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PERC-Solarzelle: Rückseitenpassivierung, Effizienz und Degradation

Was ist eine PERC-Solarzelle? Wie unterscheidet sie sich von einer herkömmlichen Solarzelle? Welche Vorteile, welche Nachteile haben sie? Wo kommen PERC-Zellen sinnvoll zum Einsatz?

  • Solarzellen mit PERC-Technologie ("Passivated Emitter and Rear Cell") ermöglichen eine verbesserte Lichtausbeute im hinteren Bereich der Zelle, die wiederum die Elektronenausbeute erhöht.
  • Bei der Rückseitenpassivierung wird eine dielektrische Schicht auf die Rückseite aufgebracht und per Laser perforiert. Die danach aufgedampfte Aluminium-Metallisierung hat dann nur über die Löcher Kontakt mit dem Siliziumwafer.
  • Die PERC-Technologie erhöht den Zell-Wirkungsgrad, weil die Rückseitenpassivierung das Licht wieder in die Zelle reflektiert, das bis zur Rückseite der Zelle durchdringt, ohne elektrische Ladungsträger zu erzeugen.
  • 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.
  • PERC-Zellen weisen eine erhöhte lichtinduzierte Degradation (LID) auf. Kommen sie zum ersten Mal in Kontakt mit Licht verlieren sie einen größeren Anteil ihrer Leistung als herkömmliche Zellen.

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PERC – (k)eine neue Technologie für hocheffiziente Solarzellen

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 von dem 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.

Polykristallines BiSTAR-Modul mit PERC-Solarzellen (Foto: Talesun)
Polykristallines BiSTAR-Modul mit PERC-Solarzellen (Foto: Talesun)

PERC steht für den englischen Ausdruck „Passivated Emitter and Rear Cell“ beziehungsweise „Passivated Emitter and rear Contact“, auf Deutsch: Zelle mit passivierter Emissionselektrode und Rückseite“. Anders ausgedrückt: 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.

Im Vergleich: Aufbau PERC-Solarzelle vs. Aufbau herkömmliche Solarzelle

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.

Funktionsweise des PERC-Effekts

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 vermag, sich ihm nähernde negativ geladene Teilchen (sogenannte Elektronen) in den Emitter zu ziehen. Das in die Solarzelle fallende Sonnenlicht löst die Elektronen aus den Siliziumatomen. Sie bewegen sich ungehindert durch die Zelle hindurch und erzeugen elektrischen Strom, wenn sie die Grenzfläche erreichen.

Die 2019 erschienenen monokristallinen Silizium-Module von Sharp sind alle mit der Hocheffizienztechnologie PERC (Passivated Emitter Rear Cell). (Bild: Sharp)
Die 2019 erschienenen monokristallinen Silizium-Module von Sharp (NU-AH370: 370 Watt, 72 Zellen; NU-AK310: 310 Watt, 60 Zellen; NU-AK300B: 300 Watt, 60 Zellen, komplett schwarz) sind alle mit der Hocheffizienztechnologie PERC (Passivated Emitter Rear Cell) ausgestattet und erreichen einen besonders hohen Wirkungsgrad von 19,1 Prozent. (Bild: Sharp)

Je nachdem, mit welcher Wellenlänge Licht auf die Solarzelle auftrifft, werden die Elektronen auf verschiedenen Ebenen der geschichteten Zelle erzeugt. Während blaues Licht mit kürzeren Wellenlängen mehr Elektronen im vorderen Teil der Solarzelle erzeugt, entstehen beim Auftreffen von rotem Licht mit längeren Wellen eher auf der Rückseite Elektronen beziehungsweise 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), das bis zur Rückseite der Zelle durchdringt, ohne elektrische Ladungsträger zu erzeugen. Man könnte auch sagen: Mit der PERC-Reflexion bekommen die Photonen ihre „zweite Chance“, elektrischen Strom zu erzeugen.

Expertenwissen: Zugleich ergibt sich ein nützlicher Nebeneffekt der PERC-Technologie: Weil Licht mit einer Wellenlänge von mehr als 1.180 Nanometern (nm) nicht von den Siliziumwafern absorbiert wird, geschieht dies nur an der Rückseitenmetallisierung. Ein Vorgang, bei dem Wärme entsteht, die die Temperatur der Solarzellen steigert und ihren Wirkungsgrad senkt. Anders ist es bei einer Solarzelle mit einer PERC-Schicht: Sie wirft das Licht durch die Zelle und aus dem Modul hinaus zurück, so dass die Aluminium-Metallisierung weniger erhitzt und die PERC-Solarzelle kühler bleibt. Eine niedrigere Betriebstemperatur der PERC-Solarzelle wirkt sich daher positiv auf den Energieertrag der Solarzelle aus.

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Effizienzgewinne am Morgen und Abend

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:

Solarmodulen mit 60 PERC-Solarzellen liefern unter standardisierten Messbedingungen vier Wattpeak (Wp) mehr Leistung als Standardmodule. Eine andere Quelle beziffert den absoluten Effizienzgewinn einer PERC-Solarzelle auf ein Prozent.

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.

Degradation von PERC-Solarzellen

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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"PERC-Zelle: Passivierung, Effizienz & Degradation" wurde am 03.07.2019 das letzte Mal aktualisiert.