لماذا توفر خلايا BC الشمسية تحملًا أفضل للظل ودرجة حرارة نقطة ساخنة أقل؟
جدول المحتويات
مقدمة المنتج
التظليل هو أحد أكثر المشاكل شيوعًا في تركيبات الطاقة الكهروضوئية في العالم الحقيقي.
ظلال الأشجار، أعمدة المرافق، الغبار، فضلات الطيور، الثلج، وحتى زوايا التركيب غير المتساوية يمكن أن تسبب تظليلًا جزئيًا. التظليل لا يقلل فقط من إنتاج الوحدة، بل يمكن أن يسبب مشكلة أكثر خطورة: النقاط الساخنة.
مؤخرًا، جذبت الخلايا الشمسية BC الكثير من الاهتمام في الأسطح الموزعة، وأنظمة البلكونات الشمسية، والوحدات الفاخرة. سبب كبير: خلايا BC عادةً تتعامل مع التظليل بشكل أفضل، وتعمل بدرجات حرارة نقاط ساخنة أقل تحت التظليل.
في معرض SNEC، غالبًا ما ترى البائعين يظللون جزءًا من الخلية ثم يظهرون تحمل التظليل لمنتجاتهم BC من خلال مراقبة مدى ارتفاع رش مضخة الماء.
فلماذا تمتلك خلايا BC هذه الميزة؟ ما الفيزياء وراء ذلك؟
دعنا نحاول شرح ذلك بلغة بسيطة.
لماذا يسبب التظليل نقاطًا ساخنة؟
الخلايا في الوحدة الكهروضوئية عادةً ما تكون موصولة على التوالي.
الدوائر المتسلسلة لها خاصية رئيسية: يجب أن يكون التيار هو نفسه في كل مكان.
هذا يعني أن التيار عبر السلسلة بأكملها يتم تحديده بواسطة الحلقة المتسلسلة معًا. عندما تتلقى كل خلية ضوءًا كاملاً، تولد كل منها طاقة وتتصرف جميعها بشكل متسق إلى حد كبير.
ولكن إذا تم تظليل خلية واحدة، فإن التيار المولد ضوئيًا الذي يمكنها إنتاجه ينخفض. إذا كانت السلسلة لا تزال بحاجة إلى دفع تيار أكبر من خلالها، فقد تُجبر تلك الخلية المظللة على الانحياز العكسي بواسطة الخلايا الأخرى غير المظللة. عند هذه النقطة تتوقف عن كونها مولدة وتتحول إلى عنصر يستهلك الطاقة.
بالنسبة للتظليل الجزئي، الخلية المظللة ليست ميتة تمامًا. الجزء غير المظلل لا يزال ينتج 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 يمكن لتلك الخلية إنتاجه.
يمكننا تسمية هذا الفرق بتيار عدم التطابق:
تيار عدم التطابق = تيار السلسلة - التيار المولد
لذا يمكن كتابة طاقة تسخين النقطة الساخنة تقريبًا على النحو التالي:
طاقة النقطة الساخنة ≈ ∣الجهد العكسي∣ × تيار عدم التطابق
أي:
طاقة النقطة الساخنة ≈ ∣الجهد العكسي∣ × (تيار السلسلة - التيار المولد)
تشير هذه الصيغة إلى قضية رئيسية: عند نفس تيار السلسلة، كلما زاد الجهد العكسي، زادت الطاقة التي تحرقها الخلية المظللة، وزادت حرارة النقطة الساخنة.
لذا فإن أحد مفاتيح مكافحة النقاط الساخنة هو:
كيفية خفض الجهد العكسي على الخلية المظللة، وتوزيع الحرارة بشكل أكثر توازناً.
هذا هو بالضبط المكان الذي تتألق فيه خلايا BC.
كيف تختلف خلية BC هيكلياً عن الخلية العادية؟
عادةً ما تحتوي خلايا السيليكون البلورية العادية على بنية تلامس أمامي وخلفي.
