BC 태양전지가 더 나은 음영 허용 오차와 더 낮은 핫스팟 온도를 제공하는 이유는 무엇인가요?

제품 소개

음영은 실제 태양광 설치에서 가장 흔한 문제 중 하나입니다.

나무 그림자, 전신주, 먼지, 새 배설물, 눈, 심지어 고르지 않은 설치 각도까지 모두 부분 음영을 유발할 수 있습니다. 음영은 모듈의 출력을 줄일 뿐만 아니라 더 심각한 문제를 유발할 수 있습니다: 핫스팟.

최근 BC 태양전지는 분산형 옥상, 발코니 태양광, 프리미엄 모듈에서 많은 주목을 받고 있습니다. 큰 이유 중 하나는: BC 셀은 일반적으로 음영을 더 잘 처리하며, 음영 상태에서 더 낮은 핫스팟 온도로 작동합니다.

SNEC에서 벤더들이 셀의 일부를 가리고 물 펌프가 얼마나 높이 분사하는지 보여주며 BC 제품의 음영 허용 오차를 과시하는 것을 자주 볼 수 있습니다.

그렇다면 왜 BC 셀이 이러한 이점을 가질까요? 그 뒤에 숨은 물리학은 무엇일까요?

평이한 언어로 설명해 보겠습니다.

음영이 핫스팟을 유발하는 이유는 무엇일까요?

태양광 모듈의 셀은 일반적으로 직렬로 연결됩니다.

직렬 회로의 핵심 특성은 다음과 같습니다: 전류는 모든 곳에서 동일해야 합니다.

즉, 전체 스트링의 전류는 직렬 루프에 의해 함께 결정됩니다. 모든 셀이 완전한 빛을 받으면 각각 전력을 생성하고 모두 일관되게 동작합니다.

하지만 한 셀이 음영 처리되면 생성할 수 있는 광전류가 감소합니다. 스트링이 여전히 더 큰 전류를 흘려야 한다면, 음영 처리된 셀은 다른 비음영 셀에 의해 역방향 바이어스로 강제될 수 있습니다. 그 시점에서 발전기가 아니라 전력을 소비하는 요소가 됩니다.

부분 음영의 경우, 음영 처리된 셀이 완전히 죽은 것은 아닙니다. 비음영 부분은 여전히 약간의 광전류를 생성합니다. 따라서 역방향 항복 경로, 누설 경로 또는 바이패스 경로를 통해 흘러야 하는 것은 전체 스트링 전류가 아니라 스트링 전류와 해당 셀이 여전히 생성할 수 있는 전류 간의 차이입니다.

이 차이를 불일치 전류라고 부를 수 있습니다:

Imismatch = Istring - Igenerate

따라서 핫스팟 가열 전력은 대략 다음과 같이 쓸 수 있습니다:

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

즉,

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)

이 공식은 핵심 문제를 지적합니다: 동일한 전류에서 역방향 전압이 높을수록 음영 처리된 셀이 소모하는 전력이 커지고, 핫스팟이 더 뜨거워집니다.

따라서 핫스팟을 방지하는 핵심은 다음과 같습니다:

음영 처리된 셀의 역방향 전압을 낮추고 열을 더 고르게 분산시키는 방법입니다.

이것이 바로 BC 셀이 뛰어난 부분입니다.

BC 셀은 일반 셀과 구조적으로 어떻게 다른가요?

일반 결정질 실리콘 셀은 일반적으로 전면-후면 접촉 구조를 가지고 있습니다.

간단히 말하면:

• 전면에는 미세한 그리드 라인과 버스바가 있으며, 빛은 전면에서 들어옵니다;

• 셀 내부에서 생성된 전류는 전면 및 후면 전극에 의해 수집됩니다.

BC 셀(Back Contact)의 정의적 특징은 다음과 같습니다:

양극과 음극 전극이 모두 셀의 후면에 위치하며, 전면에는 금속 그리드 라인이 없습니다.

이로 인해 두 가지 직접적인 이점이 있습니다:

1. 전면에 그리드 라인 음영이 없어 수광 면적이 더 넓습니다;

2. 후면 전극을 인터디지테이트(맞물림) 구조로 만들 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 후면에는 많은 교차 배열된 p 및 n 영역이 있습니다. 이 영역 사이에는 많은 짧고 고농도 도핑된 PN 접합이 있습니다. 회로 관점에서 볼 때 더 이상 하나의 큰 다이오드처럼 동작하지 않고, 많은 작은 다이오드가 병렬로 연결된 것처럼 동작합니다. 역방향 바이어스 하에서 이러한 분산된 PN 접합은 더 균일한 역방향 전도 경로를 형성할 수 있습니다.

