PERC-Solarzellen verbessern die Zelleffizienz und haben einen höheren Wirkungsgrad als Standard-PV-Module.
Seit ihrer Entwicklung im Jahr 1983 hat sich die PERC zur wirtschaftlichsten und effizientesten Silizium-Solarzellentechnologie für den Einsatz in Solarmodulen und für die Stromerzeugung in großem Maßstab entwickelt und macht fast 90 % des weltweiten Solarzellenmarktes aus. Die PERC-Technologie hat dazu beigetragen, den Umwandlungswirkungsgrad von Standard-Solarzellen relativ gesehen um über 50 % zu steigern, von 16,5 % in den frühen 1980er Jahren auf 25 % in den frühen 2000er Jahren.
Bevor man PERC verstehen kann, ist es wichtig, die grundlegende Struktur eines Solarmoduls zu kennen. Man könnte meinen, dass Solarmodule nichts anderes sind als winzige, miteinander verbundene Solarzellen. Aber das ist nicht ganz richtig. In jedem Modul befindet sich zunächst eine Glasschicht auf der Oberseite, unter der sich das Verkapselungsmaterial befindet, das als Isolator wirkt und verhindert, dass der Strom in die falsche Richtung fließt. Darunter befindet sich die Schicht mit den Solarzellen. Und nach einer weiteren Verkapselungsschicht folgt schließlich die Rückwand. Solarzellen absorbieren die im Sonnenlicht enthaltenen Photonen, um die Bewegung der Elektronen (Strom) in Gang zu setzen. Einige Photonen durchdringen jedoch aufgrund ihrer hohen Wellenlänge die Solarzelle und treffen stattdessen auf die Rückseitenfolie. Die Elemente, die zur Stromerzeugung verwendet worden wären, werden so verschwendet. Außerdem beginnt sich die Rückseitenfolie zu erwärmen, wodurch sich die Temperatur des Moduls erhöht. Das Ergebnis? Geringe Stromerzeugung!
Standard-Solarzelle.
Eine Standard-Solarzelle besteht aus zwei Siliziumschichten, die aufgrund ihres negativen und positiven Ladungsverhaltens allgemein als "n-Typ" und "p-Typ" bezeichnet werden. Ein Solarmodul erzeugt Strom, wenn das Sonnenlicht auf die Solarzellen trifft und Elektronen aus der n-Typ-Schicht herausschlägt, während die p-Typ-Schicht sie aufnimmt, wodurch ein elektrisches Feld entsteht. Die meisten Siliziummodule haben Schichten, die helfen, Verluste zu vermeiden. Die vordere Schicht verringert die Reflexionsverluste und verhindert, dass Elektronen an der Vorderkante verloren gehen. Das rückwärtige Oberflächenfeld stößt Elektronen ab, wodurch die Anzahl der Elektronen, die es bis zum hinteren Kontakt schaffen, verringert wird.
Bei Standardtypen von Solarmodulen unterscheidet man zwischen Monokristallin und Polykristallin. Monokristallin bedeutet: Jede Siliziumzelle ist ein Einkristall und hat einen Wirkungsgrad von 20 bis 24 %. Polykristallin: Hier besteht die Siliziumzelle aus einer Vielzahl von Kristallen, die alle zusammen gequetscht sind und einen Wirkungsgrad von 15 bis 19 % haben. Das clevere Design der PERC-Solarzellen erhöht den Wirkungsgrad um etwa 1 %, wodurch 5 % mehr Strom erzeugt wird.
Stromerzeugung in der Standard-Solarzelle.
Die wichtigste Komponente zur Erzeugung von Solarstrom ist der dotierte Halbleiter oder P-N-Übergang, der aus einer N-dotierten Schicht, die negativ geladen ist und zusätzliche Elektronen enthält, und einer P-dotierten Schicht besteht, die positiv geladen ist und daher Löcher (fehlende Elektronen) aufweist. Der P-N-Übergang ist die Hauptstruktur, die in der Zelle Solarenergie erzeugt. Wenn der P-N-Übergang oder das photovoltaische Material von einem Photon getroffen wird, wird das Elektron im Halbleiter angeregt. Das Elektron wird dann in das Leitungsband verschoben, wodurch ein Elektron-Loch-Paar (e-h) entsteht. Nachdem das Elektronen-Loch-Paar entstanden ist, geht das Elektron normalerweise zum vorderen Kontakt und das Loch zur P-dotierten Schicht. Während dieses Vorgangs fließt das Elektron durch die Last, wodurch der elektrische Stromfluss entsteht. Nachdem das Elektron durch den Rückkontakt in die Solarzelle zurückgekehrt ist, rekombiniert es mit einem Loch, wodurch der Stromfluss für dieses Paar beendet wird. Dieser Prozess findet ständig statt, wenn Photonen auf die Oberfläche der Solarzellen treffen.