ببساطة:
• يحتوي الجزء الأمامي على خطوط شبكية دقيقة وأشرطة ناقلة، ويدخل الضوء من الأمام؛
• التيار، بمجرد توليده داخل الخلية، يتم جمعه بواسطة الأقطاب الأمامية والخلفية.
خلية BC، أي التلامس الخلفي، لها ميزة مميزة واحدة:
توجد الأقطاب الموجبة والسالبة على الجزء الخلفي من الخلية، ولا توجد خطوط شبكية معدنية في الأمام.
يجلب ذلك فائدتين مباشرتين:
لا تظليل للخطوط الشبكية في الأمام، لذا مساحة استقبال ضوء أكبر؛
يمكن جعل الأقطاب الخلفية متشابكة، لذا يكون جمع التيار أكثر انتظاماً.
الشكل 1 مخطط هيكل 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
يحتوي الجزء الخلفي من خلية BC على العديد من مناطق p و n المتداخلة. بين هذه المناطق توجد العديد من وصلات PN القصيرة عالية التطعيم. من منظور الدائرة، لم تعد تتصرف مثل صمام ثنائي كبير واحد، بل أشبه بالعديد من الصمامات الثنائية الصغيرة المتوازية. تحت الانحياز العكسي، يمكن لوصلات PN الموزعة هذه أن تشكل مسار توصيل عكسي أكثر انتظاماً.
في نفس الوقت، لأن وصلات PN الخلفية هذه قصيرة ومطعمة محلياً بشكل كبير، يمكنها الدخول في الانهيار العكسي عند جهد عكسي منخفض نسبياً.
بالطبع، يعتمد هذا على معايير التصميم المحددة لخلية BC.
على سبيل المثال، كلما كانت الفجوة بين منطقتي p و n أصغر، كان المجال المحلي أقوى، وعادةً ما يكون من الأسهل الحصول على جهد انهيار عكسي أقل. ولكن ذلك قد يجلب أيضاً مقايضات في التسرب ومقاومة التحويل. لذا فإن تحمل التظليل لخلية BC ليس رقماً ثابتاً، بل يرتبط ارتباطاً وثيقاً بهيكل الخلية، وتصميم النمط الخلفي، وحجم الفجوة، وتركيز التطعيم، وجودة التخميل، وعملية التصنيع.
لماذا تفقد وحدات BC طاقة أقل بعد التظليل؟
عندما يتم تظليل وحدة جزئياً، يتم دفع الخلية المظللة إلى انحياز عكسي بواسطة تيار السلسلة. مع تفاقم التظليل، يستمر الجهد الكلي لقسم السلسلة في الانخفاض.
في الوحدات التقليدية، عادةً ما يتم توصيل صمام ثنائي للتجاوز بالتوازي عبر جزء 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 لذلك الجزء من السلسلة سالبًا بما فيه الكفاية، يتم تحيز الصمام الثنائي للتجاوز في الاتجاه الأمامي ويُشغَّل من تلقاء نفسه.
يمكن كتابة شرط التشغيل على النحو التالي:
Vsubstring ≤ -Vf
Vsubstring هو الجهد الكلي لجزء السلسلة المحمي بواسطة الصمام الثنائي للتجاوز؛
Vf هو انخفاض الجهد الأمامي للصمام الثنائي للتجاوز.
بالنسبة لجزء سلسلة، يمكن فهم جهده الكلي على النحو التالي:
Vsubstring = ∑Vunshaded + ∑Vshaded
حيث:
الخلايا غير المظللة لا تزال تنتج جهدًا موجبًا؛
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 مجموع الفولتية العكسية للخلايا المظللة مجموع الفولتية الأمامية للخلايا غير المظللة المتبقية، بالإضافة إلى انخفاض جهد التشغيل للصمام الثنائي للتجاوز، قبل أن يعمل الصمام الثنائي للتجاوز.
