소개

음영은 실제 PV 설치에서 매우 흔한 문제입니다.

나무 그림자, 전봇대, 먼지, 새 배설물, 눈, 심지어 약간 일치하지 않는 모듈 설치 각도도 부분 음영을 유발할 수 있습니다. 음영은 모듈 출력을 낮출 뿐만 아니라 더 심각한 문제를 유발할 수 있습니다: 핫스팟.

지난 몇 년 동안 BC 태양전지는 분산형 옥상, 발코니 PV 및 프리미엄 모듈에서 점점 더 많은 주목을 받고 있습니다. 한 가지 주요 이유는 다음과 같습니다: BC 태양전지는 일반적으로 더 나은 음영 허용성을 제공하며, 음영 상태에서 핫스팟 온도가 더 낮게 유지됩니다.

SNEC에서 제조업체가 셀 스트링의 일부를 가린 후 펌프의 물 높이를 사용하여 BC 제품의 음영 허용성을 과시하는 모습을 자주 볼 수 있습니다.

그렇다면 BC 셀이 이러한 장점을 갖는 이유는 무엇일까요? 그 이면의 물리학은 무엇일까요?

상당히 간단한 용어로 설명해 보겠습니다.

음영이 핫스팟을 유발하는 이유

음영이 핫스팟을 유발하는 이유는 무엇일까요?

PV 모듈 내부의 셀은 일반적으로 직렬로 연결됩니다.

직렬 회로의 한 가지 정의 특성은 다음과 같습니다: 전류는 모든 곳에서 동일해야 합니다.

즉, 전체 스트링을 통과하는 전류는 루프 전체에 의해 설정됩니다. 모든 셀이 완전한 빛을 받으면 각 셀이 전력을 생성하고 모두 상당히 일관된 상태에 있습니다.

하지만 하나의 셀이 그늘지면, 그 셀이 생성할 수 있는 광전류가 감소합니다. 전체 스트링이 여전히 큰 전류를 전달해야 한다면, 그늘진 셀은 다른 그늘지지 않은 셀들에 의해 역방향 바이어스로 밀려날 수 있습니다. 그 시점에서 전원 공급원이 아닌 전력 소비원으로 변합니다.

부분적인 그늘의 경우, 그늘진 셀이 완전히 생성을 멈추지는 않습니다. 그늘지지 않은 영역은 여전히 약간의 광전류를 생성합니다. 따라서 역방향 항복 경로, 누설 경로 또는 바이패스 경로를 통해 실제로 흘러야 하는 것은 전체 스트링 전류가 아니라, 스트링 전류와 해당 셀이 여전히 생성할 수 있는 전류 간의 차이입니다.

이 차이를 불일치 전류(mismatch current)라고 부를 수 있습니다:

Imismatch = Istring - Igenerate

따라서 핫스팟 전력 소모는 대략 다음과 같이 쓸 수 있습니다:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

즉:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)

이 공식은 한 가지 핵심을 지적합니다: 동일한 스트링 전류에서 역방향 전압이 높을수록 그늘진 셀이 소비하는 전력이 커지고 핫스팟이 더 뜨거워집니다.

따라서 핫스팟에 저항하는 핵심 중 하나는:

그늘진 셀의 역방향 전압을 낮추고 발열을 더 균일하게 만드는 방법입니다.

이것이 바로 BC 셀이 빛나는 부분입니다.

BC 셀의 구조적 차이점

BC 셀은 일반 셀과 구조적으로 어떻게 다른가요?

일반 결정질 실리콘 셀은 보통 전면 및 후면 접촉 구조를 사용합니다.

간단히 말해:

• 전면에는 미세한 그리드라인과 버스바가 있으며, 빛은 전면에서 들어옵니다;

• 셀 내부에서 전류가 생성된 후 전면 및 후면 전극을 통해 수집됩니다.

BC 셀(Back Contact)은 한 가지 두드러진 특징이 있습니다:

양극과 음극 전극이 모두 셀 후면에 위치하며, 전면에는 금속 그리드라인이 없습니다.