Während die Rekombination des e-h-Paares unter den oben genannten Umständen der reguläre Prozess ist, der bei herkömmlichen Solarzellen einen elektrischen Strom erzeugt, gibt es auch eine andere Art der Rekombination, die so genannte Oberflächenrekombination, die bei der herkömmlichen kristallinen Siliziumtechnologie Verluste verursacht. Der Prozess der Oberflächenrekombination tritt auf, wenn sich ein Loch mit einem angeregten Elektron verbindet, das nicht durch den Kontakt gegangen ist. Dieser Rekombinationsprozess führt zu einem geringeren Wirkungsgrad der Solarzelle, da sich das Elektronen-Elektronen-Paar verbindet, ohne einen elektrischen Strom oder Solarstrom zu erzeugen.
Zusätzlich zur Rekombination an der Oberfläche können herkömmliche kristalline Silizium-Solarzellen Verluste aufgrund der mangelnden Effizienz beim Einfangen des Lichts, der Reflexion durch die Solarzelle selbst und der teilweisen Abschattung durch Materialien im Modul verursachen. Um die Effizienzverluste zu verringern, haben Forscher in der Solarindustrie die PERC-Solarzelle entwickelt. Die PERC-Technologie wurde erstmals 1983 an der Universität von New South Wales beschrieben, aber erst 1989 offiziell in einem Papier registriert. Die PERC-Solarzelle ermöglichte es schließlich, dass PV-Module den Wirkungsgrad von 20 % überschreiten, der in der Branche seit einigen Jahren die Norm ist.
Aufbau der PERC-Solarzelle.
Die PERC-Solarzellentechnologie umfasst eine dielektrische Oberflächenpassivierung, welche die Rekombination der Elektronen an der Oberfläche verringert. Gleichzeitig reduziert die PERC-Solarzelle die Kontaktfläche zwischen Halbleiter und Metall und erhöht die Rückseitenreflexion, indem sie einen dielektrisch versetzten Rückseitenmetallreflektor enthält. Dies ermöglicht die Absorption von Photonen beim Eintritt in die Zelle und beim Austritt aus der Zelle und verringert die Wärmeabsorption.
Grundsätzlich haben PERC-Solarmodule einen höheren Wirkungsgrad als Standard-PV-Module, was auf das Design der Solarzellen in ihnen zurückzuführen ist. Denn Solarmodule, die mit PERC-Zellen gebaut werden, haben eine zusätzliche Schicht auf der Rückseite, die bei herkömmlichen Solarzellen nicht vorhanden ist. Durch diese zusätzliche Schicht kann mehr Sonnenlicht eingefangen und in Strom umgewandelt werden, wodurch PERC-Zellen effizienter sind als herkömmliche Zellen. Außerdem sind PERC-Module in der Lage, die rückwärtige Rekombination abzuschwächen und zu verhindern, dass längere Wellenlängen zu Wärme werden, welche die Leistung der Zelle beeinträchtigen würde.
Wie funktioniert eine PERC-Zelle?
Bei der PERC-Technologie wird eine Passivierungsschicht auf der Rückseite der Solarzelle angebracht. Diese Schicht vermindert die Elektronenrekombination. Durch die Verringerung der Rekombination von Elektronen erhöht die PERC-Technologie die aus dem Sonnenlicht umgewandelte Energiemenge, was zu einem höheren Gesamtwirkungsgrad führt. Die dielektrische Passivierungsschicht trägt zur Steigerung des Wirkungsgrades bei durch:
Verringerung der Elektronenrekombination.
Die Elektronenrekombination blockiert den freien Fluss der Elektronen durch die Zelle, was den Wirkungsgrad verringert. Das Hinzufügen einer Passivierungsschicht auf der Rückseite verringert die "Elektronenrekombination" in der Solarzelle. Vereinfacht ausgedrückt ist die Elektronenrekombination die Tendenz der Elektronen, sich zu rekombinieren, wodurch die freie Bewegung der Elektronen durch die Solarzelle blockiert wird. Diese Hemmung der freien Elektronenbewegung führt zu einem nicht optimalen Wirkungsgrad der Zelle. In einer PERC-Solarzelle wird die Elektronenrekombination reduziert, um den Wirkungsgrad zu erhöhen.
