Wie funktioniert eine Heterojunction-Solarzelle?

Heterojunction-Zellen zeichnen sich durch einen n-leitenden Siliziumwafer aus, auf den beidseitig dünne Schichten aus dotiertem und intrinsischem, amorphen Silizium und transparente, leitfähige Oxidschichten (TCO) zur Aufnahme des erzeugten Stroms aufgebracht werden. Heteroübergangs-Technologie (engl. Heterojunction Technology, HJT) wurde vom japanischen Unternehmen Sanyo (heute: Panasonic) patentiert und schon sehr lange für die Produktion von Solarzellen eingesetzt. Nach dem Ablauf des Patentschutzes setzen nun einzelne Solarzellen-Hersteller konsequent auf die Heterojunction-Technologie. Mit diesen speziellen Heteroübergängen wollen sie durch weitergehende Optimierungen noch höhere Wirkungsgrade bei geringeren Produktionskosten erreichen.

Heterojunction, Perc oder Perowskit? Welche Solarzelle wird das Rennen im Photovoltaik-Markt der Zukunft und im Wettbewerb um die höchsten Wirkungsgrade machen?

• Heterojunction-Zellen erzielen aufgrund der hohen Lichtausbeute und der guten Passivierungseigenschaften des amorphen Siliziums Wirkungsgrade von mehr als 24 %.
• Darüber hinaus haben Heterojunction-Zellen einen deutlich niedrigeren Temperaturkoeffizienten als konventionelle Siliziumsolarzellen.
• Zudem ergeben sich auch Kostenvorteile, da Heterojunction-Solarzellen mit weniger Energie und weniger Produktionsschritte hergestellt werden können.

Von den zahlreichen Zellarten, die es gibt, sprechen Photovoltaik-Experten daher neben der Perc-Technologie der Heterojunction-Technologie mit die besten Chancen zu.

Wodurch unterscheiden sich Heterojunction-Zellen von anderen Solarzellen, vor allen Dingen von den etablierten kristallinen und Dünnschicht-Zellen?

Herkömmliche kristalline oder Dünnschicht-Zellen bestehen in der Regel aus einem einzigen Material, zum Beispiel aus poly- oder monokristallinen Wafern oder, am Beispiel des Dünnschichttyps CIGS, aus einer Kupfer-Indium-Gallium-Selen-Verbindung. Die jeweiligen Technologien haben ihre spezifischen Vorteile.

Kristalline Zellen können beispielsweise mehr direktes Sonnenlicht in Strom umwandeln, als es bei Dünnschichtzellen der Fall ist. Dünnschichtzellen hingegen haben ein besseres Schwachlichtverhalten. Das heißt, sie produzieren zu Zeiten diffusen Lichts mehr Strom, also zum Beispiel, wenn der Himmel bewölkt ist oder wenn die Solareinstrahlung durch Smog beeinträchtigt ist, aber auch morgens und abends.

Darüber hinaus zeichnen sich Dünnschichtzellen durch einen Temperaturvorteil aus, der am Temperaturkoeffizienten zu erkennen ist. Der Temperaturkoeffizient einer Solarzelle oder eines Moduls zeigt an, um wieviel die Leistung und damit auch der Wirkungsgrad pro Grad Celsius Temperaturerhöhung abnimmt. Je kleiner der Temperaturkoeffizient, desto weniger sinkt der Wirkungsgrad bei Anstieg der Temperatur. Dünnschichtzellen haben einen kleineren Temperaturkoeffizienten als kristalline Module und verlieren somit weniger Leistung bei steigender Temperatur.

Heterojunction-Solarzellen - wie u.a. die Solarzellen HIT® von Panasonic - verbinden die Vorteile beider Technologien, da sie sowohl die kristalline, als auch die Dünnschicht-Technologie enthalten. Bei Heterojunction-Solarzellen wird ein hauchdünner monokristalliner Silizium-Wafer von einer ultradünnen amorphen (= Dünnschicht) Siliziumschicht umhüllt. Panasonic verwendet als einer von sehr wenigen Modulherstellern zudem n-type-Wafer. Herkömmliche monokristalline Wafer basieren auf p-type, Panasonic nutzt n-type, da sie reiner sind.

Die Heterojunction-Solarzelle, die 2014 im Rahmen des Projekts "Swiss Inno HJT" hergestellt wurde, hat wie die klassische Solarzelle als Kern einen Wafer aus kristallinem Silizium. Bei der Heterojunction-Solarzelle des schweizer Konsortiums kommt stattdessen das PECVD-Verfahren zur Anwendung, mit dem auf der Ober- und Unterseite des Wafers jeweils zwei Schichten aufgebracht werden:

Auf der Ober- und Unterseite wird zuerst jeweils eine Schicht aus amorphem Silizium, die den Zweck haben, die Zelle zu passivieren (d.h. den Verlust freier Ladungsträger zu reduzieren) und damit ihren Wirkungsgrad zu erhöhen. Die zweite Schicht besteht dann an der Oberseite aus einer Silizium-Bor-Legierung, die der p-Dotierung dient, an der Unterseite aus einer Silizium-Phosphor-Legierung für die n-Dotierung.