ميزة وحدة BC هي أنه قبل حتى تشغيل الصمام الثنائي للتجاوز الخارجي، توفر بنية تقاطع PN البينية الخلفية لخلية BC نفسها بعض التوصيل العكسي الموزع. هذا يتصرف قليلاً مثل صمام ثنائي زينر مدمج في الخلية.
تحت الانحياز العكسي، يمكن لبنية تقاطع PN البينية على الجزء الخلفي من خلية BC أن تشكل توصيلًا عكسيًا موزعًا عند جهد أقل، مما يحد من مدى ارتفاع الجهد العكسي. لذلك تحت التظليل الجزئي، مع عدم تشغيل الصمام الثنائي للتجاوز الخارجي بعد، يمكن لوحدة BC أن تحافظ على طاقة خرج عالية إلى حد ما.
الشكل 2 منحنى IV للوحدة عندما تكون خلية واحدة مظللة.
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 للتظليل لا يعني مناعة ضد التظليل
هناك سوء فهم شائع يحتاج إلى توضيح.
خلايا BC تتحمل التظليل بشكل أفضل، لكن هذا لا يعني أن التظليل ليس له تأثير عليها.
أي خلية كهروضوئية ستنتج 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 الصمام الثنائي للتجاوز الخارجي.
بمجرد تشغيل الصمام الثنائي للتجاوز، يمر التيار حول هذا الجزء الكامل من السلسلة. يتم تجاوز الخلايا غير المظللة في هذه السلسلة الفرعية جنبًا إلى جنب مع الخلايا المظللة، وينخفض مساهمتها في الإخراج بشكل ملحوظ. لذلك عندما تكون المنطقة المظللة كبيرة، تضعف ميزة التوليد لوحدة BC أيضًا.
تميل وحدات BC إلى التفوق عندما:
خلية واحدة أو بضع خلايا مظللة جزئيًا؛
المنطقة المظللة داخل كل سلسلة فرعية صغيرة؛
التظليل قطري، أو شريطي، أو متناثر محليًا؛
الصمام الثنائي الالتفافي الخارجي لم يعمل بالكامل.
على سبيل المثال، الظل القطري من عمود كهرباء قد يترك كل سلسلة فرعية بمنطقة مظللة صغيرة فقط. في هذه الحالة، عادةً ما يُظهر لوح BC توليدًا أفضل متحملًا للتظليل.
لماذا تعمل ألواح BC بدرجة حرارة أقل عند النقاط الساخنة؟
ألواح BC لديها درجات حرارة نقاط ساخنة أقل لسببين رئيسيين.
أولاً، التيار العكسي أكثر انتشارًا
في الخلايا العادية، غالبًا ما يكون توزيع التيار العكسي غير متساوٍ. يحدث الانهيار العكسي عادةً أولاً في نقاط ضعف محلية، مثل:
مواقع العيوب المحلية؛
حواف الخلايا؛
مناطق المعدنة غير الطبيعية؛
الشقوق الدقيقة أو المناطق الملوثة؛
المناطق ذات التخميل المحلي الضعيف.
تعمل هذه النقاط كنقاط ضعف.
بمجرد تركيز التيار العكسي على هذه النقاط الضعيفة، تصبح كثافة الطاقة المحلية عالية جدًا، وترتفع درجة الحرارة بسرعة، وتتشكل نقطة ساخنة واضحة.
إنه مثل تسخين جسمين بنفس كمية الحرارة:
لوحة معدنية كاملة؛
نقطة بحجم رأس الدبوس.
الأخيرة تسخن أسرع، بلا شك.
لذا فإن خطر الخلية العادية تحت التظليل ليس "تسخينًا متساويًا عبر الخلية بأكملها"، بل تسخين نقطي محلي شديد..
خلية BC لديها العديد من تقاطعات PN المتشابكة على الظهر. يمكن أن ينتشر التوصيل العكسي بسهولة عبر مناطق متعددة بدلاً من التراكم على نقاط عيب قليلة.
