Halbzellen-Module: Aufbau, Vorteile und Vergleich mit Vollzellen-Modulen

Ein Halbzellen-Modul weist konstruktiv denselben Aufbau wie ein Vollzellen-Modul auf. Die Solarzellen werden jedoch mittels Laserschnitt in zwei elektrisch identische Hälften geteilt.

Aus einem klassischen 60-Zellen-Modul wird so ein Modul mit 120 Halbzellen, aus einem Modul mit 72 Solarzellen ein Modul mit 144 Halbzellen. Dadurch verdoppelt sich auch die absolute Anzahl der Busbars im gesamten Modul.

Jede Halbzelle liefert die gleiche Spannung, aber nur etwa den halben Strom einer Vollzelle. Da die beiden symmetrischen Modulhälften jeweils einen eigenen Zellstring bilden und elektrisch parallel verschaltet sind, bleibt die Modulspannung gleich, während sich die Ströme beider Hälften wieder addieren.

Ein Halbzellen-Modul erreicht somit denselben Gesamtstrom wie ein vergleichbares Vollzellen-Modul.

Die zentrale elektrotechnische Besonderheit von Halbzellen-Modulen ergibt sich aus der Halbierung des Zellstroms. Da jede halbierte Solarzelle bei gleicher Spannung nur etwa 50 % des Stroms einer Vollzelle führt, sinkt die Stromdichte in Zellverbindern und Busbars signifikant.

Weil ohmsche Verluste P proportional zur Stromstärke I und dem Widerstand R sind (\(P = I^2 \cdot R\)), reduziert sich die Verlustleistung überproportional. Dies führt zu geringeren internen Widerstandsverlusten, höherem Modulwirkungsgrad und einer reduzierten Wärmeentwicklung.

Ein Vergleich von Forscher des Fraunhofer ISE exakt identischer Voll- und Halbzellen-Module ergab, dass sich die Modulausgangsleistung bzw. der Ertrag bei gleicher Zelle durch die reduzierten ohmschen Verluste bei Halbzellen um rund 2 - 3 % erhöht.

Aus den verringerten ohmschen Verlusten infolge des halbierten Zellstroms resultiert zudem eine reduzierte Wärmeentwicklung, die thermomechanische Spannungen mindert, die Intensität möglicher Hotspots verringert und die Langzeitstabilität des Moduls positiv beeinflussen kann.

Bei Drittelzellen-Modulen, bei denen die ursprüngliche Zelle in drei Segmente geteilt wird, wird der Strom pro Zellpfad und die I²R-Verluste nochmals gesenkt, allerdings bei erhöhter Verschaltungskomplexität.

Die Halbzellen-Architektur ist technologieunabhängig und lässt sich mit verschiedenen kristallinen Siliziumzellen kombinieren. Sie verändert nicht die Halbleiterphysik der Zelle, sondern optimiert die Stromführung auf Modulniveau. Dadurch entstehen je nach Zelltechnologie unterschiedliche Synergieeffekte.

PERC-Zellen besitzen eine rückseitige Passivierungsschicht, wodurch die Rekombination an der Zellrückseite reduziert wird. Elektrisch zeichnen sie sich jedoch durch relativ hohe Kurzschlussströme aus, da sie großflächig Licht absorbieren und typischerweise mit vollflächigem Emitter arbeiten.

Die dominanten Verlustmechanismen sind hier:

• Serienwiderstand in Frontmetallisierung
• Widerstand der Busbars und Zellverbindern
• Kontaktwiderstände zwischen Metall und Silizium

Da diese Verluste stromabhängig sind, reduziert die Halbierung des Stroms vor allem die strombedingten Leitungsverluste in Busbars und Zellverbindern. Besonders relevant ist die Reduktion der lateralen Stromdichte im Frontemitter, wodurch Spannungsabfälle entlang der Metallfinger sinken.