이는 두 가지 직접적인 이점을 제공합니다:

1. 전면에 그리드라인 그림자가 없어 수광 면적이 더 넓습니다;

2. 후면 전극을 인터디지테이트 패턴으로 구성할 수 있어 전류 수집이 더 균일합니다.

그림 1 BC 셀 구조 개략도.

출처: 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

BC 셀의 뒷면에는 많은 인터리브된 p-영역과 n-영역이 있습니다. 이 영역들 사이에는 많은 짧고 고농도로 도핑된 PN 접합이 있습니다. 회로 관점에서 보면 더 이상 단일 대형 다이오드처럼 동작하지 않고, 여러 개의 작은 다이오드가 병렬로 연결된 것처럼 동작합니다. 역방향 바이어스 하에서 이러한 분산된 PN 접합은 더 균일한 역방향 전도 경로를 형성할 수 있습니다.

이러한 후면 PN 접합은 짧고 국부적으로 고농도 도핑되어 있기 때문에 상대적으로 낮은 역방향 전압에서 역방향 항복에 들어갈 수 있습니다.

물론 이는 BC 셀의 특정 설계 매개변수에 따라 달라집니다.

예를 들어, p-영역과 n-영역 사이의 간격이 작을수록 국부 전계가 강해지고 일반적으로 더 낮은 역방향 항복 전압을 형성하기 쉽습니다. 그러나 이는 누설 및 션트 저항 측면에서 트레이드오프를 가져올 수 있습니다. 따라서 BC 셀의 음영 내성은 고정된 값이 아닙니다. 이는 특정 셀 구조, 후면 패턴 설계, 간격 크기, 도핑 농도, 패시베이션 품질 및 제조 공정과 밀접하게 관련됩니다.

BC 셀이 음영 하에서 손실을 덜 보는 이유

BC 셀은 음영 후 왜 손실을 덜 보나요?

모듈이 부분적으로 음영 처리되면 스트링 전류가 음영 처리된 셀을 역방향 바이어스로 밀어냅니다. 음영이 심해짐에 따라 해당 서브스트링의 총 전압은 계속 떨어집니다.

기존 모듈에서는 일반적으로 바이패스 다이오드가 스트링의 한 섹션에 병렬로 배치됩니다. 바이패스 다이오드는 컨트롤러에 의해 능동적으로 켜지지 않습니다. 이는 수동 소자입니다. 전도 여부는 양단의 전압에만 의존합니다. 해당 서브스트링의 총 전압이 충분히 음이 되면 바이패스 다이오드는 순방향 바이어스되어 자동으로 켜집니다.

턴온 조건은 다음과 같이 쓸 수 있습니다:

Vsubstring ≤ -Vf

Vsubstring은 바이패스 다이오드로 보호되는 서브스트링의 총 전압입니다;

Vf는 바이패스 다이오드의 순방향 전압 강하입니다.

서브스트링의 경우 총 전압은 다음과 같이 이해할 수 있습니다:

Vsubstring = ∑Vunshaded + ∑Vshaded

여기서:

• 음영 처리되지 않은 셀은 여전히 순방향 전압을 생성합니다;

• 음영 처리된 셀은 역방향 바이어스되어 음의 전압을 생성합니다.

바이패스 다이오드의 턴온 조건은 다음과 같이 읽을 수 있습니다:

∣∑V음영∣ ≥ ∑V비음영 + Vf

즉,

음영 처리된 셀의 총 역방향 전압이 나머지 비음영 셀의 총 순방향 전압에 바이패스 다이오드의 순방향 강하를 더한 값을 초과해야 바이패스 다이오드가 턴온됩니다.

BC 모듈의 장점은 외부 바이패스 다이오드가 턴온되기 전에 BC 셀 자체의 인터디지테이티드 백 PN 접합 구조가 이미 일부 분산 역방향 전도 능력을 제공한다는 것입니다. 이는 셀 내부에 내장된 제너 다이오드처럼 작동합니다.