Erhöhung der Fähigkeit der Solarzelle, Licht einzufangen.
Die Passivierungsschicht reflektiert nicht absorbiertes Licht zurück in die Solarzelle für einen zweiten Absorptionsversuch, um zusätzliche Energie zu erzeugen, wodurch die Zellen effizienter werden. Diese Reflexion des Lichts bedeutet, dass mehr einfallende Sonnenstrahlung von der Siliziumzelle absorbiert wird, wodurch die Zelle effizienter wird.
Reflektieren bestimmter Wellenlängen.
PERC-Zelle können Wellenlängen, die normalerweise Wärme erzeugen, anders umwandeln. Bei Standardzellen absorbiert die hintere Schicht der Solarzelle bestimmte Wellenlängen, indem sie Wärme staut und den Wirkungsgrad verringert. Ein Siliziumplättchen in einer Solarzelle kann nur Licht mit einer Wellenlänge von bis zu 1180 Nanometern (nm) absorbieren, und Lichtwellen mit höherer Wellenlänge durchdringen das Silizium und werden von der Metallrückwand des Solarmoduls absorbiert, wodurch Wärme entsteht. Wenn Solarzellen erhitzt sind, arbeiten sie mit einem geringeren Wirkungsgrad. Die Passivierungsschicht auf der Rückseite von PERC-Solarzellen ist so konzipiert, dass sie Licht mit einer Wellenlänge über 1180 nm reflektiert, wodurch die Wärmeenergie in der Solarzelle reduziert und der Wirkungsgrad folglich erhöht wird.
Die Struktur einer PERC-Solarzelle von vorne nach hinten:
- Siebgedruckter
Silberpasten-Frontkontakt;
- Antireflexionsbeschichtung
(ARC);
- Silizium-Wafer,
die den P-N-Übergang bilden;
- Lokales
Aluminium-Back-Surface-Field (Al-BSF);
- Dielektrische
Passivierungsschicht;
- SiNx-Deckschicht;
und
- Siebgedruckte
Aluminiumpastenschicht
Arten von PERC-Solarmodulen.
Polykristalline
PERC-Solarmodule.
Polykristalline PV-Zellen werden aus Silizium hergestellt, das aus vielen zusammengepressten Kristallen besteht. Die Tatsache, dass die Kristalle nicht getrennt sind, bedeutet, dass der Herstellungsprozess viel schneller und einfacher ist als der von Monopaneelen. Das bedeutet zwar, dass sie nicht so effizient sind wie sie sein könnten, aber sie sind billiger und eine ausgezeichnete Wahl, wenn Sie viel Platz für eine Anlage haben. Die PERC-Technologie erhöht den Wirkungsgrad und die Kosten von polykristallinen Modulen, weshalb sie nicht so beliebt sind wie MONO-Perc-Module.
Monokristalline PERC-Solarmodule.
Die monokristallinen PV-Zellen werden aus einem einzigen Kristall aus reinem Silizium hergestellt, was den Modulen einen kühlen schwarzen Farbton verleiht. Monokristalline Paneele sind wesentlich effizienter als polykristalline Modelle, kosten aber aufgrund der Herstellung der Einkristalle auch mehr. Wird ein monokristallines Modul mit der PREC-Technologie ausgestattet, erhöht sich sein Wirkungsgrad noch weiter. Da eine höhere Solarstromleistung der Heilige Gral der Branche ist, ist die effizientere monokristalline PERC-Zelle der bevorzugte Standard für die meisten neuen PV-Anlagen.
Vorteile von PERC-Solarmodulen.
Besserer Wirkungsgrad.
PERC-Paneele haben einen um 1 % höheren Wirkungsgrad als herkömmliche Paneele. Wenn man bedenkt, dass die Sonne potenziell 1380 W pro Quadratmeter erzeugt, ist das eine Menge Energie. Genau genommen 5 % mehr Strom. Mit der PERC-Technologie erreichen Solarmodule einen Wirkungsgrad, der mühelos die 20 %-Grenze übersteigt. Dieser Durchbruch sorgt für eine strahlende Umwandlung von Sonnenlicht in reichlich nutzbare Elektrizität, so dass die Paneele ihr volles Potenzial entfalten und die Energieausbeute vergrößern können. Die PERC-Technologie widersetzt sich entschieden den Launen der Temperatur und trotzt den Beschränkungen herkömmlicher Solarzellen. Selbst in schwülen Klimazonen bleibt sie unerschütterlich und bewahrt ihre hohen Wirkungsgrade mit unerschütterlicher Stärke.
