Solarmodule: PERC vs. TOPCon Solarzellen Technologie

Obwohl die erste, 1954 in den USA entwickelte Solarzelle eine vom N-Typ war, setzte sich in den Folgejahren die P-Typ-Zelle durch. Grund dafür war, dass die Module in der Anfangszeit hauptsächlich in der Raumfahrt eingesetzt wurden, wo sie sich als widerstandsfähiger herausgestellt hatten. Erst in den letzten Jahren begann bei den Herstellern der Solarzellen ein Umdenken, was an der größeren Leistungsstärke der N-Typ-Zellen liegt. Verantwortlich dafür ist vor allem die längere Lebensdauer dieser Zellen, denn im Unterschied zum P-Typ sind sie nicht durch den „Bor-Sauerstoff-Defekt“ bedroht. Dieser führt mit steigender Einsatzzeit zu einer Schädigung der Effizienz. Darüber hinaus zeigen sich Solarzellen vom N-Typ weniger anfällig für metallische Verunreinigungen des Siliziums.

In der PV-Technologie sind schon feinste Diskrepanzen in der chemischen Zusammensetzung verantwortlich für große Unterschiede bei Effizienz und wirtschaftlicher Verbreitung. Beispielhaft zeigt sich das beim Vergleich von Solarzellen des P-Typs und des N-Typs. Beide unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Zellenstruktur, wobei Solarzellen vom P-Typ darauf basieren, dass sie auf einer positiv geladenen Siliziumbasis aufgebaut sind. Im Unterschied dazu sind Solarzellen vom Typ N umgekehrt konzipiert, denn dort dient die negativ dotierte Seite als Basis der Solarzelle.

Allerdings sind Solarzellen vom N-Typ derzeit teurer in der Produktion, was an der jahrzehntelangen Fokussierung auf Zellen vom P-Typ liegt. Deren Produktion führte zu Skaleneffekten in der Wertschöpfungskette, die bei der N-Typ-Fertigung erst aufgebaut werden müssen. Darüber fallen bei Herstellung der N-Typ-Solarmodule zusätzliche Schritte an, was die Kosten weiter steigert. Aufgrund ihrer höheren Effizienz nimmt der Anteil des N-Typs jedoch kontinuierlich zu und es dürfte nur noch eine Frage der Zeit sein, bis dieser den P-Typ als dominierende Solarzellen-Technologie ablöst.

Eine vergleichbare Rivalität zweier Zell-Typen zeigt sich beim Vergleich der Solarzellen-Technologien PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) und TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact), die in letzter Zeit für Aufsehen gesorgt haben.

PERC-Module erhöhen die Effizienz von PV-Modulen, da sie das einstrahlende Licht besser in Energie umsetzen. Dies gelingt, indem sie den Teil des Lichts, der bis zur Zellenrückseite gelangt, erneut in die Zelle reflektieren. Möglich macht das eine an der Modulrückseite aufgetragene Schicht, die sogenannte Rückseitenpassivierung. Der gesteigerte Wirkungsgrad der PERC-Zellen im Vergleich zu herkömmlichen Modulen liegt bei 1 %, was wiederum hilft, die Produktionskosten je gewonnener kWp zu senken.

Um größtmögliche Wirkungsgrade zu erzielen, werden in PERC-Zellen hauptsächlich Mono-Wafer verwendet. Der Solarzellen-Typ wurden in den vergangenen Jahren massiv weiterentwickelt. Die gesteigerte Effizienz führte dazu, dass sie im Bereich professioneller PV-Anlagen herkömmliche Al BSF-Zellen fast vollständig ersetzt haben. Dabei sind PERC-Zellen alles andere als neu, denn ihr Prinzip wurden erstmals 1983 von der australischen University of New South Wales in erwähnt. Allerdings führten erst stetig verbesserte Produktionsverfahren dazu, dass der Wert der Technologie für die Massenproduktion umfassend genutzt werden konnte.

Allerdings ist die PERC-Technologie nicht frei von Problemen. So sind diese empfindlicher als herkömmliche Zellen für eine lichtinduzierte Degradation. Dieser LID-Effekt bewirkt einen Leistungsabfall der Solarzellen nach ihrem ersten Lichtkontakt. Ebenfalls höher ist das Risiko einer potenzialinduzierten Degradation. Der PID-Defekt kann weitreichende Folgen haben, da er die Leistung ganzer PV-Anlagen empfindlich schmälern kann. Investoren sollten deshalb bei PERC-Zellen besonders darauf achten, dass diese gemäß IEC TS 62804 für die PID-Resistenz zertifiziert wurden.

