لماذا تتعامل خلايا BC الشمسية مع التظليل بشكل أفضل وتعمل بنقاط ساخنة أكثر برودة
جدول المحتويات
مقدمة
التظليل مشكلة شائعة جدًا في تركيبات الطاقة الكهروضوئية في العالم الحقيقي.
ظلال الأشجار، أعمدة المرافق، الغبار، فضلات الطيور، الثلوج، حتى زوايا تركيب الوحدات غير المتسقة قليلاً يمكن أن تسبب تظليلًا جزئيًا. التظليل لا يقلل فقط من إخراج الوحدة، بل يمكن أن يثير أيضًا مشكلة أكثر خطورة: النقاط الساخنة.
على مدى السنوات القليلة الماضية، جذبت الخلايا الشمسية BC المزيد والمزيد من الاهتمام في أسطح المنازل الموزعة، والطاقة الكهروضوئية على الشرفات، والوحدات الفاخرة. أحد الأسباب الرئيسية هو: عادةً ما توفر الخلايا الشمسية BC تحملاً أفضل للتظليل، وتبقى درجات حرارة نقاطها الساخنة أقل تحت التظليل.
في SNEC، غالبًا ما ترى الشركات المصنعة تظليل جزء من سلسلة الخلايا ثم تستخدم ارتفاع الماء من مضخة لإظهار تحمل التظليل لمنتجاتها BC.
فلماذا تمتلك خلايا BC هذه الميزة؟ ما الفيزياء وراء ذلك؟
دعنا نحاول شرح ذلك بعبارات بسيطة إلى حد ما.
لماذا يسبب التظليل نقاطًا ساخنة
لماذا يسبب التظليل نقاطًا ساخنة؟
عادةً ما تكون الخلايا داخل الوحدة الكهروضوئية موصولة على التوالي.
الدائرة التسلسلية لها سمة مميزة واحدة: يجب أن يكون التيار هو نفسه في كل مكان.
هذا يعني أن التيار عبر السلسلة بأكملها يتم تحديده بواسطة الحلقة ككل. عندما تحصل كل خلية على ضوء كامل، تولد كل منها طاقة وتكون جميعها في حالة متسقة إلى حد ما.
ولكن إذا تم تظليل خلية واحدة، فإن التيار المولد ضوئيًا الذي يمكن أن تنتجه ينخفض. إذا كانت السلسلة بأكملها لا تزال بحاجة إلى حمل تيار كبير، يمكن دفع تلك الخلية المظللة إلى انحياز عكسي بواسطة الخلايا غير المظللة الأخرى. عند هذه النقطة تتوقف عن كونها مصدر طاقة وتتحول إلى مستهلك طاقة.
في حالة التظليل الجزئي، لا تتوقف الخلية المظللة عن التوليد تمامًا. فمساحتها غير المظللة لا تزال تنتج بعض التيار الضوئي. لذا، ما يجب أن يتدفق عبر مسار الانهيار العكسي أو مسار التسرب أو مسار الالتفاف ليس تيار السلسلة الكامل، بل الفرق بين تيار السلسلة والتيار الذي لا تزال الخلية قادرة على إنتاجه.
يمكن تسمية هذا الفرق بتيار عدم التطابق:
تيار عدم التطابق = تيار السلسلة - التيار المولد
لذا يمكن كتابة تبديد طاقة النقطة الساخنة تقريبًا كالتالي:
طاقة النقطة الساخنة ≈ ∣الجهد العكسي∣ × تيار عدم التطابق
أي:
طاقة النقطة الساخنة ≈ ∣الجهد العكسي∣ × (تيار السلسلة - التيار المولد)
تشير هذه الصيغة إلى شيء أساسي: عند نفس تيار السلسلة، كلما زاد الجهد العكسي، زادت الطاقة التي تبددها الخلية المظللة، وارتفعت حرارة النقطة الساخنة.
