PERC Technologie & Vor- vs. Nachteile von passivierten Solarzellen

• Was ist PERC? PERC-Solarzellen - Passivated Emitter and Rear Cell - besitzen auf ihrer Rückseite über der Aluminiumlegierung eine dielektrische Schicht (Passivierungsschicht). Die dafür sorgt, dass langwelliges Licht in die Solarzelle zurückgeworfen wird und die frei werdenden Elektronen in Richtung Kontakt passieren können. Es wird mehr Sonnenlicht nutzbar gemacht und so erreichen PERC-Zellen einen höheren Wirkungsgrad.
• Besonderheiten der PERC-Zelle: Indem die dielektrische Schicht auf der Rückseite mithilfe von Lasern geöffnet wird und durch eine dielektrische Passivierung der Oberfläche erreichen PERC-Zellen höhere Spannungen als herkömmliche Solarzellen. Da die Ladungsträger jedoch einen weiteren Weg innerhalb des Siliziums zurücklegen müssen, steigt auch der Serienwiderstand.
• PERC-Technologie – Vor- und Nachteile: PERC-Solarzellen sind günstig und bieten eine höhere Effizienz und bessere Leistung bei schwachem Licht im Vergleich zu herkömmlichen Solarzellen. Nachteilig ist eine besondere Form der lichtinduzierten Degradation. Die LeTID tritt erst nach ca. 1000 h auf und kann zu Leistungsverlusten von bis zu 10 % führen.
• Was ist besser, PERC oder n type? Die PERC-Technologie basiert auf p-Typ-Zellen. n-Typ Solarzellen bieten eine höhere Effizienz und Langlebigkeit im Vergleich zu PERC-Zellen, sind jedoch (noch) teurer in der Herstellung. PERC-Zellen bieten eine gute Balance zwischen Kosten und Leistung, wodurch sie weit verbreitet sind.
• PERC vs bifacial: Bifaziale Module nutzen Licht von beiden Seiten, was ihren Energieertrag erhöht, besonders in reflektierenden Umgebungen. PERC-Zellen sind einfacher und kostengünstiger zu installieren, bieten aber keine zusätzlichen Ertragsvorteile durch die Rückseite.
• Wirkungsgrad PERC Solarzelle: PERC-Solarzellen haben typischerweise einen Wirkungsgrad von etwa 22 % bis 25 %, was höher ist als bei traditionellen Solarzellen. PERC-Module, die aus diesen Zellen bestehen, bieten ebenfalls eine hohe Effizienz und gute Leistung bei unterschiedlichen Lichtverhältnissen. Diese Module sind eine beliebte Wahl für kommerzielle und private Solaranlagen, da sie ein gutes Verhältnis von Kosten zu Leistung bieten.

Mit der Buchstabenfolge (ein sogenanntes Akronym) PERC werden Solarzellen gekennzeichnet, die mit einem speziellen Aufbau und daraus resultierend spezieller Technologie daherkommen. Der Aufbau von PERC-Solarzellen unterscheidet sich deutlich vom Aufbau herkömmlicher Solarzellen und bewirkt vor allem eins: eine höhere Effizienz.

Sie ergibt sich aus einer verbesserten Lichtaufnahme, die möglich wird, weil die Fertigungsweise der Solarzellenrückseite optimiert wurde.

PERC steht für Englisch: "Passivated Emitter and Rear Cell" oder "Passivated Emitter and rear Contact". Auf Deutsch: "Zelle mit passivierter Emissionselektrode und Rückseite".

Bedeutet: Eine PERC-Solarzelle kommt mit einer Rückseitenpassivierung daher. Im Zusammenhang mit der PERC-Technologie stehen auch die Technologien PERL, PERF und PERT.

Die PERC-Technologie wurde 1983 an der australischen University of New South Wales zum ersten Mal erwähnt. Eine erste wissenschaftliche Ausarbeitung dazu stammt von 1989. Seit ihrer Entwicklung im Jahr 1983 eroberte sich die PERC einen Platz als wirtschaftlich sinnvollste und effizienteste Silizium-Solarzellentechnologie. Für den Einsatz in Solarmodulen und für die Elektrizitätserzeugung in großem Maßstab, mit nahezu 90 % des globalen Solarzellenmarktes.

Eine führende Rolle bei der Entwicklung der PERC-Zelle nimmt Scientia-Professor Martin Green von der Universität Neusüdwales ein, der mit seinem Team die Qualität sowohl der Ober- als auch der Rückseite der standardmäßigen Silizium-Solarzellen verbesserte.

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Eine kristalline Solarzelle, wie sie heute Standard ist, ist von oben nach unten wie folgt aufgebaut:

• Siebdruck mit Silberpaste (Kontakte)
• Antireflex-Beschichtung
• mit Phosphor diffundierte und mit Bor dotierte Silizium-Wafer (P-N-Übergang)
• Rückseitenoberfläche aus Aluminium („Back Surface Field“), kurz: Al-BSF
• Siebdruck mit Aluminiumpaste

Die herkömmliche Solarzelle hat damit rückseitig eine Alu-Metallisierung, die einen ganzflächigen Kontakt bewirkt.

Bei einer PERC-Solarzelle dagegen erzeugt man auf der Rückseite der Zelle zunächst eine spezielle elektrische Schicht. Diese wird per Laserstrahl perforiert, so dass winzige Löcher entstehen. Auf die elektrische Schicht wird die Alu-Metallisierung aufgedampft, die somit lediglich über die mikroskopisch kleinen Löcher Kontakt mit dem Siliziumwafer hat.

