Die neuesten technischen Entwicklungen im Bau von Photovoltaikzellen

Kamil Andruszkiewicz, M.Sc.

Präsident von EcoABM

Prof. Dr.-Ing. Ryszard Tytko

Präsident der Eco Investment Sp. z o.o.

Wenn eine photovoltaische Zelle eine Siliziumbasis vom p – positiven Typ hat, bedeutet dies, dass die PV-Zelle positiv (P – TYP) aufgebaut ist. Das Silizium wird zusätzlich mit Bor angereichert, das ein Elektron weniger hat als es, während die Oberseite des Wafers Phosphor enthält, dessen Elektronenzahl entsprechend höher ist. Durch dieses Verfahren kann ein p – n (positiv – negativ) Übergang gebildet werden, durch den Energie fließen kann.

Diese Art von Technologie wird in PERC-Zellen (Passivated Emitter and Rear Cell) verwendet, die inzwischen weit verbreitet sind. Das norwegische Unternehmen REC war das erste, das die PERC-Methode einsetzte, und seine passiven polykristallinen Module wurden 2015 auf den Markt gebracht. Die Einzigartigkeit der PERC-Paneele liegt darin, dass in der Struktur des Geräts zwischen der oberen Elektrode und dem unteren p-n-Übergang eine zusätzliche Schicht aus Dielektrikum (elektrischer Isolator) eingefügt wird, die die Anziehungskraft der Elektronen auf die untere Aluminiumelektrode begrenzt. Der Kontakt zwischen der Elektrode und dem p-n-Übergang wird durch mit einem Laser geschnittene Löcher sichergestellt. Die Rückschicht der Zelle mit den “kleinen Löchern” ermöglicht eine elektrische Verbindung zwischen den gegenüberliegenden Seiten. Die Innovation der Isolator-Zellen-Methode beruht auf der Nutzung der Lichtreflexion: Der Isolator, der gleichzeitig ein Leistungsreflektor ist, reflektiert das durch die Panelstruktur hindurchtretende Sonnenlicht im Wellenlängenbereich von ca. 1.000 bis ca. 1.200 nm von der rückwärtigen Aluminium-Reflexionsschicht und lenkt so die Photonen zurück in die Zelle, wo sie von der Siliziumbeschichtung absorbiert werden.

Neben der optimalen Nutzung der Wellenlänge, die die Zelle durchläuft, ermöglicht die Reflexion des Lichts eine Senkung der Temperatur des Bedienfelds, was bei einem herkömmlichen Gerätedesign nicht der Fall wäre, und es ist darauf hinzuweisen, dass der Wirkungsgrad von Silizium mit steigender Temperatur abnimmt. Bei herkömmlichen Zellen wird das Licht, das nicht für eine chemische Reaktion absorbiert wurde, am unteren Ende der Platte konzentriert, wodurch Elektronen freigesetzt werden oder das Licht die Zelle durchläuft und Wärme erzeugt. Da (vereinfacht ausgedrückt) die Sonnenstrahlen die PERC-Paneele zweimal durchdringen, ist ihr Betrieb wesentlich effizienter, da sie in der Lage sind, Licht mit einer längeren Wellenlänge zu nutzen, was sich insbesondere in höheren Erträgen in den Morgen- und Abendstunden sowie an bewölkten Tagen niederschlägt. Darüber hinaus ermöglichen die Zellen des PERC-Typs den Herstellern niedrigere Produktionskosten für die Module, was wesentlich zu ihrem Erfolg und ihrer Verbreitung beiträgt.

Die Abmessungen eines PERC-Moduls betragen in der Regel etwa 1770×999×35 mm. Module mit PERC-Technologie können bei dem Photovoltaik-Großhändler ecoABM über die folgende Website erworben werden www.b2becoabm.com.

Wenn eine photovoltaische Zelle eine n – negative Siliziumbasis hat, bedeutet dies, dass die PV-Zelle auf der negativen Seite (N – TYP) aufgebaut ist. Die Bildung des entgegengesetzten n – p-Übergangs wird durch die umgekehrte Zugabe von Bor und Phosphor ermöglicht.

