Contenuti
1. Perché Tagliare le Cellule Solari?
2. I Principi del Taglio
3. Vantaggi dei Pannelli Taglio 1/3 Rispetto ai Pannelli Mezzo-Taglio
4. Perché i Produttori Non Producono Celle Solari 1/4 o Anche 1/5?
5. Conclusione
Perché Tagliare le Cellule Solari?
Negli ultimi anni, la tecnologia fotovoltaica (PV) ha fatto rapidi progressi diventando ampiamente utilizzata. La domanda di pannelli solari ad alta potenza è in aumento, e la riduzione delle perdite di energia mentre si incrementa la potenza di output di questi pannelli è diventata una priorità per i produttori in tutto il mondo. Il taglio delle celle solari è una tecnica utilizzata per migliorare l'efficienza dei pannelli, riducendo le dimensioni delle celle, il che diminuisce la resistenza e migliora la potenza di output.
Ma perché il taglio delle celle solari è diventato solo recentemente un argomento popolare nell'industria? Una ragione è l'aumento delle dimensioni delle fette di silicio da 156mm (M1) a 161,7mm (M4). Questo aumento di dimensioni ha incrementato l'area della fetta e la corrente di circa il 7%, ma ha anche aumentato le perdite elettriche del 15%. Ciò ha spinto l'industria a trovare modi per ridurre le perdite correlate alla corrente. Inoltre, il taglio delle celle può ridurre le perdite di ombreggiamento dagli elettrodi metallici delle celle e aumentare il numero di busbar, migliorando il flusso di corrente.
Inoltre, i progressi nei processi di produzione di fette e celle ora consentono la selezione delle celle di dimensioni complete senza la necessità di rilevare nuovamente le celle tagliate dopo la divisione. Questo rende il processo di produzione più efficiente e conveniente dal punto di vista dei costi.
In sintesi, il taglio delle celle solari in pezzi più piccoli aiuta a rendere i pannelli solari più potenti ed efficienti, rispondendo alla crescente domanda di soluzioni energetiche solari ad alte prestazioni.
I Principi del Taglio
1. Processo di Taglio
- Squadratura dell'Ingot di Silicio: Trasformazione dell'ingot di silicio in un blocco che soddisfa le specifiche richieste.
- Taglio e Levigatura del Blocco di Silicio: Rimozione delle estremità e livellatura, smussatura e arrotondamento del blocco di silicio.
- Incollaggio del Blocco di Silicio: Incollaggio del blocco di silicio su una piastra di lavoro in preparazione al taglio con filo.
- Taglio del Blocco di Silicio: Utilizzo di un sega a filo multipla per tagliare il blocco di silicio in sottili fette di silicio.
- Pulizia della Fetta di Silicio: Pulizia della superficie della fetta di silicio dalla slurry attraverso pre-pulizia, inserimento e pulizia ultrasonica.
- Classificazione e Confezionamento delle Fette di Silicio: Classificazione delle fette secondo gli standard e confezionamento per lo stoccaggio.
Questo processo dettagliato descrive come vengono lavorati e preparati i wafer di silicio per la produzione di celle solari, assicurando standard elevati di precisione e pulizia per massimizzare l'efficienza dei pannelli solari.
2. Tecniche di Taglio
(1) LSC - Incisione e Spezzamento con Laser
Questa tecnica si basa sulla tecnologia di ablazione laser. La tecnologia delle celle mezzo-taglio di solito impiega il taglio laser, dove le celle solari di dimensioni standard vengono tagliate verticalmente lungo le principali barre di connessione in due metà uguali. Queste metà sono poi interconnesse attraverso saldature per la connessione in serie. Ecco come funziona:
Processo: Un laser crea linee di incisione lungo tutta la lunghezza lungo i bordi della cella mezzo-taglio. In alcuni casi, l'incisione non separa completamente la cella ma lascia una scanalatura di circa la metà dello spessore della cella. La cella viene quindi spezzata meccanicamente lungo queste linee di incisione.
Vantaggi: Questo metodo evita la formazione di percorsi di shunt nel giunzione p-n eseguendo l'incisione dal retro della cella. Per le celle con Contatto Posteriore Emittere Passivato (PERC) con uno strato metallico posteriore completo, la creazione di una piccola apertura sul retro non causa perdite di potenza.