لذا فإن أحد مفاتيح مقاومة النقاط الساخنة هو:
كيفية خفض الجهد العكسي على الخلية المظللة وجعل التسخين أكثر توازنًا.
هذا هو بالضبط المكان الذي تتألق فيه خلايا BC.
كيف تختلف خلايا BC في البنية
كيف تختلف خلية BC هيكليًا عن الخلية العادية؟
عادةً ما تستخدم خلايا السيليكون البلورية العادية بنية تلامس أمامي وخلفي.
ببساطة:
الوجه الأمامي يحتوي على خطوط شبكية دقيقة وأشرطة توصيل، ويدخل الضوء من الأمام؛
يتولد التيار داخل الخلية ثم يُجمع عبر الأقطاب الأمامية والخلفية.
خلية BC، أي التلامس الخلفي، لها ميزة بارزة:
كلا القطبين الموجب والسالب يقعان على الجزء الخلفي من الخلية، دون أي خطوط شبكية معدنية على الوجه الأمامي.
وهذا يعطي فائدتين مباشرتين:
لا تظليل من الخطوط الشبكية على الوجه الأمامي، لذا مساحة استقبال ضوء أكبر؛
يمكن بناء الأقطاب الخلفية بنمط متشابك، لذا يكون جمع التيار أكثر توازنًا.
الشكل 1: مخطط بنية خلية BC.
المصدر: 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
الجزء الخلفي من خلية BC يحمل العديد من مناطق p ومناطق n المتداخلة. بين هذه المناطق توجد العديد من وصلات PN القصيرة والمشوبة بشدة. من منظور الدائرة، لم تعد تتصرف مثل صمام ثنائي كبير واحد، بل مثل العديد من الصمامات الثنائية الصغيرة المتوازية. تحت الانحياز العكسي، يمكن لهذه الوصلات PN الموزعة أن تشكل مسار توصيل عكسي أكثر اتساقًا.
لأن هذه الوصلات PN الخلفية قصيرة ومشوبة محليًا بشدة، يمكنها الدخول في الانهيار العكسي عند جهد عكسي منخفض نسبيًا.
بالطبع، يعتمد هذا على معايير التصميم المحددة لخلية BC.
على سبيل المثال، كلما كانت الفجوة بين منطقة p ومنطقة n أصغر، كان المجال المحلي أقوى، وعادة ما يكون من الأسهل تكوين جهد انهيار عكسي أقل. ولكن هذا يمكن أن يجلب أيضًا مقايضات في التسرب ومقاومة التحويل. لذا فإن تحمل التظليل لخلية BC ليس قيمة ثابتة. إنه مرتبط ارتباطًا وثيقًا ببنية الخلية المحددة، وتصميم النمط الخلفي، وحجم الفجوة، وتركيز المنشطات، وجودة التخميل، وعملية التصنيع.
لماذا تفقد خلايا BC طاقة أقل تحت التظليل
لماذا تفقد خلايا BC طاقة أقل بعد التظليل؟
عندما يتم تظليل وحدة جزئيًا، يدفع تيار السلسلة الخلية المظللة إلى انحياز عكسي. مع تفاقم التظليل، يستمر الجهد الكلي عبر تلك السلسلة الفرعية في الانخفاض.
في الوحدات التقليدية، عادة ما يتم وضع صمام ثنائي تجاوز بالتوازي عبر قسم من السلسلة. لا يتم تشغيل الصمام الثنائي للتجاوز بنشاط بواسطة وحدة تحكم. إنه جهاز سلبي. يعتمد توصيله فقط على الجهد عبره. عندما يصبح الجهد الكلي لتلك السلسلة الفرعية سالبًا بدرجة كافية، يتم انحياز الصمام الثنائي للتجاوز للأمام ويتم تشغيله تلقائيًا.