Ein Aufsteiger bei den Solarzellen ist die am Fraunhofer ISE in Freiburg entwickelte TOPCon-Technologie. Diese Zellen können sowohl mono- als auch bifazial sein und setzen im Unterschied zu PERC vorwiegend auf N-Typ-Wafer. Sie weisen gegenüber PERC ein höheres Wirkungsgradpotential auf. Wie hoch dies sein kann, bewies im vergangenen Jahr der chinesische Hersteller Jinko Solar, der ein monokristallines, bifaziales N-Typ TOPCon-Solarmodul mit einem Wirkungsgrad von bis zu 23,53 % vorgestellte. Eine noch höhere Leistung erreichte das von Longi Solar 2021 präsentieren TOPCon-Modul. Dieses stellte mit einer TOPCon-Zelle vom P-Typ einen Wirkungsgrad von 25,19 % und damit einen neuen Wirkungsgrad-Weltrekord für diese Technologie auf. Angesichts der rasanten Fortschritte dürfte es nur noch eine Frage der Zeit sein, bis dieser Rekord überboten wird. Die intensive Forschung an den Modulen dürfte dafür sorgen, dass auch dann noch lange kein Ende der Entwicklung in Sicht ist.

Obwohl der Performance von TOPCon-Solarzellen kaum zu schlagen ist, herrscht die PERC-Technologie noch auf dem Markt vor. Das dürfte aufgrund der weiter zunehmenden Effizienz der Zellen und gleichzeitig sinkenden Produktionskosten noch eine Weile der Fall sein.

Allerdings sind TOPCon-Zellen aufgrund ihres außerordentlich hohen Wirkungsgrades auf dem Vormarsch. Noch sprechen die hohen Produktionskosten gegen diesen PV-Typ. Im Zuge der anlaufenden Massenproduktion ist jedoch auch hier mit erheblichen Skaleneffekten zu rechnen, was dafür sorgen würde, dass sich TOPCon-Module in Deutschland zur ernsthaften Konkurrenz für die PERC-Technologie entwickeln. Das bestätigen auch Forscher des Fraunhofer-ISE. Ihnen zufolge ist jedoch neben einer Senkung der Herstellungskosten eine Steigerung der Produktionsleistung auf das Niveau der PERC-Zellen nötig, um die wirtschaftliche Tragfähigkeit der TOPCon-Module zu untermauern.

Nach Erkenntnissen der Wissenschaftler erzeugt die TOPCon-Technologie im Vergleich zu PERC bei Freiflächen-PV-Anlagen mit 5-Megawatt-Leistung um 13,5 bis 18,6 % höhere Gesamtkosten für Solarzellen und 3,6 bis 5,5 % höhere Modulgesamtkosten. Trotzdem hielten die Forscher des Fraunhofer ISE fest, dass ein zwischen 0,4 bis 0,55 % höherer Zellwirkungsgrad der TOPCon-Solarzellen gegenüber bifazialem p-PERC eine kosteneffiziente Großserienfertigung möglich mache.

Unabhängig davon, ob N-Typ- oder P-Typ-Solarzellen zum Einsatz kommen, gibt es eine Möglichkeit, den Wirkungsgrad der Solarmodule massiv zu steigern. Dabei handelt es sich um die Bifazial-Technogogie. Im Unterschied zur monofazialen Solarzelle, die nur durch die Beleuchtung der Oberseite PV-Strom erzeugt, ist die bifaziale Solarzelle so konstruiert, dass sie über Ober- und Unterseite Strom erzeugen kann. Die auf diese Weise erreichte Erhöhung des Lichteinsatzes steigert den Wirkungsgrad des Moduls beträchtlich.

Natürlich ist der Wirkungsgrad auf der Unterseite nicht so groß wie auf der zur Sonneneinstrahlung hin ausgerichteten Oberseite. Trotzdem kann die Effizienz durch die Einstrahlung auf der Unterseite je nach Standort, Abstand zum Boden und äußeren Bedingungen um mehr als 19 % zunehmen. Dies führt dazu, dass die Kapazität des Gesamtsystems zwischen 10 bis 30 gesteigert werden kann. So erhöht sich bspw. die Leistung eines Moduls, das zuvor 290 Wp lieferte, auf 320 bis 360 Wp.

Bei Installation bifazialer Systeme ist darauf zu achten, dass diese in ausreichend Abstand zur darunter liegenden Fläche angebracht werden, um die zusätzliche Einstrahlung zu ermöglichen. So sollte der Mindestabstand bei schwach bis mittel reflektierenden Oberflächen wie zum Beispiel einem Ziegeldach oder Gras mindestens 40 Zentimeter betragen. Bei sehr gut reflektierenden Oberflächen (z.B. Schnee) sollte der Abstand zum Boden hingegen größer als 1,5 Meter sein.

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