لذا فإن توزيع التيار العكسي في خلية BC أكثر انتظامًا، وكثافة الطاقة المحلية أقل، ودرجة حرارة النقطة الساخنة أقل أيضًا.
ثانيًا، جهد الانهيار العكسي أقل
يمكنك رؤية ذلك من معادلة طاقة النقطة الساخنة:
طاقة النقطة الساخنة ≈ ∣الجهد العكسي∣ × تيار عدم التطابق
عند نفس تيار عدم التطابق، كلما انخفض الجهد العكسي، قلت طاقة التسخين.
لهذا السبب يمكن أن يعمل الجهد العكسي المنخفض للانهيار كآلية حماية تحت التظليل.
إليك مثال بسيط.
لنفترض أن تيار سلسلة اللوح هو 10 أمبير، وخلية واحدة مظللة بشدة.
إذا وصلت خلية عادية إلى جهد عكسي قدره 15 فولت بعد التظليل، فإن الطاقة التي تحرقها تبلغ حوالي:
P = 15V × 10A = 150W
إذا تم تثبيت خلية BC بسبب بنيتها الخلفية وكان الجهد العكسي محدودًا بحوالي 6 فولت، فإن الطاقة التي تحرقها تبلغ حوالي:
P = 6V × 10A = 60W
الفرق مذهل.
بالطبع، 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.
ومع ذلك، في بعض الاختبارات الحقيقية والخبرة الميدانية، تعمل وحدات BC عادةً بدرجة حرارة أقل في النقاط الساخنة مقارنة بالوحدات التقليدية. على سبيل المثال، يمكن لبعض وحدات BC الحفاظ على درجة حرارة النقطة الساخنة أقل من حوالي 120 درجة مئوية، بينما قد تصل أنواع الوحدات الأخرى إلى 160 درجة مئوية أو حتى أعلى.
تحقق بعض خلايا BC المصممة خصيصًا ما يشبه "الصمام الثنائي الالتفافي المدمج"، مما يخفض درجة حرارة النقطة الساخنة إلى حوالي 90 درجة مئوية بينما تقترب الوحدة المرجعية من 190 درجة مئوية، مما يوضح أن هذا التصميم الموزع للتوصيل العكسي يمكن أن يقلل درجة حرارة النقطة الساخنة بشكل كبير.
هل انخفاض جهد الانهيار العكسي دائمًا أفضل؟
ليس بالضرورة.
يساعد جهد الانهيار العكسي المنخفض على خفض درجة حرارة النقطة الساخنة تحت التظليل، لكنه قد يجلب مقايضات في التصميم أيضًا.
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 الانحياز العكسي الناتج عن التظليل، تشكيل توصيل عكسي آمن وموحد بجهد منخفض.
لهذا السبب أيضًا تختلف خلايا BC المختلفة في أداء التظليل.
بعض خلايا BC تميل نحو الكفاءة، لذا قد تعزل بشكل أقوى وتنتهي بجهد انهيار عكسي أعلى. البعض الآخر يميل نحو تحمل التظليل، لذا قد تصمم مسارات انهيار عكسي أقل وأكثر انتظامًا.
لذا لا يمكنك القول ببساطة "جميع خلايا BC تتحمل التظليل بنفس الطريقة". العبارة الأكثر دقة هي:
يمكن لخلية BC المصممة جيدًا تحقيق انهيار عكسي أقل وأكثر انتظامًا من خلال بنية الوصلة PN المتشابكة الخلفية، مما يحسن تحمل التظليل والنقاط الساخنة.
ملخص مزايا خلايا BC
بتجميع كل ذلك، تشمل مزايا خلية BC تحت التظليل بشكل رئيسي:
فقدان طاقة أقل 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؟
في الممارسة العملية، غالبًا لا يمكن تجنب التظليل تمامًا.