يمكن كتابة شرط التشغيل على النحو التالي:
Vsubstring ≤ -Vf
Vsubstring هو الجهد الكلي للسلسلة الفرعية المحمية بواسطة الصمام الثنائي للتجاوز؛
Vf هو انخفاض الجهد الأمامي للصمام الثنائي للتجاوز.
بالنسبة لسلسلة فرعية، يمكن فهم جهدها الكلي على النحو التالي:
Vsubstring = ∑Vunshaded + ∑Vshaded
حيث:
الخلايا غير المظللة لا تزال تنتج جهدًا أماميًا؛
الخلايا المظللة تكون منحازة عكسيًا وتنتج جهدًا سالبًا.
يمكن قراءة شرط تشغيل الصمام الثنائي للتجاوز على النحو التالي:
∣∑Vshaded∣ ≥ ∑Vunshaded + Vf
بمعنى آخر:
يجب أن يتجاوز الجهد العكسي الكلي للخلايا المظللة الجهد الأمامي الكلي للخلايا غير المظللة المتبقية، بالإضافة إلى انخفاض الجهد الأمامي لصمام الالتفاف، قبل أن يعمل صمام الالتفاف.
ميزة وحدات BC هي أنه قبل حتى عمل صمام الالتفاف الخارجي، توفر بنية الوصلات PN الخلفية المتشابكة لخلية BC نفسها بالفعل بعض القدرة على التوصيل العكسي الموزع. وهذا يشبه إلى حد ما صمام زينر مدمج داخل الخلية.
تحت الانحياز العكسي، يمكن للوصلات PN الخلفية المتشابكة لخلية BC أن تشكل توصيلًا عكسيًا موزعًا عند جهد أقل، مما يحد من ارتفاع الجهد العكسي. لذا تحت التظليل الجزئي، عندما لا يعمل صمام الالتفاف الخارجي بعد، يمكن لوحدة BC أن تحافظ على طاقة خرج عالية نسبيًا.
الشكل 2 منحنى IV للوحدة مع تظليل خلية واحدة.
المصدر: E. Özkalay, F. Valoti, M. Caccivio, A. Virtuani, G. Friesen, and C. Ballif, "تأثير التظليل الجزئي على موثوقية الوحدات الكهروضوئية في البيئة المبنية،" EPJ Photovoltaics, المجلد 15، ص 7، يناير 2024، doi: 10.1051/epjpv/2024001. متاح: https://doi.org/10.1051/epjpv/2024001
تحمل أفضل لا يعني مناعة ضد التظليل
تحمل أفضل للتظليل لا يعني أن خلايا BC محصنة ضد التظليل
هناك مفهوم خاطئ شائع يجب توضيحه.
تحمل أفضل للتظليل لا يعني أن خلية BC غير متأثرة بالتظليل.
أي خلية كهروضوئية تنتج طاقة أقل بمجرد تظليلها.
إذا كانت المنطقة المظللة داخل سلسلة فرعية واحدة كبيرة جدًا، أو كانت عدة خلايا مظللة بالكامل، فإن الجهد العكسي الكلي للخلايا المظللة يمكن أن يتجاوز في النهاية الجهد الأمامي الكلي للخلايا غير المظللة المتبقية. عند هذه النقطة يعمل صمام الالتفاف الخارجي.
بمجرد عمل صمام الالتفاف، يمر التيار حول تلك السلسلة الفرعية بأكملها. الخلايا غير المظللة في تلك السلسلة الفرعية يتم تجاوزها أيضًا، وينخفض مساهمتها في الخرج بشكل حاد. لذا عندما تكون المنطقة المظللة كبيرة، تضعف ميزة التوليد لوحدة BC أيضًا.
السيناريوهات التي تتألق فيها وحدات BC عادة هي:
خلية واحدة أو بضع خلايا تحصل على تظليل جزئي؛
المنطقة المظللة في كل سلسلة فرعية تبقى صغيرة؛
التظليل قطري، أو شريطي الشكل، أو موزع محليًا؛
صمام الالتفاف الخارجي لم يعمل بالكامل بعد.
