BC 태양전지가 더 나은 음영 내성과 낮은 핫스팟 온도를 제공하는 이유는 무엇인가?
제품 소개
음영은 실제 PV 설치에서 가장 흔한 문제 중 하나입니다.
나무 그림자, 전신주, 먼지, 새 배설물, 눈, 심지어 고르지 않은 장착 각도도 부분 음영을 유발할 수 있습니다. 음영은 모듈의 출력을 감소시킬 뿐만 아니라 더 심각한 문제를 유발할 수 있습니다: 핫스팟.
최근 BC 태양전지는 분산형 옥상, 발코니 PV, 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 셀의 일부를 가리고 물 펌프가 얼마나 높이 분사하는지 보며 BC 제품의 음영 내성을 과시하는 업체들을 자주 볼 수 있습니다.
그렇다면 BC 셀이 이러한 장점을 가지는 이유는 무엇일까요? 그 배후의 물리학은 무엇일까요?
평이한 언어로 설명해 보겠습니다.
음영이 핫스팟을 유발하는 이유는 무엇일까요?
PV 모듈의 셀은 일반적으로 직렬로 연결됩니다.
직렬 회로에는 한 가지 주요 특성이 있습니다: 전류는 모든 곳에서 동일해야 합니다.
즉, 전체 스트링의 전류는 직렬 루프에 의해 함께 결정됩니다. 모든 셀이 완전한 빛을 받으면 각각 전력을 생성하고 모두 일관되게 작동합니다.
그러나 하나의 셀이 음영 처리되면 생성할 수 있는 광전류가 감소합니다. 스트링이 여전히 더 큰 전류를 통과시켜야 한다면, 음영 처리된 셀은 다른 음영 처리되지 않은 셀에 의해 역방향 바이어스로 강제될 수 있습니다. 그 시점에서 발전기 역할을 멈추고 전력을 소비하는 요소로 변합니다.
부분 음영의 경우, 음영 처리된 셀이 완전히 죽은 것은 아닙니다. 음영 처리되지 않은 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 전류(mismatch current)라고 부를 수 있습니다:
Imismatch = Istring - Igenerate
따라서 핫스팟 발열 전력은 대략 다음과 같이 쓸 수 있습니다:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch
즉:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × (Istring - Igenerate)
이 공식은 핵심 문제를 지적합니다: 동일한 스트링 전류에서 역방향 전압이 높을수록 음영 처리된 셀이 소비하는 전력이 커지고 핫스팟이 더 뜨거워집니다.
따라서 핫스팟을 방지하는 핵심 중 하나는:
음영 처리된 셀의 역방향 전압을 낮추고 열을 더 고르게 분산시키는 방법입니다.
이것이 바로 BC 셀이 빛나는 부분입니다.
BC 셀은 일반 셀과 구조적으로 어떻게 다른가요?
일반 결정질 실리콘 셀은 일반적으로 전면 및 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)은 한 가지 특징이 있습니다:
양극과 음극 전극이 모두 셀 후면에 위치하며, 전면에는 금속 그리드 라인이 없습니다.
이는 두 가지 직접적인 이점을 제공합니다:
전면에 그리드 라인 음영이 없어 수광 면적이 더 넓습니다;
후면 전극을 인터디지테이트(interdigitated) 형태로 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 p형 및 n형 영역이 있습니다. 이 영역들 사이에는 많은 짧고 고농도 도핑된 PN 접합이 있습니다. 회로 관점에서 보면 더 이상 하나의 큰 다이오드처럼 동작하지 않고, 병렬로 연결된 많은 작은 다이오드처럼 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, p 영역과 n 영역 사이의 간격이 작을수록 국부 전계가 강해지며, 일반적으로 더 낮은 역방향 항복 전압을 얻기가 더 쉽습니다. 그러나 이는 누설 전류와 션트 저항 측면에서 트레이드오프를 가져올 수 있습니다. 따라서 BC 셀의 음영 내성은 고정된 숫자가 아니라 셀 구조, 후면 패턴 설계, 간격 크기, 도핑 농도, 패시베이션 품질 및 제조 공정에 밀접하게 연결됩니다.
BC 모듈은 음영 후 왜 더 적은 전력을 손실합니까?
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 음(-)이 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 경우, 총 전압은 다음과 같이 이해할 수 있습니다:
Vsubstring = ∑Vunshaded + ∑Vshaded
여기서:
음영 처리되지 않은 셀은 여전히 양의 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 역방향 전압 합이 나머지 음영 처리되지 않은 셀의 순방향 전압 합과 바이패스 다이오드의 턴온 전압 강하를 초과해야 바이패스 다이오드가 작동합니다.
BC 모듈의 장점은 외부 바이패스 다이오드가 켜지기 전에 BC 셀 자체의 후면 인터디지테이트드 PN 접합 구조가 이미 일부 분산 역방향 전도를 제공한다는 것입니다. 이는 셀에 내장된 제너 다이오드처럼 작동합니다.