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Die dank der PERC-Technologie verbesserte Lichtaufnahme (sogenannte Lichtabsorption) erhöht die gesamte Leistung der Solarzelle.

Um das zu verstehen, müssen Sie folgendes Grundlagenwissen zur Funktionsweise von Solarzellen haben: Jede herkömmliche Solarzelle besitzt zwei Siliziumschichten, die unterschiedlich gepolt sind. Diese elektrischen Polaritäten nennt man auch Basis und Emitter.

An der Grenzfläche zwischen den beiden Siliziumschichten bildet sich ein starkes elektrisches Feld. Es kann sich nähernde negativ geladene Teilchen (Elektronen) in den Emitter ziehen. Das in die Solarzelle fallende Sonnenlicht löst die Elektronen aus den Silizium-Atomen. Sie bewegen sich ungehindert durch die Zelle hindurch und erzeugen elektrischen Strom, wenn sie die Grenzfläche erreichen.

Je nach Wellenlänge des Lichts, das auf die Solarzelle auftrifft, werden die Elektronen auf verschiedenen Ebenen der geschichteten Zelle erzeugt. Blaues Licht erzeugt mit kürzeren Wellenlängen mehr Elektronen im vorderen Teil der Solarzelle, bei rotem Licht mit längeren Wellen reagieren eher auf der Rückseite Elektronen – bzw. durchdringt Rotlicht den Wafer, ohne Strom zu erzeugen.

Die PERC-Technologie erhöht den Wirkungsgrad der PERC-Solarzellen, weil die oben beschriebene elektrische Schicht das Licht wieder in die Zelle wirft (sprich: reflektiert). Es dringt bis zur Rückseite der Zelle, ohne elektrische Ladungsträger zu erzeugen. Man könnte auch sagen: Mit der PERC-Reflexion bekommen die Photonen ihre „zweite Chance“, elektrischen Strom zu erzeugen.

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Das Ganze klingt jetzt noch ziemlich trocken. Schauen wir uns an, was der Einsatz einer PERC-Solarzelle in der Praxis bedeutet:

Steht die Sonne tief am Himmel, also so, wie in unseren Breitengraden am frühen Morgen oder gegen Abend, oder ist der Himmel eher bewölkt denn klar, dann erwirtschaftet eine PERC-Solarzelle einen extra Stromertrag. Der Grund:

In den genannten Situationen absorbiert beziehungsweise streut die Atmosphäre einen größeren Anteil Blaulicht mit Wellenlängen von 450 bis 495 nm, weil der Weg der Strahlen von der Sonne bis zum Erdboden (beziehungsweise bis zum Modul auf dem Solardach) durch die Luftschichten hindurch länger ist als zur Mittagszeit, wo die Sonne steiler über dem Solardach steht (nahezu senkrechte Sonneneinstrahlung). Rotes Licht (Wellenlänge von 620 bis 750 nm) wird von der Erdatmosphäre weniger gestreut, daher sind PERC-Solarzellen, die mehr rotes Licht aufnehmen können, meist leistungsstärker.

Es gilt, dass die Fähigkeit, zu reflektieren, die die PERC-Solarzelle besitzt, selbst bei schwachem und/oder diffusem Licht mehr vom roten Licht absorbiert, als eine herkömmliche Solarzelle und daher höhere Energieerträge bringt. Die lassen sich auch beziffern:

Mit ihrer höheren Effizienz bei unterschiedlichen Wellenlängen und der erhöhten Wahrscheinlichkeit, dass Elektronen zur Leistung beitragen, liefern PERC-Solarzellen über den Tag gesehen einen höheren PV-Ertrag als herkömmliche Solarzellen. Es gilt: Der höhere Energieertrag lässt sich mit höherer Wirtschaftlichkeit der PERC-Solarzellen gleichsetzen.

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LID, die sogenannte lichtinduzierte Degradation (Englisch: Light Induced Degradation) und LeTID, die durch Licht und erhöhte Temperatur induzierte Degradation (Englisch: Light and elevated Temperature Induced Degradation) sind zwei die Modulleistung mindernde Effekte (Degradationseffekte), die vor allem im Zusammenhang mit PERC-Solarmodulen diskutiert werden.

LID-Effekte sind seit Langem bekannt und werden durch Bor-Sauerstoff-Defekte in nach dem Cz-Verfahren (Cz = Czochralski) hergestellten monokristallinen Silizium-Wafern verursacht. Das nach dem FZ-Verfahren (FZ = (Float Zone) hergestellte monokristalline Silizium enthält weniger Sauerstoff und ist daher weniger LID-anfällig, ist aber auch deutlich teurer in der Herstellung und wird daher kaum verwendet.

Einerseits sind PERC-Zellen stärker von LID betroffen, da die höheren Wirkungsgrade nicht primär durch die Zellarchitektur wie bei Standard-Alu-BSF-Technologien, sondern durch die Auswahl des Siliziummaterials bestimmt wird. Die LID-Anfälligkeit ist daher höher.

Der andere Grund ist, dass bei PERC-Zellen an beiden Seiten, auf der Frontseite und auf der Rückseite, dielektrische Schichten zur Passivierung der Oberflächen aufgebracht sind. All diese dielektrischen Schichten sind ein Reservoir für Wasserstoff. Bei PERC-Zellen kann Wasserstoff von beiden Seiten eindringen. Da Wasserstoff bei dem LeTID-Degradationsmechanismus eine negative Rolle zu spielen scheint, ist dieser in PERC-Solarzellen stärker als in den Standard-Zellen.

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