على سبيل المثال، قد يترك ظل قطري من عمود كهرباء كل جزء فرعي بمساحة مظللة صغيرة فقط. في هذه الحالة، تميل وحدة BC إلى إظهار توليدها الأفضل المتسامح مع التظليل.
لماذا تعمل وحدات BC بنقاط ساخنة أكثر برودة
لماذا تحتوي وحدات BC على درجات حرارة نقاط ساخنة أقل؟
هناك سببان رئيسيان يجعلان وحدات BC تعمل بنقاط ساخنة أكثر برودة.
أولاً، التيار العكسي أكثر انتشارًا
بالنسبة للخلايا العادية، غالبًا ما يكون توزيع التيار العكسي غير متساوٍ. قد يحدث الانهيار العكسي أولاً في بعض النقاط الضعيفة المحلية، مثل:
مواقع العيوب المحلية؛
حواف الخلايا؛
تشوهات المعدنة؛
الشقوق الدقيقة أو المناطق الملوثة؛
المناطق ذات التخميل المحلي الأضعف.
تعمل هذه النقاط كنقاط ضعف.
بمجرد تركيز التيار العكسي عند هذه النقاط الضعيفة، تصبح كثافة الطاقة المحلية عالية جدًا، وترتفع درجة الحرارة بسرعة، وتتشكل نقطة ساخنة واضحة.
إنه مثل استخدام نفس كمية الحرارة على جسمين:
لوحة معدنية كاملة؛
نقطة بحجم رأس الدبوس.
الأخير يسخن بشكل أسرع بالتأكيد.
لذا فإن الخطر على الخلية العادية تحت التظليل ليس "التسخين المتساوي عبر الخلية بأكملها،" ولكن تسخين نقطي محلي قوي.
تحتوي خلية BC على العديد من تقاطعات PN المتشابكة على ظهرها. يمكن أن ينتشر التوصيل العكسي بسهولة أكبر عبر مناطق متعددة بدلاً من التركيز عند نقاط عيب قليلة.
لذا يتوزع التيار العكسي في خلية BC بشكل أكثر تساويًا، وتبقى كثافة الطاقة المحلية أقل، وتبقى درجة حرارة النقطة الساخنة أقل أيضًا.
ثانيًا، جهد الانهيار العكسي أقل
من معادلة طاقة النقطة الساخنة:
طاقة النقطة الساخنة ≈ ∣الجهد العكسي∣ × تيار عدم التطابق
عند نفس التيار غير المتطابق، يعني الجهد العكسي الأقل تبديد طاقة أقل.
لهذا السبب يمكن أن يعمل جهد الانهيار العكسي المنخفض فعليًا كآلية حماية في سيناريوهات التظليل.
إليك مثال بسيط.
لنفترض أن تيار السلسلة هو 10 أمبير وأن خلية واحدة مظللة بشدة.
إذا وصلت خلية عادية إلى جهد عكسي 15 فولت بعد التظليل، فإن الطاقة التي تبددها تقريبًا:
P = 15V × 10A = 150W
إذا تم تثبيت خلية BC بسبب بنيتها الخلفية وكان الجهد العكسي محدودًا بحوالي 6 فولت، فإن الطاقة التي تبددها تكون تقريبًا:
P = 6V × 10A = 60W
الفرق واضح جدًا.
تعتمد درجة حرارة النقطة الساخنة الفعلية على المنطقة المظللة، ودرجة الحرارة المحيطة، وسرعة الرياح، وتغليف الوحدة، وحجم الزجاج، وتصميم الخلية، وطريقة الاختبار، لذا لا يمكنك الحكم عليها برقم ثابت واحد.