동시에, 이러한 후면 PN 접합은 짧고 국부적으로 고농도 도핑되어 있기 때문에 상대적으로 낮은 역방향 전압에서 역방향 항복을 시작할 수 있습니다.

물론 이는 BC 셀의 특정 설계 매개변수에 따라 달라집니다.

예를 들어, p와 n 영역 사이의 간격이 작을수록 국부 전계가 강해지며, 일반적으로 더 낮은 역방향 항복 전압을 얻기 쉽습니다. 그러나 이는 누설 전류와 션트 저항 측면에서 트레이드오프를 가져올 수 있습니다. 따라서 BC 셀의 음영 허용 오차는 고정된 값이 아니라 셀 구조, 후면 패턴 설계, 간격 크기, 도핑 농도, 패시베이션 품질 및 제조 공정에 밀접하게 연관되어 있습니다.

BC 모듈은 음영 후 전력 손실이 적은 이유는 무엇인가요?

모듈이 부분적으로 음영 처리되면 음영 처리된 셀은 스트링 전류에 의해 역방향 바이어스로 밀려납니다. 음영이 심해질수록 해당 스트링 구간의 총 전압은 계속 떨어집니다.

기존 모듈에서는 일반적으로 바이패스 다이오드가 스트링의 한 구간에 병렬로 연결됩니다. 바이패스 다이오드는 컨트롤러에 의해 능동적으로 켜지지 않습니다. 수동 소자입니다. 전도 여부는 양단 전압에만 의존합니다. 해당 스트링 구간의 총 전압이 충분히 음이 되면 바이패스 다이오드는 순방향 바이어스가 되어 자체적으로 켜집니다.

턴온 조건은 다음과 같이 쓸 수 있습니다:

Vsubstring ≤ -Vf

Vsubstring은 바이패스 다이오드로 보호되는 스트링 구간의 총 전압입니다.

Vf는 바이패스 다이오드의 순방향 전압 강하입니다.

스트링 구간의 총 전압은 다음과 같이 이해할 수 있습니다:

Vsubstring = ∑Vunshaded + ∑Vshaded

여기서:

• 차양이 없는 셀은 여전히 양의 전압을 생성합니다;

• 차양이 있는 셀은 역방향 바이어스가 되어 음의 전압을 생성합니다.

바이패스 다이오드 턴온 조건은 다음과 같이 읽을 수 있습니다:

∣∑Vshaded∣ ≥ ∑Vunshaded + Vf

즉:

차양이 있는 셀의 역방향 전압의 합이 나머지 차양이 없는 셀의 순방향 전압의 합과 바이패스 다이오드의 턴온 전압 강하를 초과해야 바이패스 다이오드가 작동합니다.

BC 모듈의 장점은 외부 바이패스 다이오드가 켜지기 전에 BC 셀 자체의 후면 인터디지테이티드 PN 접합 구조가 이미 일부 분산 역방향 전도를 제공한다는 것입니다. 이는 셀에 내장된 제너 다이오드처럼 작동합니다.

역방향 바이어스 하에서 BC 셀 후면의 인터디지테이티드 PN 접합 구조는 낮은 전압에서 분산 역방향 전도를 형성하여 역방향 전압이 상승하는 것을 제한합니다. 따라서 부분 차양 조건에서 외부 바이패스 다이오드가 아직 트리거되지 않은 경우에도 BC 모듈은 상당히 높은 출력 전력을 유지할 수 있습니다.

그림 2 한 셀이 차양되었을 때의 모듈 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. 이용 가능: https://doi.org/10.1051/epjpv/2024001

더 나은 차양 허용 오차가 차양에 면역이라는 의미는 아님

흔한 오해 하나를 명확히 해야 합니다.

BC 셀은 차양을 더 잘 견디지만, 차양이 그들에게 영향을 미치지 않는다는 의미는 아닙니다.

모든 PV 셀은 차양이 지면 전력 생산량이 줄어듭니다.

하나의 서브스트링 내 차양 영역이 너무 크거나 여러 셀이 완전히 차양되면, 차양된 셀의 총 역방향 전압이 결국 나머지 차양되지 않은 셀의 총 순방향 전압을 초과할 수 있습니다. 이 시점에서 외부 바이패스 다이오드가 켜집니다.

바이패스 다이오드가 켜지면 전류가 이 전체 스트링 구간을 우회합니다. 이 서브스트링의 차양되지 않은 셀도 차양된 셀과 함께 바이패스되어 출력에 대한 기여도가 눈에 띄게 감소합니다. 따라서 차양 영역이 크면 BC 모듈의 발전 이점도 약해집니다.

