Gli scienziati dello State Key Laboratory of Photovoltaic Science and Technology (SKL) di Trinasolar e dell’Università di Nanchang, in Cina, hanno realizzato una serie di simulazioni per confrontare le prestazioni delle celle solari back-contact (BC) con quelle delle celle TOPCon in situazioni di ombreggiamento. Il gruppo di ricerca ha chiarito che il loro obiettivo non era quello di analizzare i due tipi di celle dal punto di vista della polarizzazione inversa, quanto piuttosto di osservare le caratteristiche di uscita della tecnologia BC a livello di modulo, tenendo conto del formato complessivo, dei diodi e delle reali condizioni di ombra.
La polarizzazione inversa si verifica, ad esempio, quando una singola cella è oscurata e le altre celle presenti nel modulo cercano di spingere attraverso di essa una corrente più elevata. Ricerche recenti hanno dimostrato che questo fenomeno può provocare danni alla cella ombreggiata e un innalzamento della temperatura, con conseguenze ulteriori di degrado. I ricercatori sono partiti dall’ipotesi che i pannelli BC offrano prestazioni migliori sotto ombra, grazie alla possibilità che nella giunzione PN sul retro della cella avvenga un effetto di tunneling quando la tensione inversa cresce fino a un valore critico. Questo meccanismo consente alla corrente della cella oscurata di uniformarsi a quella delle celle illuminate, mitigando l’impatto dell’ombreggiamento sull’intero modulo.
Nelle celle PERC e TOPCon, al contrario, la regione drogata di tipo p e quella di tipo n sono separate dal substrato di silicio, circostanza che rende più difficile la rottura della giunzione PN nelle celle front-contact sottoposte a condizioni di ombra. Gli scienziati hanno sottolineato che non esiste ancora un consenso, né tra i ricercatori né tra i consumatori, sul fatto che i moduli BC abbiano realmente un vantaggio rispetto ai moduli con celle front-contact in scenari reali di ombreggiamento. Il loro studio si propone dunque di colmare questa lacuna e di offrire riferimenti utili alla progettazione ingegneristica e agli investimenti di mercato.
Le simulazioni sono state condotte in condizioni standard, con un’irradiazione di 1.000 W/m² e una temperatura di 25 °C. I ricercatori hanno utilizzato un foglio di plastica opaca nera per ombreggiare sia i moduli TOPCon sia quelli BC, riproducendo tre diverse situazioni: l’oscuramento di una cella su un singolo modulo, l’ombreggiamento sul lato corto di dodici moduli collegati in serie e l’ombreggiamento sul lato lungo, sempre sugli stessi dodici moduli.
La prima analisi ha preso in considerazione le differenze relative di potenza normalizzata tra le stringhe di TOPCon e quelle di BC prima e dopo l’ombreggiamento, mettendo in evidenza che la tensione critica di breakdown delle celle BC è più bassa, il che significa che queste ultime tendono a fornire più facilmente corrente quando vengono sottoposte a polarizzazione inversa. Ulteriori sperimentazioni, effettuate variando progressivamente il grado di ombreggiamento di una singola cella dal 0% al 100%, hanno mostrato che i moduli BC superano le prestazioni dei moduli TOPCon solo quando il numero di celle ombreggiate in una sottostringa è inferiore a tre. Gli studiosi hanno puntualizzato che i moduli BC offrono prestazioni migliori finché le celle oscurate restano meno di tre, mentre oltre questa soglia l’uscita di potenza diventa identica a quella dei TOPCon. Tale caratteristica è determinata dal valore di breakdown delle celle BC, pari a 5 volt, e dalla tensione inversa complessiva di 15 volt necessaria per l’attivazione del diodo di bypass.
I ricercatori hanno inoltre concluso che nei progetti fotovoltaici su larga scala, dove l’ombreggiamento ha un peso non trascurabile, le due tecnologie di celle offrono prestazioni sostanzialmente equivalenti. In caso di ombreggiamento sul lato corto, il disadattamento delle sottostringhe resta uniforme e né le celle BC né le TOPCon entrano in polarizzazione inversa, per cui la resa di entrambi i moduli è identica. Nel caso dell’ombreggiamento sul lato lungo, le curve caratteristiche di uscita dei due moduli coincidono completamente, con un andamento bimodale a gradini, e ciò conduce allo stesso livello di prestazioni.
Le conclusioni dello studio sono state raccolte nella ricerca dal titolo “Power output performance analysis of back-contact photovoltaic module under actual field shading conditions: A comparison with TOPCon photovoltaic module”, pubblicata di recente sulla rivista Solar Energy.
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