Wie funktioniert eine Heterojunction-Solarzelle?

• Was bedeutet Heterojunction? Die HJT-Solarzelle ist eine Kombination aus einem kristallinen Silizium-Wafer und einer Dünnschichtzelle aus amorphem Silizium. Während in normalen Solarzellen das gleiche Halbleitermaterial unterschiedlich dotiert wird, um einen pn-Übergang zu erzeugen, entsteht dieser bei der HJT-Solarzelle zwischen zwei unterschiedlichen Halbleitermaterialien. Wegen dieser Struktur spricht man von einem Heteroübergang (engl. heterojunction).
• Heterojunction-Zellen Struktur: HTJ-Module zeichnen sich durch einen n-leitenden Siliziumwafer aus. Auf diesen trägt man beidseitig dünne Schichten aus dotiertem, intrinsischem amorphem Silizium auf. Es folgen transparente, leitfähige Oxidschichten (TCO) zur Aufnahme des erzeugten Stroms (Schichten-Aufbau und Struktur s.u.).
• Vorteile HJT Solarzellen: Gegenüber den kristallinen Solarzellen zeichnet sich die HJT-Zelle durch eine höhere Energieausbeute bei hohen Temperaturen und durch Nutzung eines breiteren Strahlungsspektrums aus. Die für amorphe Dünnschichtzellen charakteristische Verschlechterung des Wirkungsgrades durch lichtinduzierte Alterung tritt nicht auf. Durch einen deutlich niedrigeren Temperaturkoeffizienten sinkt ihre Leistung nur um rund 0,26 % je Grad Celsius Temperaturerhöhung.
• Wirkungsgrad HJT Module: Durch die hohe Lichtausbeute und gute Passivierungseigenschaften des amorphen Siliziums erzielen HJT Module Wirkungsgrade von mehr als 24 %.
• HJT, Perc oder Perowskit? Heterojunction-Solarmodule können mit weniger Energie und weniger Produktionsschritte hergestellt werden. Ein deutlicher Vorteil der HJT Module: Sie sind dadurch günstiger. Von den zahlreichen innovativen Zellarten sprechen Photovoltaik-Experten daher neben der PERC-Technologie der HJT die besten Chancen am Markt zu.
• HJT-Module kaufen: Die Heteroübergangs-Technologie wurde vom japanischen Unternehmen Sanyo, heute: Panasonic patentiert. Nach dem Ablauf des Patentschutzes stellen neben Panasonic heute mehr als 100 Solarzellen-Hersteller wie Ailepu, CSI Solar, Risen Energy, Huasun, Akcome oder der ehemals deutsche Hersteller Meyer Burger Solarzellen auf Basis der HJT-Technologie her.

HJT unterscheidet sich von anderen Solarzellen - vor allen Dingen von den etablierten kristallinen und Dünnschicht-Zellen:

Herkömmliche Solarzellen bestehen aus einem einzigen Material. Zum Beispiel aus poly- oder monokristallinen Wafern oder einer Kupfer-Indium-Gallium-Selen-Verbindung beim Dünnschichttyps CIGS. 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.

2014 wurde im Rahmen des Projekts "Swiss Inno HJT" eine Heterojunction-Zelle hergestellt, die eine klassische Solarzelle als Kern und einen Wafer aus kristallinem Silizium hatte. Bei der HJT-Solarzelle des schweizer Konsortiums kommt nun aber 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 aufgebracht. Diese hat den Zweck, 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 übereinander geschichtet. Mit dieser Technologie ist es u. a. Sharp 2013 gelungen, den Wirkungsgrad dank Sonnenlicht-Absorption in verschiedenen Wellenlängen auf 37,9 Prozent zu erhöhen. Damit wurde der weltweit höchste Wirkungsgrad der Solarzellen-Konversion 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).

Die meisten Hersteller nutzen heute die folgende Struktur bzw. Aufbau einer Heterojunction-Zelle:

• Ein monokristalliner Wafer bildet den Kern der HJT-Zelle. Er wird beidseitig dünn mit amorphem Silizium beschichtet, die durch eine undotierte i-Schicht (engl. intrinsic thin-layer) aus amorphem Silizium passiviert werden.
• Auf der Vorderseite wird eine p-dotierte amorphe Siliziumschicht abgeschieden, die mit dem n-dotierten monokristallinen Wafer den pn-Übergang bildet. Die amorphe p/i-Schicht und der n-dotierte Wafer ergeben dann eine pin-Struktur.
• Die Wafer-Rückseite wird mit stark n-dotiertem amorphem Silizium beschichtet, um zu verhindern, dass freie Ladungsträger an der Rückseitenelektrode rekombinieren.
• An den Zelloberflächen minimieren die Antireflexschicht und die Texturierung des Wafers die Reflexionsverluste.

1. 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. Diese sind dünner als eine Postkarte. Jeder geschnittene Wafer wird zu einem Substrat für HJT-Zellen.
2. Im zweiten Schritt werden die Wafer hergestellt. Dazu wird das Silizium von Verunreinigungen befreit und texturiert. Amorphe Siliziumschichten bilden dann die Heterojunctions (Heteroübergänge). Transparente Elektrodenschichten und ladungssammelnde Gitterelektroden werden gebildet und ergeben so HJT-Zellen mit den höchsten Energieerträgen.
3. 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.

So lag der im Labor erzielte Zellwirkungsgrad für Heterojunction bereits 2014 bei 25,6 %. Gleiches gilt für HJT-Module: Eines der ersten HJT-Module von Panasonic, das Modell HIT N335, erreichte bereits sehr früh bei einer Leistung von 335 Watt 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.