Innovazioni: Il Fraunhofer CSP ha sviluppato e brevettato una versione avanzata della tecnica LSC. Questo coinvolge l'applicazione di incisioni laser su celle solari leggermente curve, ottenendo un processo in un'unica fase dove l'incisione e la rottura avvengono nella stessa stazione.
(2)TMC - Spezzamento Termomeccanico
A differenza di LSC, TMC non utilizza tecniche di ablazione che possono causare microfessurazioni. Invece, applica un gradiente termico altamente concentrato lungo il bordo della cella mezzo-taglio, inducendo stress meccanico localizzato che porta alla rottura.
Processo: Applicando un gradiente termico, il materiale subisce stress meccanico locale che porta alla rottura senza ablazione del materiale.
Vantaggi: I processi TMC non implicano ablazione e riducono gli effetti termici complessivi, minimizzando i danni strutturali alle fette quando i parametri di processo sono ottimizzati.
Innovazione: Alcune attrezzature per le celle mezzo-taglio TMC sono già disponibili commercialmente o in fase di sviluppo. Produttori notevoli includono 3D-Micromac AG e Innolas Solutions GmbH dalla Germania.
In sintesi, il taglio delle celle solari implica una serie di passaggi precisi per garantire prestazioni ed efficienza ottimali. Entrambe le tecniche LSC e TMC offrono vantaggi diversi e possono essere scelte in base alle esigenze specifiche e alle capacità di produzione.
Vantaggi delle Celle 1/3-Ritaglio Rispetto alle Celle Mezzo-Ritaglio
1. Riduzione delle Perdite di Resistenza e Aumento della Potenza di Output
Una fonte di perdita di potenza nei pannelli solari è la perdita di resistenza, che si verifica durante la trasmissione della corrente. Le celle solari utilizzano busbar per connettersi ai fili e alle celle adiacenti, e la corrente che scorre attraverso questi busbar causa una certa perdita di energia. Tagliando le celle solari a metà, la corrente prodotta da ogni cella viene dimezzata, riducendo così le perdite di resistenza mentre la corrente scorre attraverso le celle e i fili del pannello solare.
Utilizzando la formula per la perdita di potenza elettrica \( P = I^2 \cdot R \), quando la corrente viene ridotta a un terzo del suo valore originale, la perdita di potenza è significativamente ridotta. Con le celle 1/3-rifilate, la corrente è solo un terzo di quella della cella originale, rispetto alla metà nelle celle mezzo-rifilate. Ciò riduce ulteriormente la resistenza in serie delle celle, minimizzando le perdite di energia e aumentando così la potenza di output e l'efficienza dei moduli solari.
2. Riduzione dell'Effetto Punto Caldo
Nei moduli tradizionali con celle di dimensioni standard, se una cella è ombreggiata, può creare un punto caldo, causando degrado delle prestazioni o addirittura danni alla cella. La tecnologia delle celle 1/3-rifilate riduce il rischio di punti caldi aumentando il numero di celle e riducendo così la corrente in ogni cella. Con una distribuzione del calore più uniforme e un ridotto effetto punto caldo, i moduli 1/3-rifilati hanno una vita utile prolungata e una maggiore affidabilità nel lungo termine.
3. Aumento del Fattore di Riempimento
Il fattore di riempimento (FF) è una misura della qualità di una cella solare. Questo è la potenza disponibile al punto di massima potenza (Pm) divisa per la tensione a circuito aperto (VOC) e la corrente di cortocircuito (ISC):
Il fattore di riempimento è direttamente influenzato dai valori delle resistenze in serie e parallelo della cella e dalle perdite dei diodi. Aumentare la resistenza parallela (Rsh) e diminuire la resistenza in serie (Rs) porta a un fattore di riempimento più alto, risultando quindi in una maggiore efficienza e avvicinando la potenza di output della cella al suo massimo teorico.
La tecnologia delle celle 1/3-rifilate migliora la gestione della corrente, aumenta il fattore di riempimento del modulo e quindi offre prestazioni migliori nelle condizioni operative reali.
4. Miglior Tolleranza all'Ombreggiamento
Rispetto alle celle di dimensioni standard, le celle mezzo-taglio dimostrano una maggiore resistenza agli effetti dell'ombreggiamento. Questo non è dovuto alle celle stesse, ma piuttosto al metodo di cablaggio utilizzato per connettere le celle mezzo-taglio all'interno del pannello. Nei pannelli solari tradizionali costruiti con celle di dimensioni standard, le celle sono collegate in serie, dove l'ombreggiatura di una cella in una serie può fermare l'intera fila dalla generazione di energia. Un pannello standard ha tipicamente 3 file di celle collegate indipendentemente, quindi l'ombreggiatura di una cella in una fila elimina metà della potenza di output di quel pannello.
