi, mô-đun BC có thể giảm bớt một phần tổn thất công suất.
Thiết kế hệ thống thân thiện hơn
Mô-đun BC thích ứng tốt hơn với mái nhà phức tạp, môi trường lắp đặt phân tán và các kịch bản đa bóng râm.
Kết luận
Tế bào BC chịu bóng tốt hơn và chạy mát hơn tại điểm nóng, chủ yếu không phải vì chúng "không bị ảnh hưởng bởi bóng", mà vì chúng có ưu điểm về cấu trúc và hành vi phân cực ngược.
Với tế bào thông thường khi bị che bóng, sự đánh thủng ngược có thể tập trung tại các điểm khuyết tật cục bộ, dẫn đến mật độ công suất cục bộ cao và nhiệt độ điểm nóng cao.
Cấu trúc PN xen kẽ phía sau của tế bào BC hoạt động như một kẹp ngược phân tán tích hợp sẵn. Khi bị che bóng, nó có thể tạo ra dẫn ngược ở điện áp ngược thấp hơn và phân bố dòng ngược đều hơn, giúp giảm công suất điểm nóng và nhiệt độ điểm nóng.
Nhưng cần lưu ý, tế bào BC không hoàn toàn chống bóng. Khi diện tích che bóng quá lớn, một số tế bào bị che hoàn toàn và điện áp chuỗi con trở nên âm đủ lớn, diode bypass ngoài vẫn kích hoạt. Lúc đó, sản lượng của chuỗi con bị bypass giảm đáng kể.
Vì vậy, chính xác hơn:
Lợi thế của tế bào BC không phải là loại bỏ hiệu ứng che bóng, mà là làm cho chúng dễ kiểm soát hơn. Dưới che bóng diện tích nhỏ, nó có thể giảm tổn thất điện năng; dưới che bóng nặng, nó có thể giảm nguy cơ điểm nóng.
Đó là lý do cơ bản khiến tế bào BC hoạt động tốt hơn trong môi trường che bóng phức tạp.
Quan điểm của Ooitech
Điều thực sự ấn tượng ở đây là lợi thế che bóng của BC nằm ở bước kim loại hóa tiếp xúc mặt sau, không phải ở vật liệu kỳ diệu nào, điều đó có nghĩa là dây chuyền mô-đun phải đạt dung sai chặt chẽ trên mẫu đan xen để thực sự có được sự đánh thủng ngược thấp và đồng đều đó. Trên dây chuyền sản xuất, chúng tôi đã thấy cùng một hiện tượng vật lý trong thử nghiệm EL và điểm nóng, nơi mà mẫu mặt sau không đồng đều hiện ra dưới dạng các điểm đánh thủng rải rác từ rất lâu trước khi mô-đun nhìn thấy bóng. Nếu bạn thích kiểu phân tích chi tiết về những gì xảy ra giữa tế bào và mô-đun hoàn chỉnh, kênh YouTube của chúng tôi tại www.youtube.com/ooitech có thêm nội dung từ bên trong các nhà máy năng lượng mặt trời thực tế.
