TopCon Module: Die TopCon-Technologie im Vergleich zu PERC-Zellen

Solarzellen aus kristallinem Silizium haben in der Photovoltaik einen Marktanteil von über 95 %. Der Halbleiter Silizium ist bezüglich der elektronischen Eigenschaften äußerst stabil und damit eine sehr gute Basis. Diese Basis wird auch bei den TOPCon-Solarzellen weiterhin beibehalten.

Beim Betrachten von TOPCon-Solarzellen können verschiedene Fragen aufkommen, wie zum Beispiel:

• Woher rührt die hohe Effizienz dieser Zellen?
• Welche Degradationsraten zeigen TOPCon-Solarmodule im Vergleich zu anderen Technologien?
• Und lassen sich beim Kauf von TOPCon-Photovoltaikmodulen langfristig Kosten einsparen?

Diese und weitere Aspekte sind entscheidend für die Beurteilung der Technologie und ihre Eignung für spezifische Anwendungen.

Die TOPCon-Solarzelle gilt als die nächste Generation der Solartechnologie nach der PERC-Technologie. Ihre innovative Architektur wurde 2013 von Forschern des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme in Deutschland eingeführt. Die erste Technologie-Erklärung steckt im Namen: TOPCon steht für "Tunnel Oxide Passivated Contact".

Diese Bezeichnung beschreibt die besondere Art und Weise, wie in diesen Zellen der elektrische Kontakt hergestellt wird:

1. Bei TOPCon-Zellen wird eine sehr dünne Oxidschicht verwendet, die als Tunneloxid bezeichnet wird. Sie ist ultradünn und kombiniert mit einer Siliziumschicht. Das erlaubt eine herausragende Elektivität der Ladungsträger (wie Elektronen), die durch Schicht wandern oder „tunneln“.
2. Gleichzeitig sorgt sie für eine Passivierung, also eine Verringerung von Verlusten an der Kontaktstelle, was die Effizienz der Zelle erhöht.

TOPCon-Zellen zählen überdies zu den n-Typ-Zellen. Traditionell dominierten p-Typ-Zellen in der Solarindustrie aufgrund einfacherer Herstellung. N-Typ-Zellen werden zunehmend bevorzugt, da sie verschiedene Vorteile gegenüber p-Typ-Zellen bieten:

• P-Typ-Zellen neigen zur "Anfangsdegradation" bei Lichteinfall, während N-Typ-Zellen diese Problematik reduzieren.
• N-Typ-Zellen sind weniger anfällig für metallische Verunreinigungen, zeigen geringere Leistungsinduzierte Degradation (PID) und sind temperaturbeständiger.
• N-Typ-Zellen haben einen niedrigen Temperatur-Koeffizienten, die Leistung nimmt bei steigenden Temperaturen nur wenig ab.

Die TOPCon-Technologie bietet neben anderen Vorteilen vor allem auch einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad. U.a. auch deswegen werden heute immer mehr Solarmodule mit TOPCon-Zellen anstelle von PERC-Zellen nachgefragt.

Der höhere Wirkungsgrad hat verschiedene Gründe:

Auf Silizium basierenden Solarzellen verlieren bei steigender Temperatur an Wirkungsgrad. Dies wird auf den Moduldatenblättern mit einem Temperaturkoeffizienten (TK) ausgewiesen. Der TK gibt den Verlust der Maximalleistung in Prozent pro Grad Celsius (% /°C) an.

Mit 0,32 % /°C ist der Leistungsverlust bei TOPCon-Solarmodulen gegenüber dem von PERC Modulen mit einem Wert von 0,35 % /°C deutlich geringer. Bei einer typischen Arbeitstemperatur von 45 °C sind die temperaturbedingten Verluste bei TOPCon-Modulen sogar um ca. 8,6 % geringer als bei PERC-Modulen.

Wie viel Strom ein Solarmodul produziert, hängt nicht nur von der Leistung bei direkter Sonneneinstrahlung ab, sondern auch von seiner Fähigkeit, bei niedrigen Bestrahlungsstärken effizient Licht in PV-Strom umzuwandeln. Dieses sogenannte Schwachlichtverhalten ist bei TOPCon-Solarzellen gegenüber PERC besser.

Die Ursache für das bessere Schwachlichtverhalten von TOPCon-Solarzellen beruht auf der unterschiedlichen Dotierung des Wafer-Materials (siehe oben) und des daraus resultierenden höheren Innenwiderstandes.

Daher können auch TOPCon-Doppelglas-Module von beiden Seiten (bifazial) Strom produzieren. Streulicht, das auf die Rückseite eines Moduls fällt, kann effizienter als von PERC-Zellen umgewandelt werden: Der Bifazial-Koeffizient bei TOPCon von > 80 % (TOPCon) ist deutlich höher als der von PERC mit > 70 % (PERC).

