Die besten Solarzellen im Vergleich

Forschungsinstitute und herstellende Unternehmen in der Solarbranche veröffentlichen kontinuierlich neue Rekord-Wirkungsgrade oder revolutionäre Produktionsschritte bei der Herstellung von Solarzellen. Der Aufbau von Solarzellen und ein unterschiedlicher Einsatz von Ressourcen führt zu verschiedenen Solarzell-Technologien. Welche Solarzelle nun die Beste ist und wohin sich der Trend bei Solarzellen entwickelt, erfahren Sie im folgenden Beitrag.

• Die beste Solarzelle definiert sich durch eine maximale Leistung, einen effizienten Ressourceneinsatz, einer langen Haltbarkeit und einem ausgewogenen Preis-Leistungs-Verhältnis.
• Eine breite Anwendbarkeit und Skalierbarkeit im industriellen Maßstab sowie die Wiederverwertbarkeit der verwendeten Rohstoffe geben Aufschluss über die gesamte Solarzellen-Performance.
• TOPCon- und HJT-Solarzellen lösen die PERC-Solarzellen, als heute noch führende Technologie, in den nächsten 5 bis 10 Jahren ab.
• Tandem-Solarzellen erreichen die höchsten Wirkungsgrade.
• Ein höherer Wirkungsgrad setzt sich, bei potentieller Serienfähigkeit der Zellen-Technologie, immer durch und führt langfristig zur besten Solarzelle.
• Der Einsatz der Rohstoffe bei der Metallisierung beeinflusst die Herstellungskosten erheblich.

Es gibt unterschiedliche Merkmale, welche Aufschluss über die Qualität und Leistungsfähigkeit einer Solarzelle geben. Der Fokus der Forschung und Entwicklung (F&E) an Solarzellen liegt auf der:

• Vereinfachung der Verarbeitungsschritte
• Maximierung der Leistungsabgabe
• Effizienzsteigerung im Ressourceneinsatz
• Kostenreduktion

Hersteller und Forschungsinstitute veröffentlichen kontinuierliche Verbesserungen der Sonnennutzung. Neben der Solarzellen-Effizienz definieren der Ressourceneinsatz, die Komplexität der Herstellung im Hinblick auf die Serienfertigung, die Degradation (Abnutzung) der Solarzelle, die Wiederverwertbarkeit und das potenzielle Preis-Leistungsverhältnis die Gesamt-Performance einer Solarzelle.

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Die verwendeten Halbleiter in Solarzellen weisen natürliche Effizienzlimits auf. Nach dem Shockley-Queisser-Limit ergibt sich für kristallines Silizium (c-Si) eine theoretische Effizienz von 26,7 %. Gallium Arsenid (GaAs) erreicht eine theoretische Effizienz von 29,1 % und Cadmium Tellurid (CdTe) 22,1 %.

Der Einsatz von kristallinem Silizium ist am weitesten verbreitet. Solarzellen aus Silizium-Wafern, die in mehr als 95 % (Marktanteil 2020) aller installierten Solar-Anlagen weltweit zu finden sind, gelten hinsichtlich des mit ihnen in der Praxis erreichbaren Wirkungsgradpotenzials als nahezu ausgeschöpft. Selbst neueste Solarzellen aus Silizium erreichen nur noch geringfügige Verbesserungen um etwa einenWirkungsgrad von 25 %. Mit der Erreichung von stofflichen Limits entwickelt sich die Konstruktion der Solarzellen stetig weiter, um so weitere Effizienzpotentiale zu erschließen.

Sicher ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle ein grundlegender Indikator für die Leistungsfähigkeit und damit auch Wirtschaftlichkeit einer Solarzelle; die veröffentlichten Effizienzen der Solarzellen werden jedoch alle unter Standard-Testbedingungen (STC) erreicht (25 °C, 1000 W/m², 1,5 AM). Optimale Bedingungen, die in der Praxis eher seltener auftreten.

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Neue Technologien sind zuerst immer teuer, da sie auf Basis von Prototypen entwickelt werden. Die Integration in eine Serienproduktion reduziert sukzessive die Kosten. Das beste Preis-Leistungsverhältnis weisen weiterhin c-Si basierte Solarzellen auf. Aufgrund der langjährigen Weiterentwicklung und Optimierung der Herstellungsprozesse der PERC-Technologie können hier geringe Produktionskosten realisiert werden. Die heutigen Produktionslinien sind zumeistauf die Konstruktion von PERC-Solarzellen ausgerichtet.

Im Bericht der dena sehen die Forschenden des Fraunhofer ISE den zukünftigen Trend in der TOPCon- und der Heterojunction-Technologie. Mit deutlich größeren Wirkungsgraden entwickeln sich Silizium-Tandem-Solarzellen. Bis zu einer breiten Anwendung dauert es aber noch einige Jahre bzw. bieten sich Tandem-Solarzellen nicht für alle Bedingungen an.

Die Entwicklung soll zeigen, dass die Effizienzsteigerungen nicht aufhören und der Fortschritt bei den Solarzell-Technologien stetig ist. Gleichwohl zeichnet sich die beste Solarzelle auch durch ihre breite Anwendbarkeit und Skalierbarkeit in industriellen Maßstäben aus. Mit der Serienproduktion reduzieren sich auch spezifische Kosten der Technologie. Sowohl bei der TOPCon- als auch bei der HTJ-Technologie sind Kostenreduktionen zu erwarten.