Allo stesso modo, le celle mezzo-taglio sono anch'esse collegate in serie, ma i pannelli realizzati con celle mezzo-taglio hanno il doppio del numero di celle (120 anziché 60), risultando in un doppio numero di file di celle indipendenti. Questa configurazione di cablaggio riduce la perdita di potenza nei pannelli costruiti con celle mezzo-taglio quando una singola cella è ombreggiata, poiché l'ombreggiatura di una cella può eliminare solo un sesto della potenza totale del pannello.
Inoltre, le celle 1/3-rifilate mostrano una sensibilità ancora minore all'ombreggiamento locale rispetto alle celle mezzo-taglio. Anche se alcuni segmenti delle celle sono ombreggiati, la potenza di output complessiva rimane in gran parte invariata, garantendo una maggiore efficienza complessiva nella generazione di elettricità.
5. Maggiore Competitività sul Mercato
Le migliori prestazioni e l'efficienza dei moduli 1/3-rifilati li rendono più competitivi sul mercato, in grado di soddisfare le esigenze dei mercati di fascia alta e delle applicazioni specializzate. Questo miglioramento riduce i costi di spesa, offrendo così maggiori benefici economici.Con un aumento della potenza di output per modulo, sono necessari meno moduli per generare l'elettricità richiesta sia per installazioni solari a terra che su tetto. Questa riduzione della quantità di moduli contribuisce a minimizzare lo spazio necessario per l'installazione. Per le grandi fattorie solari su scala industriale, la minore necessità di spazio aiuta a ridurre il terreno necessario per stabilire impianti fotovoltaici solari. Ciò, a sua volta, abbassa i costi di capitale per i sviluppatori solari, poiché il terreno rappresenta un investimento iniziale significativo per la costruzione di impianti solari su larga scala.
Perché i Produttori Non Producono Celle Solari 1/4 o Anche 1/5?
Sebbene i moduli 1/4-rifilati e 1/5-rifilati potrebbero offrire una potenza di output leggermente superiore per modulo, l'ottimizzazione di una soluzione energetica implica la considerazione di ulteriori complessità di produzione.
Specificamente, l'incorporazione di più tagli nelle celle solari richiede diodi di bypass aggiuntivi per la protezione del circuito all'interno del modulo. Questo aumenta l'uso di materie prime, risultando in costi aggiuntivi e tempi di produzione più lunghi. Per le soluzioni solari residenziali incentrate sulla riduzione dei costi oltre che sull'efficienza, mantenere i moduli semplici ed eleganti è vantaggioso. Le celle solari 1/3-rifilate, che richiedono solo tre diodi di bypass, trovano un equilibrio tra convenienza e prestazioni migliorate per gli utenti finali. Questo design minimizza anche i rischi associati agli aggiornamenti futuri massimizzando al contempo le capacità di efficienza attuali.
Conclusione
Le celle solari 1/3-rifilate, rispetto alle celle mezzo-taglio, migliorano significativamente le prestazioni complessive e l'efficienza dei moduli dei pannelli solari riducendo ulteriormente la corrente e la resistenza, minimizzando le perdite di potenza, ottimizzando la distribuzione del calore e migliorando l'affidabilità dei componenti. Questi vantaggi rendono la tecnologia 1/3-rifilata più attraente per applicazioni di fascia alta e scenari specifici. Nonostante il processo di produzione più complesso, i miglioramenti nelle prestazioni e i benefici economici spesso superano questi costi aggiuntivi.
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Riferimento:
Sharma, N. (2024, 15 marzo). Celle solari a metà taglio: valgono la pena? Ornate Solar. https://ornatesolar.com/blog/why-should-you-choose-half-cut-cell-modules-for-your-solar-projects
Trina Solar. (2022, 31 ottobre). Cosa c'è di tanto clamore nelle celle solari a 1⁄3 taglio? https://www.trinasolar.com/us/resources/blog/third-cut-solar-cells
Collaboratori di Wikipedia. (2024, 21 aprile). Efficienza delle celle solari. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Solar-cell_efficiency
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