역방향 바이어스 하에서 BC 셀 후면의 인터디지테이트드 PN 접합 구조는 더 낮은 전압에서 분산 역방향 전도를 형성하여 역방향 전압이 상승하는 것을 제한합니다. 따라서 부분 음영 하에서 외부 바이패스 다이오드가 아직 트리거되지 않은 상태에서도 BC 모듈은 상당히 높은 출력 전력을 유지할 수 있습니다.
그림 2 하나의 셀이 음영 처리되었을 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. Available: https://doi.org/10.1051/epjpv/2024001
더 나은 음영 내성이 음영에 면역된다는 의미는 아닙니다.
한 가지 일반적인 오해를 바로잡아야 합니다.
BC 셀은 음영을 더 잘 견디지만, 음영이 전혀 영향을 미치지 않는다는 의미는 아닙니다.
모든 태양전지는 그늘이 지면 출력이 감소합니다.
하나의 서브스트링 내에서 그늘진 영역이 너무 크거나 여러 셀이 완전히 그늘지면, 그늘진 셀의 총 역방향 전압이 결국 나머지 그늘지지 않은 셀의 총 순방향 전압을 초과할 수 있습니다. 이 시점에서 외부 바이패스 다이오드가 켜집니다.
바이패스 다이오드가 켜지면 전류가 이 전체 스트링 섹션을 우회합니다. 이 서브스트링의 그늘지지 않은 셀도 그늘진 셀과 함께 바이패스되어 출력 기여도가 눈에 띄게 감소합니다. 따라서 그늘진 영역이 클 때 BC 모듈의 발전 이점도 약해집니다.
BC 모듈은 다음과 같은 경우에 우위를 점하는 경향이 있습니다:
단일 셀 또는 소수의 셀이 부분적으로 그늘진 경우;
각 서브스트링 내 그늘진 영역이 작은 경우;
그늘이 대각선, 띠 모양 또는 국소적으로 분산된 경우;
외부 바이패스 다이오드가 완전히 켜지지 않은 경우.
예를 들어, 전봇대의 대각선 그림자는 각 서브스트링에 작은 그늘진 영역만 남길 수 있습니다. 이 경우 BC 모듈은 일반적으로 더 나은 그늘 내성 발전을 보여줍니다.
BC 모듈이 핫스팟에서 더 낮은 온도로 작동하는 이유는 무엇인가요?
BC 모듈의 핫스팟 온도가 낮은 주된 이유는 두 가지입니다.
첫째, 역전류가 더 넓게 퍼져 있습니다.
일반 셀에서는 역방향 전류 분포가 종종 불균일합니다. 역방향 항복은 일반적으로 다음과 같은 국소 약점에서 먼저 발생합니다:
국소 결함 부위;
셀 가장자리;
비정상적인 금속화 영역;
미세 균열 또는 오염 영역;
국소 패시베이션이 약한 영역.
이러한 지점은 약점처럼 작용합니다.
역방향 전류가 이러한 약점에 집중되면 국소 전력 밀도가 매우 높아지고 온도가 급격히 상승하여 명백한 핫스팟이 형성됩니다.
같은 양의 열로 두 물체를 가열하는 것과 같습니다:
전체 금속판;
핀포인트 크기의 점.
후자가 더 빨리 가열되는 것은 의심의 여지가 없습니다.
따라서 일반 셀이 그늘에서 받는 위험은 "셀 전체의 균일한 가열"이 아니라 국소적인 집중 가열입니다..
BC 셀은 뒷면에 많은 상호 디지털 방식의 PN 접합을 가지고 있습니다. 역방향 전도는 몇 개의 결함 지점에 집중되지 않고 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 이를 확인할 수 있습니다:
Photspot ≈ ∣Vrev∣ × Imismatch
동일한 불일치 전류에서 역방향 전압이 낮을수록 발열 전력이 낮아집니다.
이것이 낮은 역방향 항복 전압이 음영 조건에서 보호 메커니즘으로 작용할 수 있는 이유입니다.
간단한 예를 들어보겠습니다.
모듈 스트링 전류가 10A이고 한 셀이 심하게 음영 처리되었다고 가정해 보겠습니다.
일반 셀이 음영 후 역방향 전압 15V에 도달하면 소비되는 전력은 약 다음과 같습니다:
P = 15V × 10A = 150W
BC 셀이 후면 구조로 인해 클램핑되어 역방향 전압이 약 6V로 제한되면 소비되는 전력은 약 다음과 같습니다:
P = 6V × 10A = 60W
차이가 현저합니다.
물론 실제 핫스팟 온도는 음영 면적, 주변 온도, 풍속, 모듈 봉지재, 유리 크기, 셀 설계 및 테스트 방법에 따라 달라지므로 단일 고정 숫자로 판단할 수 없습니다.
그럼에도 불구하고 일부 실제 테스트 및 현장 경험에서 BC 모듈은 일반적으로 기존 모듈보다 핫스팟에서 더 낮은 온도를 유지합니다. 예를 들어, 일부 BC 모듈은 핫스팟 온도를 약 120°C 미만으로 유지할 수 있는 반면, 다른 모듈 유형은 160°C 이상에 도달할 수 있습니다.
