Heterojunction-Technologie für mehr Ertrag

23. Januar 2019 - 9 minutes read

Heterojunction, Perc, Perowskit – Welche Solarzelle wird das Rennen machen im Photovoltaik-Markt der Zukunft und im Wettbewerb um die höchsten Wirkungsgrade? Von den zahlreichen Zellarten, die es gibt, sprechen Photovoltaik-Experten der Heterojunction-Technologie wegen des höheren Wirkungsgrads mit die besten Chancen zu – neben der Perc-Technologie. Wir sind aktuell einer von wenigen Herstellern, die bereits Module […]Heterojunction, Perc, Perowskit – Welche Solarzelle wird das Rennen machen im Photovoltaik-Markt der Zukunft und im Wettbewerb um die höchsten Wirkungsgrade? Von den zahlreichen Zellarten, die es gibt, sprechen Photovoltaik-Experten der Heterojunction-Technologie wegen des höheren Wirkungsgrads mit die besten Chancen zu – neben der Perc-Technologie. Wir sind aktuell einer von wenigen Herstellern, die bereits Module mit Heterojunction-Zellen anbieten und konsequent auf diese Technologie setzen. Wie wir die überdurchschnittlich hohen Wirkungsgrade erreichen und welche Ziele wir in der Zellentwicklung verfolgen, erläutere ich in diesem Beitrag.
Das Besondere an unseren Heterojunction-Zellen ist, dass wir die kristalline mit der Dünnschichttechnologie verbinden. Bei unseren Solarzellen „HIT“ wird ein hauchdünner monokristalliner Silizium-Wafer von einer ultradünnen amorphen (= Dünnschicht) Siliziumschicht umhüllt. So verbinden wir die Vorteile beider Photovoltaik-Technologien: Kristalline Zellen können mehr direktes Sonnenlicht in Strom umwandeln, als es bei Dünnschichtzellen der Fall ist. Dünnschichtzellen andererseits haben ein besseres Schwachlichtverhalten und erzeugen bei diffusem Licht mehr Strom. Wegen ihres besseren Temperaturkoeffizienten verlieren sie bei steigender Temperatur außerdem weniger Leistung als kristalline Zellen.
Die Grafik zeigt die höhere Lichtausbeute von „HIT“-Zellen. Sie wird durch die Beschichtung der monokristallinen Wafer mit einer amorphen Silizium-Schicht ermöglicht, da so das Lichtspektrum von amorphen Zellen mit genutzt werden kann. Quelle: Panasonic Solar

