Was sind n-Typ Solarzellen?

Bei der Herstellung von Solarzellen kommt als Ausgangsmaterial derzeit hauptsächlich p-Typ Silicium zum Einsatz, obwohl n-Typ Si die besseren elektrischen Eigenschaften besitzt. Die Kombination der bereits verbreiteten Produktionsprozesse mit n-Typ Material ermöglicht neue, vielversprechende Wege für einfach herzustellende hocheffiziente Solarzellen. Hier erklären wir, welche Vorteile n-Typ-Solarzellen bieten und in welchen Anwendungen sie zum Einsatz kommen.

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 Wafer mit Bor dotiert ist, mit einem Elektron weniger als Silizium. Die Oberseite des Wafers ist dann mit Phosphor, der ein Elektron mehr hat als Silizium, negativ dotiert (n-Typ). Durch diese p-n-Verbindung wird der Stromfluss in der Zelle ermöglicht.

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 auch auf n-Typ-Solarzellen, da hiermit höhere Wirkungsgrade erzielt werden konnten.

Lange Zeit wurden kaum n-Typ-Zellen produziert, da die Herstellung schwierig ist. Das Hauptproblem stellte die Behandlung der Oberseite dar. Denn die Verfahren aus der Herstellung herkömmlicher Zellen, bei denen man zum Beispiel eine Antireflexschicht aus Siliziumnitrid erzeugt, funktionieren bei n-Typ-Zellen nicht. Aber seit Mitte der 2010er Jahre gehören n-Typ-Solarzellen zu den leistungsstärksten Zellen am Markt.

Ursächlich ist vor Allem die höhere Trägerlebensdauer, da n-Typ-Solarzellen aufgrund ihrer Phosphordotierung weniger anfällig für den sogenannten Bor-Sauerstoff-Defekt sind. Das führt auch dazu, dass sie quasi "immun" gegen lichtinduzierte Degradation sind.

Zudem sind n-Typ Solarzellen weniger anfällig für metallische Verunreinigungen des Siliziums. Denn die Änderung der Polarität führt außerdem zu einer deutlich höheren Minoritätsladungsträgerlebensdauer (hier Löcher), da der Einfangquerschnitt der meisten metallischen Verunreinigungen für Elektronen erheblich größer als für Löcher ist. Die effektive Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger übersteigt bei entsprechender Oberflächenpassivierung die Zelldicke deutlich. Dadurch muss die Ladungstrennung durch den p/n-Übergang nicht mehr an der Vorderseite erfolgen.

Dies ermöglicht Hocheffizienz-Zellkonzepte wie z.B. vollständig rückseitig kontaktierte IBC-Solarzellen (Interdigitated Back Contact), mit denen Wirkungsgrade von bis zu 25,0% bzw. in Kombination mit einem Emitter aus amorphem Silizium sogar 25,6% erreicht wurden.

Grundsätzlich unterscheidet sich der Herstellungsprozess von Ingots nicht wesentlich zwischen p-Typ und n-Typ Solarzellen. Aufgrund ihrer höheren Verbreitung machen Skaleneffekte die p-Typ-Zellen jedoch noch günstiger als n-Typ-Solarzellen. Überdies ist auch der Herstellungsprozess eines Solarmoduls mit n-Typ-Zellen aufwändiger und damit teurer als ein p-Typ-Solarmod