لكن في بعض الاختبارات الحقيقية والخبرة الميدانية، عادةً ما تكون درجات حرارة النقاط الساخنة في وحدات BC أقل من تلك التقليدية. على سبيل المثال، يمكن لبعض وحدات BC الحفاظ على درجة حرارة النقطة الساخنة أقل من حوالي 120 درجة مئوية، بينما قد تصل أنواع أخرى من الوحدات إلى 160 درجة مئوية أو حتى أعلى.
تحقق بعض خلايا BC المصممة خصيصًا ما يشبه "الصمام الثنائي الالتفافي المدمج داخل الخلية". يمكن أن يؤدي ذلك إلى خفض درجة حرارة النقطة الساخنة إلى حوالي 90 درجة مئوية بينما تظل الوحدة المرجعية عند حوالي 190 درجة مئوية، مما يظهر أن هذا النوع من تصميم التوصيل العكسي الموزع يمكن أن يقلل بشكل كبير من درجة حرارة النقطة الساخنة.
هل انخفاض جهد الانهيار العكسي دائمًا أفضل؟
هل انخفاض جهد الانهيار العكسي دائمًا أفضل؟
ليس بالضرورة.
يساعد انخفاض جهد الانهيار العكسي على خفض درجة حرارة النقطة الساخنة أثناء التظليل، ولكنه قد يجلب أيضًا مقايضات في التصميم.
إذا كان مسار التوصيل العكسي مصممًا بشكل سيئ، فقد يزيد من التسرب ويقلل من مقاومة التحويل، مما يضر بأداء التوليد الطبيعي للخلية.
لذا فإن خلية BC عالية الكفاءة عادةً ما تحتاج إلى موازنة هدفين:
أثناء التشغيل العادي، الحفاظ على كفاءة عالية، وتسرب منخفض، ومقاومة تحويل عالية؛
تحت انحياز عكسي بسبب التظليل، تشكيل توصيل عكسي آمن ومتساوٍ عند جهد منخفض.
لهذا السبب أيضًا تختلف تحمل التظليل بين خلايا BC المختلفة.
بعض خلايا BC تميل نحو الكفاءة وقد تصمم عزلًا أقوى، لذا يكون جهد الانهيار العكسي لديهم أعلى. البعض الآخر يميل نحو تحمل التظليل وقد يصمم مسارات انهيار عكسي أقل وأكثر تساويًا.
لذا لا يمكنك ببساطة القول "جميع خلايا BC لها نفس تحمل التظليل." الطريقة الأكثر دقة لقول ذلك هي:
يمكن لخلية BC المصممة جيدًا استخدام بنية تقاطع PN الخلفي المتشابك لتحقيق انهيار عكسي أقل وأكثر تساويًا، وهذا يحسن تحمل التظليل والنقاط الساخنة.
ملخص مزايا خلايا BC
ملخص مزايا خلايا BC
إجمالاً، تشمل مزايا خلايا BC تحت التظليل بشكل رئيسي:
فقدان توليد أصغر للوحدة تحت التظليل الجزئي، قبل تشغيل الصمام الثنائي الالتفافي الخارجي؛
كثافة طاقة محلية أقل؛
درجة حرارة نقطة ساخنة أقل؛
هامش أمان أعلى للوحدة.
ماذا يعني هذا لتطبيقات الوحدات
ماذا يعني هذا لتطبيقات الوحدات؟
في الاستخدام الفعلي، غالباً لا يمكن تجنب التظليل تماماً.
خاصة في السيناريوهات الموزعة، مثل:
الأسطح السكنية؛
الأسطح التجارية والصناعية؛
الطاقة الشمسية على الشرفات؛
أنظمة BIPV؛
التركيب متعدد الاتجاهات؛
المواقع المحاطة بمبانٍ معقدة.
في هذه التطبيقات، قد تواجه الوحدات تظليلاً محلياً بشكل متكرر.