خاصة في السيناريوهات الموزعة، مثل:
أسطح سكنية؛
أسطح تجارية وصناعية؛
شرفات الطاقة الشمسية؛
أنظمة BIPV؛
تركيب متعدد الاتجاهات؛
مواقع ذات مبانٍ محيطة معقدة.
في هذه التطبيقات، قد تتعرض الوحدات غالبًا لتظليل جزئي.
إذا كانت الخلية تتحمل التظليل بشكل أفضل وتعمل ببرودة أكبر عند النقاط الساخنة، فهذا يعني:
سلامة أفضل للوحدة: انخفاض درجة حرارة النقطة الساخنة يقلل من شيخوخة المادة المغلفة، وتلف الطبقة الخلفية، والإجهاد الموضعي 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 الجزئي غير قابل للتجنب، يمكن لوحدة BC تخفيف بعض فقدان الطاقة.
تصميم نظام أكثر ودية
تتكيف وحدات BC بشكل أفضل مع الأسطح المعقدة، وبيئات التركيب الموزعة، وسيناريوهات التظليل المتعدد.
الخلاصة
تتحمل خلايا BC التظليل بشكل أفضل وتعمل ببرودة أكبر عند النقاط الساخنة، ليس بشكل أساسي لأنها "غير متأثرة بالتظليل"، ولكن لأنها تتمتع بمزايا في البنية وسلوك الانحياز العكسي.
مع الخلية العادية تحت التظليل، قد يتركز الانهيار العكسي على نقاط العيوب الموضعية، مما يؤدي إلى كثافة طاقة موضعية عالية ودرجة حرارة نقطة ساخنة عالية.
بنية الوصلة PN المتشابكة الخلفية لخلية BC تعمل كمشبك عكسي موزع ومدمج. تحت التظليل، يمكنها تشكيل توصيل عكسي عند جهد عكسي أقل وتوزيع التيار العكسي بشكل أكثر توازنًا، مما يخفض طاقة النقطة الساخنة ودرجة حرارتها.
لكن تذكر، خلايا BC ليست محصنة تمامًا ضد التظليل. عندما تكون المنطقة المظللة كبيرة جدًا، تكون عدة خلايا مظللة بالكامل، وينخفض جهد السلسلة الفرعية بما يكفي، فإن الصمام الثنائي الالتفافي الخارجي لا يزال يعمل. عند تلك النقطة، ينخفض ناتج السلسلة الفرعية الملتفة بشكل ملحوظ.
لذا بشكل أكثر دقة:
ميزة خلية BC ليست في القضاء على تأثيرات التظليل، بل في جعلها أكثر قابلية للتحكم. تحت التظليل الصغير المساحة يمكنها تقليل فقدان الطاقة؛ تحت التظليل الشديد يمكنها تقليل خطر النقطة الساخنة.
هذا هو السبب الأساسي الذي يجعل خلايا BC أفضل في بيئات التظليل المعقدة.
رؤية Ooitech
ما يلفت انتباهنا حقًا هنا هو أن ميزة التظليل في BC تكمن في خطوة المعدنة الخلفية الملامسة، وليس في مادة سحرية، مما يعني أن خط الإنتاج يجب أن يحقق تفاوتات ضيقة على النمط المتشابك للحصول فعليًا على ذلك الانهيار العكسي المنخفض والمتساوي. على خط الإنتاج، رأينا نفس الفيزياء تظهر في اختبارات EL والنقطة الساخنة، حيث يظهر النمط الخلفي غير المتساوي كنقاط انهيار متناثرة قبل وقت طويل من رؤية الوحدة لأي ظل. إذا كنت تحب هذا النوع من التحليل التفصيلي لما يحدث بين الخلية والوحدة النهائية، فإن قناتنا على يوتيوب في www.youtube.com/ooitech تحتوي على المزيد من داخل مصانع الطاقة الشمسية الحقيقية.