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Während Solarzellen mit TOPCon-Technologie auf einer umgebauten PERC-Technologie-Produktionsstraße hergestellt werden kann, bedarf es für die HTJ-Technologie eine komplett neue Fertigungsanlage. Ein Vergleich der Technologien zeigt die wesentlichen Unterschiede:

Vorteile von n-Typ TOPCon Solarzellen sind eine geringere Degradation (≤ 1 % im ersten Jahr, dann ca. 0,4 % pro Jahr), eine höhere Effizienz und ein höherer bifazialer Faktor im Vergleich zu herkömmlichen PERC-Solarzellen. Im Vergleich zu HJT-Solarzellen sind geringere Investitionen für die Produktion von TOPCon-Zellen erforderlich. Die TOPCon-Technologie kann nach einer Anpassung der Produktionsstraßen auf den PERC-Produktionslinien produziert werden. Eine schnellere Massenproduktion von TOPCon-Zellen ist wahrscheinlicher als die der HJT-Zellen. Der geringere Temperaturkoeffizient bei TOPCon- und HJT-Technologie deutet ebenfalls auf einen künftigen Fokus der Solarindustrie auf die n-Typ Technologien TOPCon und HJT.

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Siliziumzellen bestehen aus zwei unterschiedlich dicken Bereichen, die sich in ihrer Leitfähigkeit unterscheiden. Der eine ist n-leitend, der andere p-leitend. In marktüblichen Zellen besteht die untere dickere Schicht aus p-leitendem Silizium, die obere dünne Schicht aus n-leitendem Silizium.

Diese, auch p-Typ genannten Solarzellen basieren auf einer positiv geladenen (p steht für positiv) Siliziumbasis, dessen Wafermit Bor dotiert ("p-doping") ist, mit einem Elektron weniger als Silizium. Die Oberseite des Wafers ist dann mit Phosphor ("n-doping"), der ein Elektron mehr hat als Silizium, negativ dotiert (n-Typ). Durch diese p-n-Verbindung wird der Stromfluss in der Zelle unter Sonneneinstrahlung verstärkt.

n-Typ Solarzellen sind umgekehrt gebaut, wobei die n-dotierte Seite als Basis der Solarzelle dient. Während die p-Typ Struktur die Solarzellen-Branche viele Jahre dominierte, fokussierten sich die F&E-Bemühungen der großen Hersteller zuletzt immer öfter auf n-Typ-Solarzellen, da hiermit höhere Wirkungsgrade erzielt werden konnten. Die Tabelle zeigt die Wirkungsgrade von p- und n-Typ Solarzellen von Jinko Solar.

Auch Trina Solar arbeitet stetig an der Verbesserung von hocheffizienten n-Typ TOPCon Solarzellen. Im August 2022 veröffentlichte das Unternehmen den 25. Effizienzrekord bei Solarzellen durch ein monokristallines n-Typ TOPCon-Solarmodul mit einem Wirkungsgrad von 24,24 %. Unter der Annahme, dass der Anspruch der Hersteller in immer besseren Solarzellen liegt, zeigt sich ein klarer Trend Richtung TOPCon-Solarzellen.

Eine Solarzelle mit TOPCon- oder HJT-Technologie erfordert im Vergleich zu einer PERC-Zelle eine erhöhte Metallisierung. Üblicherweise sorgen Kontakte und Busbars aus Silber für die Leitung des Solarstroms aus den Silizium-Wafern. Silber ist begrenzt verfügbar und relativ teuer. Die Verwendung von Silber macht rund 10 % der Herstellungskosten aus. Die Solarbranche bezieht 15 % des in Minen abgebauten Silbers weltweit.

Das Fraunhofer ISE veröffentlichte im Februar 2022 den Forschungsfortschritt zu Nickel/Kupfer/Silber Kontakten zur Metallisierung bei TOPCon-Zellen. Durch die galvanisierte Metallisierung konnte der Einsatz von Silber um 90 % reduziert werden. Kupfer ist um ein 100-faches günstiger als Silber.

Im September 2022 folgte ein Bericht des Fraunhofer ISE zur Metallisierung bei HJT-Zellen. Auch hier ersetzt Kupfer den Rohstoff Silber. Sensationell ist der Einsatz von Aluminium bei der Maskierung. Die native Oxidschicht des Aluminiums sorgt für eine ausreichende Isolation. Die beiden Metalle Aluminium und Kupfer in der Metallisierung führen zu einer verbesserten Wiederverwertbarkeit und senken die Herstellungskosten von hocheffizienten Solarzellen.

Sowohl TOPCon- als auch HJT-Solarzellen stehen im Fokus der F&E, sodass zukünftig die Stromgestehungskosten aus diesen Solarzellen wettbewerbsfähig sind. In einer weiteren Veröffentlichung nennen die Forscher:innen aus Freiburg die nötige Differenz der Wirkungsgrade zwischen PERC und TOPCon, die zu günstigeren Stromgestehungskosten bei TOPCon Solarzellen führt. Ist der Wirkungsgrad einer TOPCon-Zelleum mindestens 0,55 % höher als der einer PERC-Solarzelle, kann von geringeren Stromgestehungskosten ausgegangen werden.

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