إذا كانت الخلية تتمتع بتحمل أفضل للتظليل ودرجة حرارة نقطة ساخنة أقل، فهذا يعني:
أمان أفضل للوحدة: درجة حرارة نقطة ساخنة منخفضة تقلل من شيخوخة التغليف، وتلف الطبقة الخلفية، والإجهاد المحلي للزجاج، والمخاطر الكهربائية.
موثوقية أفضل على المدى الطويل: الحرارة المحلية العالية تسرع شيخوخة المواد. كلما كانت النقطة الساخنة أضعف، كلما بقيت الوحدة أكثر استقراراً بمرور الوقت.
فقدان توليد أكثر قابلية للتحكم: عندما يكون التظليل المحلي حتمياً، يمكن لوحدة BC تخفيف جزء من فقدان الطاقة.
تصميم نظام أكثر مرونة.
تتكيف وحدات BC بشكل أفضل مع الأسطح المعقدة، وبيئات التركيب الموزعة، وسيناريوهات التظليل المتعدد.
الخلاصة
الخلاصة
توفر خلايا BC تحملاً أفضل للتظليل ودرجة حرارة نقطة ساخنة أقل، ليس لأنها "لا تتأثر بالتظليل"، ولكن لأنها تتمتع بمزايا في البنية وسلوك الانحياز العكسي.
تحت التظليل، قد تشهد الخلايا العادية تركيز انهيار عكسي عند نقاط عيب محلية، مما يؤدي إلى كثافة طاقة محلية عالية ودرجة حرارة نقطة ساخنة عالية.
يعمل هيكل الوصلة PN الخلفية المتشابكة لخلية BC كمشبك عكسي مدمج موزع. تحت التظليل، يمكنه تشكيل توصيل عكسي عند جهد عكسي أقل ونشر التيار العكسي بشكل أكثر توازناً، مما يقلل من طاقة النقطة الساخنة ودرجة حرارتها.
لكن ضع في اعتبارك أن خلايا BC ليست محصنة تمامًا ضد التظليل. عندما تكون المنطقة المظللة كبيرة جدًا، يتم تظليل عدة خلايا بالكامل، ويصبح جهد السلسلة الفرعية سالبًا بدرجة كافية، فلا يزال الصمام الثنائي الالتفافي الخارجي يعمل. عند تلك النقطة، ينخفض ناتج السلسلة الفرعية المتجاوزة بشكل ملحوظ.
لذا طريقة أكثر دقة لقول ذلك:
ميزة خلية BC ليست القضاء على تأثير التظليل، بل جعل هذا التأثير أكثر قابلية للتحكم. تحت التظليل صغير المساحة، تقلل من فقدان الطاقة؛ تحت التظليل الشديد، تقلل من خطر البقع الساخنة.
هذا هو السبب الجذري وراء تفوق خلايا BC في بيئات التظليل المعقدة.
رؤية Ooitech
الجزء المثير للاهتمام هنا هو أن تحمل التظليل ليس مجرد خيار في تصميم الخلية، بل يعتمد أيضًا على مدى اتساق إعادة إنتاج النمط الخلفي المتشابك عبر كل خلية في الخط. يمكن أن تؤدي الانحرافات الصغيرة في المعدنة، أو حجم الفجوة، أو جودة التخميل إلى تغيير سلوك الانهيار العكسي الذي وصفناه للتو، ولهذا السبب فإن التحكم في العملية على خطوط وحدات BC مهم بقدر وصفة الخلية. لقد أمضت Ooitech سنوات في بناء خطوط إنتاج وحدات جاهزة للعمل لتقنيات TOPCon وHPBC وABC وغيرها من وحدات نوع BC، لذلك نراقب عن كثب نوافذ عملية التلامس الخلفي هذه. إذا كنت تريد رؤية كيفية بناء هذه الوحدات فعليًا في أرض المصنع، فإن قناتنا على يوتيوب في www.youtube.com/ooitech تحتوي على الكثير من لقطات خط الإنتاج الحقيقية التي تستحق المشاهدة.