BC 모듈은 다음과 같은 경우에 우위를 가지는 경향이 있습니다:

• 단일 셀 또는 몇 개의 셀이 부분적으로 음영 처리됩니다.

• 각 하위 문자열 내의 음영 영역이 작습니다.

• 음영은 대각선, 스트립 모양 또는 국부적으로 분산되어 있습니다.

• 외부 바이패스 다이오드가 완전히 켜지지 않았습니다.

예를 들어, 전신주에서 오는 대각선 그림자는 각 하위 문자열에 작은 음영 영역만 남길 수 있습니다. 이 경우 BC 모듈은 일반적으로 더 나은 음영 허용 발전을 보여줍니다.

BC 모듈이 핫스팟에서 더 시원하게 작동하는 이유는 무엇입니까?

BC 모듈은 주로 두 가지 이유로 핫스팟 온도가 더 낮습니다.

첫째, 역방향 전류가 더 넓게 분산됩니다

일반 셀에서는 역방향 전류 분포가 종종 고르지 않습니다. 역방향 항복은 다음과 같은 국부적 약점에서 먼저 발생하는 경향이 있습니다.

• 국부적 결함 부위;

• 셀 가장자리;

• 비정상적인 금속화 영역;

• 미세 균열 또는 오염 영역;

• 국부적 패시베이션이 약한 영역.

이러한 지점은 약점처럼 작용합니다.

역방향 전류가 이러한 약점에 집중되면 국부 전력 밀도가 매우 높아지고 온도가 빠르게 상승하여 명백한 핫스팟이 형성됩니다.

같은 양의 열로 두 물체를 가열하는 것과 같습니다.

• 전체 금속판;

• 핀 크기의 점.

후자가 더 빨리 가열되는 것은 의심의 여지가 없습니다.

따라서 음영 하에서 일반 셀의 위험은 "셀 전체에 걸친 균일한 가열"이 아니라 강렬한 국부 점 가열입니다..

BC 셀은 뒷면에 많은 인터디지테이트 PN 접합이 있습니다. 역방향 전도는 몇 개의 결함 지점에 쌓이는 대신 여러 영역에 더 쉽게 퍼질 수 있습니다.

따라서 BC 셀의 역방향 전류 분포는 더 균일하고 국부 전력 밀도는 더 낮으며 핫스팟 온도도 더 낮습니다.

둘째, 역방향 항복 전압이 더 낮습니다

핫스팟 전력 공식에서 볼 수 있습니다.

Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch

동일한 불일치 전류에서 역방향 전압이 낮을수록 가열 전력이 적습니다.

그래서 낮은 역방향 항복 전압은 실제로 음영 하에서 보호 메커니즘으로 작동할 수 있습니다.

간단한 예를 들어보겠습니다.

모듈 스트링 전류가 10A이고 한 셀이 심하게 음영 처리되었다고 가정합니다.

일반 셀이 음영 후 역방향 전압 15V에 도달하면 소비되는 전력은 약 다음과 같습니다.

P = 15V × 10A = 150W

BC 셀이 후면 구조로 인해 클램프되고 역전압이 약 6V로 제한되면, 소모되는 전력은 약 얼마인가요?

P = 6V × 10A = 60W

차이가 현저합니다.

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

그럼에도 불구하고 일부 실제 테스트와 현장 경험에서 BC 모듈은 일반적으로 기존 모듈보다 핫스팟에서 더 시원하게 작동합니다. 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 '내장 바이패스 다이오드'와 같은 것을 구현하여 핫스팟 온도를 약 90°C로 낮추는 반면, 기준 모듈은 약 190°C에 가깝게 유지되어, 이 분산 역방향 전도 설계가 핫스팟 온도를 크게 낮출 수 있음을 보여줍니다.

낮은 역방향 항복 전압이 항상 더 좋은가요?

반드시 그렇지는 않습니다.

낮은 역방향 항복 전압은 음영 조건에서 핫스팟 온도를 낮추는 데 도움이 되지만, 설계 트레이드오프를 가져올 수도 있습니다.

역방향 전도 경로가 제대로 설계되지 않으면 누설 전류가 증가하고 션트 저항이 낮아져 셀의 정상적인 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 전류 및 높은 션트 저항을 유지하고;

2. 음영으로 인한 역방향 바이어스 하에서는 낮은 전압에서 안전하고 균일한 역방향 전도를 형성합니다.

그래서 BC 셀마다 음영 성능이 다른 이유이기도 합니다.