TOPCon-Zellen können auch mit einer geringeren Degradation – also einer geringeren Leistungsminderung im Laufe der Zeit – punkten. Daher geben TOPCon-Modul-Hersteller auch eine deutlich längere und höhere Leistungsgarantie.

Die geringere Degradation von TOPCon-Zellen hat wiederum unterschiedliche Gründe.

• Solarzellen auf der Basis von p-dotierten Wafern erleiden innerhalb der ersten Tage nach Inbetriebnahme i.d.R. einen Leistungsverlust von 1 bis 3 % (Licht-induzierte Degradation - kurz: LID). Der Effekt ist wissenschaftlich sehr gut verstanden, und wird auf Bor-Sauerstoff-Komplexe im Wafer zurückgeführt. N-dotierte Wafer wie bei TOPCon-Zellen beinhalten hingegen kein Bor, sodass die LID gar nicht auftreten kann.
• Auch hinsichtlich einer spannungsinduzierten bzw. potenzialinduzierten Degradation (PID) sind n-Typ basierte Solarzellen sicherer als z. B. PERC Solarzellen. In TOPCon-Solarmodul-Tests berichten Hersteller von einem Leistungsverlust von <3 %.
• Die LeTID Degradation, der maßgeblich bei PERC Solarzellen auftritt, ist ein licht- und temperaturabhängiger Effekt, der vom Wafer-Material als auch der Prozessierung bei der Produktion der Solarzelle beeinflusst wird und zu Leistungsverlusten von 3 bis 10 % führen kann. Auch diesbezüglich sind TOPCon-Solarzellen technologiebedingt sehr viel weniger anfällig als PERC Solarzellen.

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Die Photovoltaik-Industrie setzt große Hoffnungen in die vielversprechende TOPCon-Technologie. Daher macht TOPCon aktuell rasante Schritte in der Entwicklung und bei der Markttauglichkeit. Jedoch sind Herausforderungen zu bewältigen, darunter die Marktdurchdringung, die Akzeptanz der Technologie und die Bewertung der langfristigen Leistungsfähigkeit durch Erfahrungen und Tests. Im Vergleich zu anderen vielversprechenden neuen Technologien wie der Heterojunction-Technologie (HJT) und der Interdigitated Back Contact (IBC)-Technologie bietet TOPCon aber auch für die Solarzellen-Industrie entscheidende Vorteile. Besonders hervorzuheben sind:

• Nahtlose Integration: TOPCon-Solartechnik kann nahtlos in bereits vorhandene PERC- oder PERT-Produktionslinien integriert werden. Dies ermöglicht Solarmodul-Herstellern, die bereits auf diese etablierten Technologien setzen, ihre Linien kosteneffizient auf den neuesten Stand zu bringen. Im Gegensatz dazu erfordern Solarmodul-Technologien wie HJT oder IBC möglicherweise umfangreichere Umstrukturierungen in den Fertigungsprozessen.
• Geringere Kapitalinvestitionen: Die Möglichkeit, TOPCon-Solarmodule in vorhandenen Produktionslinien zu implementieren, führt zu geringeren Kapitalinvestitionen für Hersteller. Die Notwendigkeit für den Aufbau komplett neuer Fertigungsanlagen entfällt, was einen finanziellen Vorteil darstellt.

Ein zusätzlicher Anreiz für die Attraktivität von TOPCon-Modulen liegt in Entwicklungen wie der Substitution von Silber-Kontakten durch Kupfer. Insgesamt positioniert sich TOPCon auch für Hersteller als eine kosteneffiziente und effektive Lösung, um die Effizienz bestehender Produktionsanlagen zu steigern, was besonders relevant ist, wenn Hersteller ihre bestehenden PERC- oder PERT-Linien aufrüsten möchten.

Durch die innovativen Siliziumzellen der TOPCon-Technologie kann sich die Rentabilität einer Photovoltaikanlage erheblich steigern. Die höhere Effizienz und die Möglichkeit, auch bei schwachem Licht optimalen Solarstrom zu erzeugen, könnten dazu führen, dass Dächer, die zuvor aufgrund begrenzter Fläche oder geringer Sonneneinstrahlung als ungeeignet galten, nun für eine PV-Anlage in Betracht gezogen werden können.

Wenn Sie Interesse an der Integration von TOPCon-Solarmodulen in eine PV-Anlage auf Ihrem Dach haben, empfiehlt es sich, lokale Solarbetriebe zu kontaktieren. Diese Unternehmen sind oft bestens informiert über die neuesten Technologien und können genau einschätzen, ob Hersteller mit TOPCon-Modulen die ideale Lösung für Ihr Vorhaben bieten.