Dies ist die Struktur von N-Peak-PV-Zellen, die mit der PERT-Technologie (Passivated Emitter Rear Cell Totally Diffused) hergestellt werden. Wie bei den PERC-Zellen wird auch hier eine Passivierungsmethode auf der Rückseite der Zelle angewandt, allerdings ohne Löcher in die Zelle zu schneiden. Der Grund dafür ist, dass bei der PERT-Technologie die Passivierungsschicht als Barriere fungiert, die das Entweichen von freien Elektronen verhindert. Obwohl das Verfahren die gleiche Methode zur Reflexion des Lichts von der Rückseite des Paneels anwendet, führt der Mangel an “kleinen Löchern” in PERT-Zellen zu einer Vervielfachung der Energieerzeugung durch eine effizientere Strahlungsrückgewinnung im Vergleich zur Verwendung einer ungleichmäßigen Passivierungsschicht. Die Technologie macht PV-Zellen auch wesentlich widerstandsfähiger gegen lichtbedingte (LID) und licht- und wärmebedingte (Anti-LeTID) Degradation.

Die Trends in der PV-Modulherstellungsindustrie lassen keinen Zweifel: N-TYPE-Module sind die Zukunft der Photovoltaikanlagen, und zwar insbesondere durch

• einen höheren Wirkungsgrad als P-TYPE-Module;
• die längere Lebensdauer von N-TYPE-Modulen im Vergleich zu P-TYPE-Modulen;
• die Art und Weise, wie die Zellen “überlappend” angeordnet sind, was die Oberfläche und den Wirkungsgrad des Moduls erhöht;
• mehrdrähtige Zellverbindungen (9 Busbar) zur Verringerung von Abschattungseffekten;
• Beseitigung des sogenannten Bor-Sauerstoff-Defekts;
• resistent gegen LID (Light Induced Degradation) – ein Phänomen der schnellen, aber kurzzeitigen Degradation unter dem Einfluss der Sonneneinstrahlung auf die Zelle;
• sehr geringer jährlicher Leistungsverlust von etwa 1 % im ersten Jahr und ein sehr geringer Rückgang von etwa 0,4 % pro Jahr über 30 Jahre;
• Kosten des Herstellungsprozesses für P-Typ– und N-Typ-Solarzellen, die vergleichbar sind;
• extrem haltbare und leichte PVF-TEDLAR-Folie;
• N-TYPE-Module gibt es in den Varianten Monofacial und Bifacial (Glas-an-Glas, nutzt das einfallende Licht sowohl von der Vorder- als auch von der Rückseite der Zelle und liefert eine höhere Leistung);
• höhere Investitionsrentabilität.

Typische Siliziumzellen, insbesondere der älteren Generation, haben Frontelektroden aus dünnen horizontalen Pfaden (Fingern), die die Ladung aus dem gesamten Wafer aufnehmen und an vertikale Verbindungspfade (so genannte Busbars) weiterleiten. Die Anzahl der vertikalen und horizontalen Pfade beeinflusst zwei Betriebsparameter der Zelle: den Füllfaktor FF und den Widerstand der Zelle. In der Praxis wird der Widerstand der Zelle durch die Länge des Weges beeinflusst, den die elektrische Ladung in der Leiterplatte zurücklegen muss. Bei älteren Zellenlösungen lag die Anzahl der Busbars in der Regel bei 2, bei den neuesten beträgt die Anzahl der Busbars bis zu 12.

Die Erhöhung der Anzahl der Busbars erhöht nicht nur den Wirkungsgrad der Zelle, sondern verbessert auch ihren Betrieb im Schatten und im Falle von Mikrorissen oder mechanischen Beschädigungen, was in diesem Fall eine kleinere Zellfläche ausschließt. Eine Erhöhung der Anzahl der vertikalen Pfade (Busbars) verändert dagegen den Abstand zwischen dem am weitesten entfernten Punkt des Sammelpfads und dem Verbindungspfad. Bei 2BB-Zellen beträgt dieser Weg 38 mm, bei 3BB-Zellen 25 mm und bei 5BB-Zellen nur 12,5 mm (bei einer 6-Zoll-Zelle). Die Anzahl der Pfade und die Art und Weise, wie die Ladung hier fließt, hängt von der verwendeten Produktionsmethode ab.