일부 BC 셀은 효율에 중점을 두어 더 강하게 절연하고 결과적으로 더 높은 역방향 항복 전압을 가질 수 있습니다. 다른 셀은 음영 허용 오차에 중점을 두어 더 낮고 균일한 역방향 항복 경로를 설계할 수 있습니다.

그래서 '모든 BC 셀이 동일하게 음영을 허용한다'고 말할 수 없습니다. 더 정확한 표현은:

잘 설계된 BC 셀은 후면 인터디지티드 PN 접합 구조를 통해 더 낮고 균일한 역방향 항복을 달성할 수 있으며, 이는 음영 및 핫스팟 허용 오차를 개선합니다.

BC 셀 장점 요약

종합하면, BC 셀의 음영 조건에서의 장점은 주로 다음을 포함합니다:

• 외부 바이패스 다이오드가 켜지기 전에 소면적 음영에서 모듈 전력 손실이 적습니다;

• 더 낮은 국부 전력 밀도;

• 더 낮은 핫스팟 온도;

• 더 높은 모듈 안전 여유.

이것이 모듈 적용에 어떤 의미가 있을까요?

실제로 음영은 완전히 피할 수 없는 경우가 많습니다.

특히 분산형 시나리오에서, 예를 들어:

• 주거용 지붕;

• 상업 및 산업용 지붕;

• 발코니 태양광;

• BIPV;

• 다중 방향 장착;

• 주변 건물이 복잡한 현장.

이러한 애플리케이션에서는 모듈이 부분적으로 음영 처리되는 경우가 많습니다.

셀이 음영을 더 잘 견디고 핫스팟에서 더 시원하게 작동한다면 이는 다음을 의미합니다:

• 더 나은 모듈 안전성: 낮은 핫스팟 온도는 캡슐런트 노화, 백시트 손상, 유리 국부 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: 부분 음영이 불가피한 경우 BC 모듈은 전력 손실의 일부를 완화할 수 있습니다.

• 더 친화적인 시스템 설계

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

마무리

BC 셀은 음영을 더 잘 견디고 핫스팟에서 더 시원하게 작동합니다. 주로 "음영의 영향을 받지 않기 때문"이 아니라 구조와 역방향 바이어스 동작에서 이점이 있기 때문입니다.

일반 셀이 음영 처리되면 역방향 항복이 국부 결함 지점에 집중되어 높은 국부 전력 밀도와 높은 핫스팟 온도를 유발할 수 있습니다.

BC 셀의 후면 인터디지테이티드 PN 접합 구조는 분산된 내장 역방향 클램프 역할을 합니다. 음영 처리 시 더 낮은 역방향 전압에서 역방향 전도를 형성하고 역방향 전류를 더 균일하게 분산시켜 핫스팟 전력과 핫스팟 온도를 낮춥니다.

하지만 BC 셀이 완전히 음영에 면역인 것은 아닙니다. 음영 영역이 너무 크고 여러 셀이 완전히 음영 처리되며 서브스트링 전압이 충분히 음수가 되면 외부 바이패스 다이오드가 여전히 켜집니다. 이 시점에서 바이패스된 서브스트링의 출력이 눈에 띄게 감소합니다.

따라서 더 정확히 말하면:

BC 셀의 장점은 음영 효과를 제거하는 것이 아니라 더 제어 가능하게 만드는 것입니다. 소면적 음영에서는 전력 손실을 줄일 수 있고, 심한 음영에서는 핫스팟 위험을 낮출 수 있습니다.

이것이 BC 셀이 복잡한 음영 환경에서 더 나은 성능을 보이는 근본적인 이유입니다.

Ooitech의 견해

여기서 정말 주목할 점은 BC의 음영 이점이 어떤 마법의 재료가 아닌 후면 접촉 금속화 공정에 있다는 것입니다. 즉, 모듈 라인은 낮고 균일한 역방향 항복을 실제로 얻기 위해 인터디지테이티드 패턴에 대한 엄격한 공차를 충족해야 합니다. 생산 라인에서 우리는 EL 및 핫스팟 테스트에서 동일한 물리 현상이 나타나는 것을 보았습니다. 고르지 않은 후면 패터닝은 모듈이 그림자를 보기 훨씬 전에 분산된 항복 지점으로 나타납니다. 셀과 완성된 모듈 사이에서 일어나는 일에 대한 이러한 분석이 마음에 든다면, 우리의 YouTube 채널인 www.youtube.com/ooitech 에서 실제 태양광 공장 내부의 더 많은 내용을 확인할 수 있습니다.