역방향 바이어스 하에서 BC 셀의 인터디지테이티드 백 PN 접합은 낮은 전압에서 분산 역방향 전도를 형성하여 역방향 전압의 추가 상승을 제한할 수 있습니다. 따라서 부분 음영 시 외부 바이패스 다이오드가 아직 턴온되지 않은 경우에도 BC 모듈은 비교적 높은 출력 전력을 유지할 수 있습니다.

그림 2 하나의 셀이 음영 처리된 모듈의 IV 곡선.

출처: 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. Available: https://doi.org/10.1051/epjpv/2024001

더 나은 내성이 음영에 면역이라는 의미는 아님

더 나은 음영 내성이 BC 셀이 음영에 영향을 받지 않는다는 의미는 아닙니다.

한 가지 일반적인 오해를 바로잡아야 합니다.

더 나은 음영 내성이 BC 셀이 음영에 영향을 받지 않는다는 의미는 아닙니다.

모든 태양전지는 음영 처리되면 더 적은 전력을 생산합니다.

하나의 서브스트링 내 음영 영역이 너무 커지거나 여러 셀이 완전히 음영 처리되면 음영 셀의 총 역방향 전압이 결국 나머지 비음영 셀의 총 순방향 전압을 초과할 수 있습니다. 그 시점에서 외부 바이패스 다이오드가 턴온됩니다.

바이패스 다이오드가 턴온되면 전류는 해당 서브스트링 전체를 우회합니다. 해당 서브스트링의 비음영 셀도 바이패스되어 출력 기여도가 급격히 감소합니다. 따라서 음영 영역이 큰 경우 BC 모듈의 발전 이점도 약해집니다.

BC 모듈이 진정으로 빛을 발하는 시나리오는 일반적으로 다음과 같습니다:

• 하나 또는 몇 개의 셀이 부분적으로 음영 처리되는 경우;

• 각 서브스트링 내 음영 영역이 작게 유지됩니다.

• 음영이 대각선, 띠 모양 또는 국소적으로 분산되어 있습니다.

• 외부 바이패스 다이오드가 완전히 켜지지 않았습니다.

예를 들어, 전봇대의 대각선 그림자가 각 서브스트링에 작은 음영 영역만 남길 수 있습니다. 이 경우 BC 모듈은 더 나은 음영 내성 발전을 보여주는 경향이 있습니다.

BC 모듈이 핫스팟을 더 시원하게 유지하는 이유

BC 모듈이 핫스팟 온도가 더 낮은 이유는 무엇인가요?

BC 모듈이 핫스팟을 더 시원하게 유지하는 데는 주로 두 가지 이유가 있습니다.

First, the reverse current is more spread out

일반 셀의 경우 역전류 분포가 종종 불균일합니다. 역방향 항복은 먼저 일부 국소 약점에서 발생할 수 있습니다. 예를 들어:

• 국소 결함 부위;

• 셀 가장자리;

• 금속화 이상;

• 미세 균열 또는 오염 영역;

• 국소 패시베이션이 약한 영역.

이러한 지점은 약점처럼 작용합니다.

역전류가 이러한 약점에 집중되면 국소 전력 밀도가 매우 높아지고 온도가 빠르게 상승하여 명확한 핫스팟이 형성됩니다.

마치 두 물체에 같은 양의 열을 가하는 것과 같습니다:

• 전체 금속판;

• 핀 크기의 점.

후자가 확실히 더 빨리 가열됩니다.

따라서 음영 아래 일반 셀의 위험은 "셀 전체의 균일한 가열"이 아니라 강한 국소 점 가열입니다.

BC 셀은 뒷면에 많은 교차 핀 PN 접합이 있습니다. 역방향 전도는 몇 개의 결함 지점에 집중되지 않고 여러 영역에 더 쉽게 분산될 수 있습니다.

따라서 BC 셀의 역전류는 더 균일하게 분포하고, 국소 전력 밀도는 더 낮게 유지되며, 핫스팟 온도도 더 낮게 유지됩니다.