Während der kristalline Wafer im Kern der Heterojunction-Zelle viel Solarstrom produziert, reduziert die amorphe Schicht auf der Oberfläche den Elektronenverlust. Unsere Zellen  erreichen so überdurchschnittlich hohe Zellwirkungsgrade von 22 Prozent. Branchenführend ist auch der im Labor erzielte Zellwirkungsgrad. Er lag 2014 bereits bei 25,6 Prozent. Gleiches gilt für die Module. Unser Modul mit der höchsten Effizienz ist das Modell „HIT N335“. Bei einer Leistung von 335 Watt hat es einen Modulwirkungsgrad von 20,0 Prozent.
Zu diesen hohen Wirkungsgraden trägt auch bei, dass wir als einer von sehr wenigen Modulherstellern n-type-Wafer verwenden. Herkömmliche monokristalline Wafer basieren auf p-type, wir nutzen n-type, weil sie reiner sind.
Eigenschaften unserer Heterojunction-Zellen
Zunächst einmal wird durch eine exzellente Oberflächenpassivierung eine sehr hohe Spannung erreicht. Die monokristallinen Wafer werden chemisch poliert und laufend verbessert. Dadurch gehen deutlich weniger Elektronen verloren, als es bei monokristallinen Zellen mit raueren Oberflächen der Fall ist. Auch die Verbindung von zwei Silizium-Arten – monokristallin und amorph – in den Heterojunction-Zellen ist von Vorteil, zum Beispiel im Vergleich zu einer Silizium-Metall-Verbindung.
Einen positiven Effekt hat auch die höhere Leerlaufspannung unserer Zellen. Eine höhere Leerlaufspannung bewirkt, dass der Wechselrichter früher aktiviert wird. Dadurch wird früher Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt. So wird der Solarstromertrag gesteigert und die maximale Leistung des Moduls (Pmax) verbessert.
Weiteres Potenzial und Ziele in der Technologieentwicklung
Durch eine kontinuierliche Verbesserung der bestehenden Zelleigenschaften steigern wir den Wirkungsgrad weiter. Wie oben bereits erwähnt, lag der Laborwert für den Zellwirkungsgrad 2014 schon bei 25,6 Prozent. Bei den auf dem Markt erhältlichen Modulen wollen wir den Zellwirkungsgrad auf über 24 Prozent steigern. Dafür arbeiten wir vor allem an folgenden Eigenschaften:
Weniger Elektron-Loch-Rekombination
Der Schlüssel zur Steigerung der Effizienz sind die eigenleitenden amorphen Sperrschichten (intrinsic amorphous layers), die den monokristallinen Wafer umhüllen. Durch die Optimierung dieser Schichten und Elektron-Loch-Rekombination minimieren wir die Verluste in den Zellen. Bei der Elektron-Loch-Rekombination werden verschieden geladene Teilchen, die in der Solarzelle durch Sonnenlicht getrennt wurden und sich nun frei bewegen, neu gerichtet, so dass Strom entsteht.
Optimierung der Gitterstruktur und der amorphen Schichten
Um eine höhere Effizienz zu erreichen, ist es von größter Bedeutung, die elektrischen Trägerstoffe effizient von den monokristallinen Wafern zu transportieren. Panasonic optimiert die amorphen Schichten (p- und n-type) mit bester Leitfähigkeit und weniger Rekombination. Darüber hinaus verbessern wir die Anordnung der elektrischen Gitterstruktur, um den elektrischen Widerstand zu minimieren und die optisch aktive Fläche zu vergrößern. Der optisch aktive Bereich wird dadurch vergrößert, dass die Kontaktfinger immer dünner gemacht werden. Dadurch steigt allerdings der elektrische Widerstand. Es muss also auf das perfekte Verhältnis von optisch aktivem Bereich und geringem Widerstand hin optimiert werden.
Besserer photoelektrischer Effekt auf der Zellrückseite
Aufgrund der symmetrischen Anordnung der amorphen Schichten („Sandwich-Struktur“) können unsere Heterojunction-Zellen sowohl auf der Vorderseite, als auch auf der Rückseite Solarstrom erzeugen. Sie können somit als bifazial bezeichnet werden. Wir haben die Rückseite unserer Zelle jetzt optimiert, um die Lichtausbeute zu steigern. Dies trägt zu einer höheren Moduleffizienz und Stromerzeugung bei.
Keine lichtinduzierte Degradation
Die Zellstruktur hat einen positiven Effekt auf die lichtinduzierte Degradation (LID). LID ist ein typisches Phänomen bei monokristallinen Modulen, die auf p-type-basierten Wafern basieren, wenn sie erstmals dem Sonnenlicht ausgesetzt sind. Wir verwenden n-type-Wafer in unseren Heterojunction-Zellen und minimieren so den LID-Effekt.
Extrem dünn = sehr flexibel
Unsere Zellen können außerdem extrem dünn und flexibel gefertigt werden. Auch mit einer Dicke von nur 100 Mikrometern können sie einen hohen Wirkungsgrad erreichen. Durch ihre Flexibilität eignen sie sich beispielsweise auch für Autodächer. So werden unsere Zellen beim Prius Plug-in-Hybrid  von Toyota verwendet. Unsere Solarzellen bringen eine hohe Leistung etwa 180 Watt auf einer begrenzten Fläche auf dem Dach eines Autos. Durch ihre hohe Flexibilität halten sie zudem Schneelasten besser stand und sie sind im Transport weniger anfällig für Microcracks.
Keine Halbzellmodule
Zurzeit sind Halbzellmodule im Trend. Wir planen nicht, solche Module anzubieten. Bei unseren ‚Bienenwabenmodulen‘ haben wir schon Erfahrungen mit Halbzellen gesammelt. Der Name geht auf das Waben-Design der Zellen zurück. Wegen des damals herrschenden Siliziummangels wurden Zellen aus an den Ecken abgeschnittenen Ingot-Scheiben gefertigt. Unsere Erfahrung ist, dass es viel komplexer ist, kleinere Zellen zu fertigen als solche mit normaler Zellgröße. Bei kleineren Zellen müssen viel mehr Zellen gelötet werden und das Risiko des Zellausfalls steigt mit der Zahl der Zellen. Wenn es einwandfrei läuft, erzielen Halbzellen tatsächlich mehr Leistung, aber die Fehleranfälligkeit und der höhere Aufwand in der Produktion stehen in keinem Verhältnis dazu. Wir bleiben daher bei unseren Vollzellen.
Wir sind überzeugt davon, dass der Heterojunction-Technologie die Zukunft gehört und werden weiterhin konsequent auf diese Technologie setzen.
— Der Autor Shigeki Komatsu ist General Manager Solar Europa bei Panasonic. Seine Karriere begann er bei Sanyo, das 2012 von Panasonic übernommen wurde. Seit dem Jahr 2002 baut er das Geschäft mit den Photovoltaik-Modulen „HIT“ in Europa auf. Weitere Informationen: https://eu-solar.panasonic.net/de/  —
 
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Quelle: PV-Magazin
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