Photovoltaikzellen (PV-Zellen) bestehen typischerweise aus Halbleitermaterialien wie Silizium und verfügen über positive und negative Elektroden. Bei Sonneneinstrahlung tritt der photovoltaische Effekt ein, der Lichtenergie sofort in elektrische Energie in Form von Gleichstrom (DC) umwandelt. Dieser Strom kann entweder in Batterien gespeichert oder mithilfe eines Wechselrichters in Wechselstrom (AC) umgewandelt werden, um unterschiedlichen Energiebedarf zu decken. PV-Zellen werden häufig in Reihe oder parallel geschaltet, um Module zu bilden, die dann zu Solaranlagen für höhere Energieausbeuten zusammengefügt werden.
1. Aluminium-Rückseitenfeldzellen (BSF)
Struktur und Prinzip
BSF-Zellen sind ein gängiger Solarzellentyp, der eine Aluminiumbeschichtung als Rückelektrode verwendet. Dadurch entsteht ein elektrisches Feld auf der Rückseite, das den Elektronentransport zur Rückelektrode unterstützt und so die Energieumwandlungseffizienz erhöht. Der Herstellungsprozess umfasst die Dotierung der Siliziumoberfläche mit Phosphor, um eine n-leitende Zone zu erzeugen, das Aufbringen einer Schicht oder Beschichtung zur Bildung einer p-leitenden Zone auf der Vorderseite und die Herstellung eines pn-Übergangs. Abschließend werden Metallgitter zur Stromableitung aufgebracht.
Entwicklungsgeschichte
Die 1973 erstmals vorgeschlagenen BSF-Zellen waren die ersten kommerziell erhältlichen kristallinen Siliziumzellen. Bis 2016 erreichten sie einen Marktanteil von über 90 %.
Vorteile
BSF-Zellen zeichnen sich durch ihre Einfachheit, Kosteneffizienz und ausgereifte Technologie aus.
2. PERC-Zellen
Namensherkunft
PERC steht für Passivated Emitter and Rear Cell (Passivierter Emitter und Rückzelle).
Prozess und Leistung
Aufbauend auf herkömmlichen BSF-Zellen ergänzt die PERC-Technologie zwei entscheidende Schritte: die Passivierung der Rückseite und das Laseröffnen, wodurch die Effizienz deutlich gesteigert wird. Der Herstellungsprozess umfasst die Waferreinigung und -texturierung, die Diffusion zur Erzeugung von pn-Übergängen, die Laserdotierung für selektive Emitter, die Rückseitenpassivierung, das Laserbohren, den Siebdruck, das Sintern und die Prüfung.
Vorteile
PERC-Zellen zeichnen sich durch eine einfache Struktur, einen kurzen Herstellungsprozess und eine hohe Anlagenreife aus.
3. Heterojunction-Zellen (HJT-Zellen)
Struktur
HJT-Zellen sind hybride Solarzellen, die kristalline Siliziumsubstrate und amorphe Siliziumschichten kombinieren. Sie verfügen über intrinsische amorphe Siliziumschichten an der Heteroübergangsgrenzfläche zur Passivierung der Vorder- und Rückseite. Der symmetrische Aufbau besteht aus einem n-leitenden kristallinen Siliziumsubstrat, einer pi-leitenden amorphen Siliziumschicht auf der Lichtzugewandten Seite, einer iN-leitenden amorphen Siliziumschicht auf der Rückseite sowie transparenten Elektroden und Stromschienen auf beiden Seiten. Es handelt sich um bifaziale Zellen.
Vorteile
HJT-Zellen zeichnen sich durch hohe Effizienz, geringe Degradation, einen niedrigen Temperaturkoeffizienten, hohe Bifacialität, vereinfachte Prozesse und Eignung für dünnere Wafer aus.
4. TOPCon-Zellen
Technisches Prinzip
TOPCon-Zellen (Tunnel Oxide Passivated Contact) basieren auf dem Prinzip der selektiven Ladungsträger. Sie zeichnen sich durch eine ultradünne Siliziumoxidschicht und eine dotierte Siliziumschicht auf der Rückseite aus, die eine passivierte Kontaktstruktur bilden. Dies reduziert die Oberflächen- und Metallkontaktrekombination und birgt ein erhebliches Potenzial zur Effizienzsteigerung von N-PERT-Zellen.
Prozessmerkmale
TOPCon-Zellen verwenden N-dotierte Siliziumsubstrate und erfordern nur minimale Anpassungen an bestehenden P-dotierten Produktionslinien, wie z. B. die Hinzufügung von Bordiffusions- und Dünnschichtabscheidungsanlagen. Sie eliminieren die Notwendigkeit von rückseitigen Öffnungen und Ausrichtungsarbeiten, vereinfachen die Fertigung und verbessern die Kompatibilität mit PERC- und N-PERT-Zellprozessen.
Vorteile
TOPCon-Zellen weisen eine geringe Degradation, eine hohe Bifazialität und einen niedrigen Temperaturkoeffizienten auf, was zu einer hervorragenden Leistung in Solarkraftwerken führt.
5. IBC-Zellen
Struktur und Prinzip
Interdigitated Back Contact (IBC)-Zellen verlagern alle Elektrodenrasterlinien der Vorderseite auf die Rückseite und ordnen die pn-Übergänge und Metallkontakte in einem interdigitalen Muster an. Dies reduziert die Abschattung und erhöht die Lichtabsorption. Da keine Metallkontakte auf der Vorderseite vorhanden sind, bieten IBC-Zellen eine größere aktive Fläche für die Photonenkonversion.
Technologieintegration
IBC-Zellen können mit anderen Technologien wie PERC, TOPCon, HJT und Perowskit kombiniert werden, wodurch fortschrittliche Hybridzellen wie „TBC“ (TOPCon-IBC) und „HBC“ (HJT-IBC) entstehen.
Anwendungspotenzial
Mit ihrem ästhetisch ansprechenden Design eignen sich IBC-Zellen hervorragend für gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV) und haben vielversprechende kommerzielle Perspektiven.
Abschluss
Jeder PV-Zellentyp bietet einzigartige Vorteile und spielt eine entscheidende Rolle bei der Weiterentwicklung von Solartechnologien. Durch kontinuierliche Innovationen treiben diese Technologien das Wachstum und den Wandel der Photovoltaikbranche voran.