둘째, 역방향 항복 전압이 더 낮습니다.

핫스팟 전력 공식에서:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

동일한 불일치 전류에서 더 낮은 역전압은 더 적은 전력 손실을 의미합니다.

이것이 낮은 역방향 항복 전압이 실제로 음영 시나리오에서 보호 메커니즘으로 작용할 수 있는 이유입니다.

간단한 예를 들어보겠습니다.

전류가 10A이고 한 셀이 심하게 그늘졌다고 가정해 봅시다.

일반 셀이 그늘진 후 15V 역전압에 도달하면 소비되는 전력은 대략 다음과 같습니다:

P = 15V × 10A = 150W

BC 셀이 후면 구조로 인해 클램핑되어 역전압이 약 6V로 제한되면 소비되는 전력은 대략 다음과 같습니다:

P = 6V × 10A = 60W

차이가 매우 명확합니다.

실제 핫스팟 온도는 그늘진 면적, 주변 온도, 풍속, 모듈 밀봉, 유리 크기, 셀 설계 및 테스트 방법에 따라 달라지므로 단일 고정 숫자로 판단할 수 없습니다.

그러나 일부 실제 테스트와 현장 경험에서 BC 모듈은 일반적으로 기존 모듈보다 낮은 핫스팟 온도를 나타냅니다. 예를 들어, 일부 BC 모듈은 핫스팟 온도를 약 120°C 이하로 유지할 수 있는 반면, 다른 모듈 유형은 160°C 또는 그 이상에 도달할 수 있습니다.

특별히 설계된 일부 BC 셀은 '셀 내장형 바이패스 다이오드'와 같은 기능을 구현합니다. 이는 핫스팟 온도를 약 90°C로 낮추는 반면, 기준 모듈은 약 190°C로 유지되어, 이러한 분산형 역전도 설계가 핫스팟 온도를 크게 낮출 수 있음을 보여줍니다.

낮은 역항복 전압이 항상 더 좋은가?

낮은 역항복 전압이 항상 더 좋은가요?

반드시 그렇지는 않습니다.

낮은 역항복 전압은 그늘짐 시 핫스팟 온도를 낮추는 데 도움이 되지만, 설계 상의 트레이드오프를 초래할 수도 있습니다.

역전도 경로가 제대로 설계되지 않으면 누설 전류가 증가하고 션트 저항이 낮아져 셀의 정상 발전 성능에 해를 끼칠 수 있습니다.

따라서 고효율 BC 셀은 일반적으로 두 가지 목표를 균형 있게 유지해야 합니다:

1. 정상 작동 중에는 높은 효율, 낮은 누설, 높은 션트 저항을 유지하고;

2. 그늘짐 역바이어스 하에서는 낮은 전압에서 안전하고 균일한 역전도를 형성합니다.

이것이 바로 BC 셀마다 그늘짐 내성이 다른 이유이기도 합니다.

일부 BC 셀은 효율에 중점을 두고 더 강력한 절연을 구축하여 역항복 전압이 더 높게 나타납니다. 다른 셀은 그늘짐 내성에 중점을 두고 더 낮고 균일한 역항복 경로를 설계할 수 있습니다.

따라서 '모든 BC 셀의 그늘짐 내성이 동일하다'고 단순히 말할 수 없습니다. 더 정확한 표현은 다음과 같습니다:

잘 설계된 BC 셀은 교차형 후면 PN 접합 구조를 사용하여 더 낮고 균일한 역방향 항복을 달성할 수 있으며, 이는 음영 및 핫스팟 내성을 향상시킵니다.

BC 셀 장점 요약

BC 셀 장점 요약

종합하면, 음영 조건에서 BC 셀의 장점은 주로 다음과 같습니다:

• 외부 바이패스 다이오드가 켜지기 전, 소면적 음영에서 더 작은 모듈 발전 손실;

• 더 낮은 국부 전력 밀도;

• 더 낮은 핫스팟 온도;

• 더 높은 모듈 안전 여유.