Da PERC-Zellen vergleichsweise hohe Kurzschlussströme aufweisen, ist der I²R-Verlustanteil relevant, sodass Halbzellen hier messbare Effizienzgewinne ermöglichen. Die Halbzellen-Architektur kompensiert dadurch teilweise die durch hohe Stromdichten verursachten ohmschen Verluste klassischer PERC-Zellen.

In der Praxis wurde die Halbzellen-Technologie ab etwa 2018 vor allem im PERC-Segment großflächig eingeführt, da bestehende Produktionslinien mit vergleichsweise geringem Aufwand angepasst werden konnten.

TOPCon-Zellen (Tunnel Oxide Passivated Contact) weisen gegenüber PERC geringere Rekombinationsverluste und höhere Wirkungsgrade auf. Da diese Zellen häufig mit größeren Waferformaten (M10, G12) arbeiten, nimmt die absolute Stromstärke zu. Mit wachsender Zellfläche steigt dann der Kurzschlussstrom proportional zur Fläche.

Die Halbzellen-Architektur wirkt diesem Effekt entgegen, indem sie den Strom pro Strompfad halbiert. Dadurch bleibt das Stromniveau auf Modulstring-Ebene technisch beherrschbar, während gleichzeitig höhere Gesamtleistungen von über 600 Watt realisiert werden können.

Bei TOPCon-Modulen dient die Halbzellen-Architektur daher nicht nur der Effizienzsteigerung, sondern auch der Kontrolle steigender Stromdichten infolge größerer Zellflächen. Sie trägt dazu bei, elektrische Verluste trotz wachsender Modulströme beherrschbar zu halten.

Heterojunction-Zellen (HJT) kombinieren kristallines Silizium mit dünnen amorphen Siliziumschichten und zeichnen sich durch sehr hohe Wirkungsgrade sowie einen besonders guten Temperaturkoeffizienten aus.

HJT-Zellen weisen aber typischerweise hohe Stromdichten auf. Und die Frontmetallisierung ist bei HJT oft feiner ausgeführt (z. B. SmartWire oder Multi-Busbar), da das amorphe Silizium empfindlich gegenüber hohen Temperaturprozessen ist.

Daher wird die Stromreduktion von Halbzellen durch geringere ohmsche Verluste besonders relevant, da:

• Kontaktwiderstände bei niedrigen Prozesstemperaturen kritischer sind
• hohe Stromdichten zu stärkeren lokalen Spannungsabfällen führen können

Zudem profitieren HJT-Module von der geringeren thermischen Belastung, da die Technologie empfindlicher auf thermomechanische Spannungen reagieren kann.

Die Halbzellen-Architektur reduziert so die Belastung der empfindlichen Kontaktstrukturen und stabilisiert den Füllfaktor, insbesondere bei großformatigen HJT-Zellen und macht Halbzellen bei HJT-Modulen heute zum industriellen Standard.

Die Halbzellen-Technologie wurde ab etwa 2016 verstärkt industriell eingeführt, nachdem erste Konzepte zur Reduzierung elektrischer Verluste (I²R-Verluste) zuvor in Pilotfertigungen erprobt worden waren. 2017 begannen größere Hersteller, Halbzellen-Module in Serienproduktion anzubieten, zunächst überwiegend im Premiumsegment.

Ab 2018 erfolgte der breitere Markteintritt durch Unternehmen wie Q CELLS, LONGi oder Jinko Solar, wodurch die Technologie international sichtbar wurde. 2019 - 2020 setzte sich das Design zunehmend im Massenmarkt durch, da es sich problemlos mit PERC-Zellen kombinieren ließ und Mehrleistungen bei geringen Zusatzkosten ermöglichte.

Mit dem Übergang zu größeren Waferformaten (M10, G12) ab 2020 wurde die Halbzellenarchitektur faktisch zum Standard. Seit 2021 ist sie bei neuen Modulserien nahezu durchgängig integriert, auch bei TOPCon- und HJT-Technologien. Bis 2023 - 2025 gelten Halbzellen-Module weltweit als Stand der Technik und dominieren den globalen PV-Modulmarkt.