(a) Merlin-Technologie – verwendet ein speziell geformtes Kupfergeflecht anstelle von Silbersammelschienen auf und unter der Solarzelle aufgrund der Leichtigkeit des Materials, des niedrigeren Preises und der besseren physikalischen Eigenschaften von Kupfer, insbesondere seiner Haltbarkeit und der Ladungsleitfähigkeit der Zelle. Der Einsatz der Merlin-Technologie erhöht den Wirkungsgrad der Module um etwa 8 % und führt zu einer Senkung der Produktionskosten der Module um etwa 10 %.

(b) Mutli Busbar Connector Technologie – basiert auf einem Kupferdrahtgeflecht mit einem Durchmesser von ca. 360 μm (10-6 m), das mit einer Zinn-Blei-Silber-Legierung mit einer Dicke von 15 Mikron (μm) beschichtet ist. Die Anzahl der Busbars auf jeder Zelle beträgt 12. Die Herstellungstechnologie und die mikroskopische Dicke ermöglichen einen höheren Füllfaktor als bei Zellen mit fünf Busbars. Die kreisförmigen Drähte bewirken außerdem, dass das direkt einfallende Sonnenlicht in einem Winkel reflektiert wird und in die Zelle zurückkehrt. Der durchschnittliche Energiegewinn des Panels im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen wird auf etwa 6-9 W geschätzt.

Halbgeschnittene Module – halbe Zellen

Eine neue Entwicklung bei der Konstruktion von Silizium-PV-Zellen ist die Verwendung von halbierten Zellen (156 × 156 mm) anstelle von quadratischen Zellen in voller Größe (156 × 156 mm) und die Verlegung des Anschlusskastens in die Mitte des Moduls, was bedeutet, dass auf der gleichen Modulfläche die doppelte Anzahl von Zellen untergebracht werden kann, die halbiert” wurden. Dies führt zu einer halb so hohen Stromerzeugung wie bei einer kleineren PV-Zelle. Ein Standardmodul besteht aus 60 Zellen, während eine halbierte Zelle aus 120 Zellen besteht. Außerdem wurden bei dieser Lösung dünne Kupferdrähte anstelle von Zellverbindungen aus Aluminium verwendet. Dadurch wurde der Widerstand der Drähte, die die halbierten Zellen verbinden, verringert und ihre Betriebstemperatur gesenkt, was sich positiv auf die Lebensdauer der Module auswirkt. Durch die Teilung der Zelle in zwei Hälften wurde der elektrische Innenwiderstand verringert, was zu einer höheren Ausgangsleistung, einem höheren Wirkungsgrad und einer höheren Zuverlässigkeit führt.

Die halben Module sind außerdem widerstandsfähiger gegen die negativen Auswirkungen von Abschattungen und PID-Phänomenen (Potential Induced Degradation) sowie gegen das Risiko dauerhafter Schäden (Hot Spot), die durch dynamische Temperaturänderungen verursacht werden. Ein wesentlicher Vorteil dieser technischen Lösung ist die höhere Energieausbeute (ca. 2 %) des Moduls pro Wp, ohne dass die Oberfläche vergrößert wird. Auch der Wirkungsgrad der Zelle konnte durch den Einsatz der PERC-Technologie leicht verbessert werden.

Trotz der grundlegenden Unterschiede in der Konstruktion der vorgestellten Zellen haben sie eine gemeinsame Vorder- und eine Rückelektrode. Darüber hinaus sind die Konstruktion und das Herstellungsverfahren der Frontelektrode für die gesamte Familie der PERC- und PERT-Zellen gleich und unterscheiden sich nicht von dem Herstellungsverfahren der Elektroden typischer kristalliner photovoltaischer Zellen.