모듈 응용에 대한 의미

이것이 모듈 응용에 어떤 의미일까요?

실제 사용에서는 음영을 완전히 피할 수 없는 경우가 많습니다.

특히 분산형 시나리오에서, 예를 들어:

• 주택 옥상;

• 상업 및 산업용 옥상;

• 발코니 태양광;

• BIPV;

• 다중 방향 설치;

• 복잡한 건물로 둘러싸인 장소.

이러한 응용에서 모듈은 자주 국부적인 음영에 직면할 수 있습니다.

셀이 더 나은 음영 내성과 더 낮은 핫스팟 온도를 가진다면, 이는 다음을 의미합니다:

• 더 나은 모듈 안전성: 낮은 핫스팟 온도는 봉투 노화, 백시트 손상, 국부 유리 응력 및 전기적 위험을 줄입니다.

• 더 나은 장기 신뢰성: 국부 고온은 재료 노화를 가속화합니다. 핫스팟이 약할수록 모듈은 시간이 지나도 더 안정적으로 유지됩니다.

• 더 제어 가능한 발전 손실: 국부 음영이 불가피할 때, BC 모듈은 전력 손실의 일부를 완화할 수 있습니다.

• 더 친화적인 시스템 설계.

BC 모듈은 복잡한 지붕, 분산형 설치 환경 및 다중 음영 시나리오에 더 잘 적응합니다.

요약

요약

BC 셀이 더 나은 음영 내성과 더 낮은 핫스팟 온도를 제공하는 이유는 "음영의 영향을 받지 않기" 때문이 아니라, 구조와 역방향 바이어스 거동에서 장점을 가지기 때문입니다.

음영 조건에서 일반 셀은 국부 결함 지점에 역방향 항복이 집중되어 높은 국부 전력 밀도와 높은 핫스팟 온도를 초래할 수 있습니다.

BC 셀의 인터디지테이티드 백 PN 접합 구조는 분산형 내장 역방향 클램프처럼 작동합니다. 음영 조건에서 더 낮은 역방향 전압에서 역방향 전도를 형성하고 역방향 전류를 더 균일하게 분산시켜 핫스팟 전력과 핫스팟 온도를 낮춥니다.

하지만 BC 셀이 음영에 완전히 면역이 있는 것은 아닙니다. 음영 영역이 너무 크고 여러 셀이 완전히 음영 처리되며 서브스트링 전압이 충분히 음의 값이 되면 외부 바이패스 다이오드가 여전히 켜집니다. 그 시점에서 바이패스된 서브스트링 출력이 눈에 띄게 떨어집니다.

따라서 더 정확한 표현은:

BC 셀의 장점은 음영 효과를 제거하는 것이 아니라 그 효과를 더 제어 가능하게 만드는 것입니다. 소면적 음영에서는 전력 손실을 줄이고, 심한 음영에서는 핫스팟 위험을 낮춥니다.

이것이 BC 셀이 복잡한 음영 환경에서 장점을 가지는 근본적인 이유입니다.

Ooitech의 견해

여기서 흥미로운 점은 음영 내성이 단순히 셀 설계 선택의 문제가 아니라, 인터디지테이티드 백 패턴이 라인의 모든 셀에서 얼마나 일관되게 재현되는지에도 달려 있다는 것입니다. 금속화, 갭 크기 또는 패시베이션 품질의 작은 변화는 방금 설명한 역방향 항복 동작을 변화시킬 수 있으며, 이것이 BC 모듈 라인에서 공정 제어가 셀 레시피만큼 중요한 이유입니다. Ooitech는 TOPCon, HPBC, ABC 및 기타 BC 유형 모듈을 위한 턴키 모듈 생산 라인을 구축하는 데 수년을 보냈으며, 이러한 백컨택트 공정 창을 면밀히 관찰하고 있습니다. 이러한 모듈이 실제 공장에서 어떻게 제조되는지 보고 싶다면, 저희 YouTube 채널 www.youtube.com/ooitech 에 실제 생산 라인 영상이 많이 있으니 한 번 살펴보세요.