Bei der Triple-Junction-Compound-Technologie sind drei Photo-Absorptionsschichten übereinandergeschichtet. Mit dieser Technologie ist es u.a. Sharp 2013 gelungen, den Wirkungsgrad, mit dem die Zelle Sonnenlicht in seinen verschiedenen Wellenlängen absorbiert, auf 37,9 Prozent zu erhöhen. Damit wird der weltweit höchste Wirkungsgrad der Solarzellenkonversion für die Triple-Junction-Technologie erreicht. Das mit nur 33 Gramm sehr leichte und flexible Modul kann um einen Durchmesser von ca. 5 Zentimeter gebogen werden. Damit ist es die ideale Lösung für Spezialanwendungen wie Satelliten, Flugzeuge und Autos. Der Zellwirkungsgrad des Moduls beträgt 34-35 Prozent im terrestrischen Licht (AM 1,5) und 30-31 Prozent im Weltall (AM0).

Im ersten Schritt der Herstellung von Solarzellen mit Heteroübergängen wird innerhalb der Wafer-Fertigung der hochreine monokristalline Silizium-Ingot mit Diamantdrahtsägen in Silizium-Wafer geschnitten, die dünner als eine Postkarte sind. Jeder geschnittene Wafer wird zu einem Substrat für Heterojunction-Zellen.

Im zweiten Schritt werden die Wafer hergestellt. Die Silizium-Wafer werden von Verunreinigungen befreit und texturiert. Amorphe Siliziumschichten bilden dann die Heterojunctions (Heteroübergänge). Transparente Elektrodenschichten und ladungssammelnde Gitterelektroden werden gebildet und ergeben so Heterojunction-Zellen mit den höchsten Energieerträgen.

Anschließend werden Leistung, Aussehen und weitere Eigenschaften jeder einzelnen Zelle überprüft.

Während der kristalline Wafer im Kern der Zelle viel Solarstrom produziert, reduziert die amorphe Schicht auf der Oberfläche den Elektronenverlust. Heterojunction-Zellen erreichen so überdurchschnittlich hohe Zellwirkungsgrade - z.B. HIT® von Panasonic 22 %.

Branchenführend ist auch der im Labor erzielte Zellwirkungsgrad. Er lag 2014 bereits bei 25,6 %. Gleiches gilt für Heterojunction-Module. Das Panasonic-Modul mit der höchsten Effizienz ist das Modell HIT® N335. Bei einer Leistung von 335 Watt hat es einen Modulwirkungsgrad von 20 %.

Die Heterojunction-Solarzelle des schweizer des "Swiss Inno HJT"-Projekts arbeitet ebenfalls wie die klassische Siliziumzelle auf der Basis eines Wafers aus kristallinem Silizium, sie erzielt aber dank der zusätzlichen Verwendung von nicht-kristallinen Siliziums einen höheren Wirkungsgrad. Dank ihrer Konstruktionsweise sinkt die Stromproduktion von HJT-Zellen bei hohen Umgebungstemperaturen auch weniger stark als bei Standardzellen. So beträgt der Temperaturkoeffizient bei den HJT-Zellen -0,20%/Grad gegenüber -0,48%/Grad bei der Standardtechnologie.

Solarzellen mit Heteroübergängen bestechen zunächst einmal dadurch, dass durch eine exzellente Oberflächenpassivierung eine sehr hohe Spannung erreicht wird. Die monokristallinen Wafer werden chemisch poliert und laufend verbessert. Dadurch gehen deutlich weniger Elektronen verloren, als es bei monokristallinen Zellen mit raueren Oberflächen der Fall ist.

Auch die Verbindung von zwei Silizium-Arten (monokristallin und amorph) in den Heterojunction-Zellen ist von Vorteil – zum Beispiel im Vergleich zu einer Silizium-Metall-Verbindung.

Einen positiven Effekt hat auch die höhere Leerlaufspannung von Heterojunction-Zellen. Eine höhere Leerlaufspannung bewirkt, dass der Wechselrichter früher aktiviert wird. Dadurch wird früher Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt. So wird der Solarstromertrag gesteigert und die maximale Leistung des Moduls (Pmax) verbessert.

Durch eine kontinuierliche Verbesserung der bestehenden Zelleigenschaften wird davon ausgegangen, dass der Wirkungsgrad von Zellen mit Heteroübergängen in Zukunft weiter gesteigert werden kann. Wie oben bereits erwähnt, lag der Laborwert für den Zellwirkungsgrad 2014 schon bei 25,6 %. In der Praxis werden zukünftig Module erhältlich sein, die einen Zellwirkungsgrad von über 25 % aufweisen.

Optimierungspotenzial von Solarzellen mit Heteroübergängen besteht in folgenden Bereichen:

Anmerkung: Panasonic hat 2021 angekündigt, die eigene Wafer-, Zell- und Modulproduktion zum Ende 2022 einzustellen. Als Technologie-Führer wurde Panasonic von Meyer Burger abgelöst, die Heterojunction-Solarmodule und -Solarzellen in Freiberg in Deutschland fertigen.