특별히 설계된 일부 BC 셀은 '내장 바이패스 다이오드'와 같은 기능을 구현하여 핫스팟 온도를 약 90°C까지 낮추는 반면, 기준 모듈은 약 190°C에 가깝습니다. 이는 분산 역방향 전도 설계가 핫스팟 온도를 크게 낮출 수 있음을 보여줍니다.
낮은 역항복 전압이 항상 더 좋은가요?
반드시 그렇지는 않습니다.
낮은 역방향 항복 전압은 음영 조건에서 핫스팟 온도를 낮추는 데 도움이 되지만, 설계 트레이드오프를 가져올 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:
정상 작동 중에는 높은 효율, 낮은 누설 전류 및 높은 션트 저항을 유지하고;
음영으로 인한 역방향 바이어스 하에서는 낮은 전압에서 안전하고 균일한 역방향 전도를 형성합니다.
이것이 BC 셀마다 음영 성능이 다른 이유이기도 합니다.
일부 BC 셀은 효율에 중점을 두어 더 강하게 절연되어 더 높은 역방향 항복 전압을 가질 수 있습니다. 다른 셀은 음영 내성에 중점을 두어 더 낮고 균일한 역방향 항복 경로를 설계할 수 있습니다.
따라서 '모든 BC 셀이 동일하게 음영을 견딘다'고 말할 수는 없습니다. 더 정확한 표현은 다음과 같습니다:
잘 설계된 BC 셀은 후면 인터디지털 PN 접합 구조를 통해 더 낮고 균일한 역방향 항복을 달성할 수 있으며, 이는 셰이딩 및 핫스팟 내성을 향상시킵니다.
BC 셀 장점 요약
종합하면, BC 셀의 셰이딩 하에서의 장점은 주로 다음과 같습니다:
외부 바이패스 다이오드가 켜지기 전, 소면적 셰이딩 시 모듈 전력 손실이 적습니다.
국부 전력 밀도가 낮습니다.
핫스팟 온도가 낮습니다.
모듈 안전 마진이 높습니다.
이것이 모듈 응용에 어떤 의미일까요?
실제로 셰이딩은 완전히 피할 수 없는 경우가 많습니다.
특히 분산형 시나리오에서, 예를 들어:
주거용 지붕;
상업용 및 산업용 지붕;
발코니 태양광;
BIPV;
다중 방향 설치;
주변 건물이 복잡한 현장.
이러한 응용 분야에서 모듈은 종종 부분적으로 셰이딩될 수 있습니다.
셀이 셰이딩을 더 잘 견디고 핫스팟에서 더 시원하게 작동한다면, 이는 다음을 의미합니다:
더 나은 모듈 안전성: 낮은 핫스팟 온도는 봉지재 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: 부분 셰이딩이 불가피한 경우, 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.
마무리
BC 셀이 셰이딩을 더 잘 견디고 핫스팟에서 더 시원하게 작동하는 주된 이유는 '셰이딩의 영향을 받지 않기' 때문이 아니라, 구조와 역방향 바이어스 동작에서 장점을 가지고 있기 때문입니다.
일반 셀이 셰이딩 하에서 역방향 항복이 국부 결함 지점에 집중되어 높은 국부 전력 밀도와 높은 핫스팟 온도를 유발할 수 있습니다.
BC 셀의 후면 인터디지털 PN 접합 구조는 분산된 내장형 역방향 클램프처럼 작동합니다. 셰이딩 하에서 더 낮은 역방향 전압에서 역방향 전도를 형성하고 역방향 전류를 더 균일하게 분산시켜 핫스팟 전력과 핫스팟 온도를 낮춥니다.
하지만 BC 셀이 완전히 셰이딩에 면역인 것은 아닙니다. 셰이딩 영역이 너무 크거나 여러 셀이 완전히 셰이딩되어 서브스트링 전압이 충분히 음(-)이 되면 외부 바이패스 다이오드가 여전히 켜집니다. 이 시점에서 바이패스된 서브스트링의 출력이 눈에 띄게 감소합니다.
따라서 더 정확히 말하면:
BC 셀의 장점은 음영 효과를 없애는 것이 아니라 더 제어 가능하게 만드는 데 있습니다. 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 주목할 점은 BC의 음영 이점이 특별한 재료가 아닌 후면 접촉 금속화 공정에 있다는 것입니다. 즉, 모듈 라인은 낮고 균일한 역방향 항복 전압을 얻기 위해 인터디지테이티드 패턴에 엄격한 공차를 맞춰야 합니다. 생산 라인에서 우리는 EL 및 핫스팟 테스트에서 동일한 물리 현상을 목격했는데, 불균일한 후면 패터닝은 모듈이 그림자를 보기도 전에 산발적인 항복 지점으로 나타납니다. 셀과 완성된 모듈 사이의 과정을 분석하는 이러한 내용이 마음에 드신다면, 저희 YouTube 채널 www.youtube.com/ooitech 에서 실제 태양광 공장 내부의 더 많은 내용을 확인하실 수 있습니다.