Verbesserte Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen.
Im Bereich der Schwachlichtbedingungen ist die PERC-Technologie unübertroffen und offenbart ihre unvergleichliche Leistung. Wie eine unerschütterliche Leuchte inmitten von Wolken und Schatten verschafft sie Solarmodulen einen bemerkenswerten Vorteil in Regionen, in denen es kaum direktes Sonnenlicht gibt, oder an trüben, bewölkten Tagen. Durch sein ausgeklügeltes Design öffnet es die Tür zu einer höheren Effizienz und ebnet den Weg für eine optimale Energieerzeugung.
Weniger Solarmodule nötig.
Mehr Effizienz bedeutet, dass weniger Paneele pro Quadratmeter benötigt werden. PERC-Paneele eigenen sich perfekt für Haussolaranlagen, bei denen die Paneele auf dem Dach montiert werden. Die Eigenschaften der PERC-Zellen führen zu einer höheren Energiedichte und Stromerzeugung.
PERC-Paneele sind gut bei extremen Bedingungen.
Solarmodule funktionieren bei extremer Hitze normalerweise nicht so gut, denn je heißer ein Modul wird, desto widerstandsfähiger wird es. PERC-Paneele reflektieren einen großen Teil der Lichtenergie zurück in die Solarzelle, anstatt sie in Wärme umzuwandeln. Dadurch bleibt das Modul kühler und verliert nicht so schnell an Effizienz. PERC-Paneele fangen auch einen größeren Teil des Lichtspektrums ein, so dass sie auch bei schwachem Licht gut funktionieren. Diese beeindruckende Eigenschaft sorgt für einen ununterbrochenen Stromfluss und macht sie zu einem unverzichtbaren Aktivposten in wärmeren Regionen, wo die feurige Umarmung der Sonne ein ständiger Begleiter ist.
Kosteneffizienz.
Die PERC-Technologie ist eine Sinfonie aus Spitzeninnovation und kostenbewusster Technik und hat sich zu einer exquisiten Verkörperung der Erschwinglichkeit entwickelt. In der sich ständig weiterentwickelnden Solarlandschaft wurde ihr Aufstieg von einer harmonischen Verbindung von fortschrittlichen Funktionen und kostengünstiger Wettbewerbsfähigkeit begleitet. Ihre Popularität verbreitet sich wie ein Lauffeuer und macht die PERC-Technologie zu einer unwiderstehlichen Wahl für private und gewerbliche Solaranlagen. Eine höhere Energiedichte senkt die lokalen Stromkosten für das System. Durch die Nutzung von PERC-Zellen kann eine schnellere Kapitalrendite erzielt werden.
Nachteile von PERC-Solarmodulen.
Höhere Preise.
Die Konstruktion einer PERC-Zelle ist sehr viel aufwändiger als die einer normalen Solarzelle, was natürlich zu höheren Arbeits- und Materialkosten führt. Diese Kosten werden durch die Einsparungen, die durch die Erzeugung von mehr Strom erzielt werden, aufgefangen, aber sie machen die anfänglichen Ausgaben ein wenig höher.
Da PERC-Solarzellen eine Abwandlung herkömmlicher Zellen sind, können sie mit denselben Anlagen hergestellt werden. Das macht es den Herstellern leicht, die Zellen mit höherem Wirkungsgrad zu verändern und zu produzieren. Mit den effizienteren Zellen werden im Vergleich zu einem herkömmlichen Panel weniger Panels benötigt, um die gleiche Menge an Strom zu erzeugen. Diese Änderung schafft jedoch eine Schwachstelle in der Technologie. Die meisten PERC-Solarmodule sind von Metallstreifen oder -bändern durchzogen. Wenn diese Streifen reißen oder sich lösen, ist es wahrscheinlicher, dass sie die Fähigkeit zur Stromerzeugung verlieren.
Verfügbarkeit.
PREC-Paneele sind noch nicht die "Norm", so dass sie für den Verbraucher nicht immer verfügbar sind. Allerdings werden sie immer beliebter, so dass die Preise sinken und die Verfügbarkeit steigen wird.
Forschung.
Forscher suchen ständig nach neuen Wegen zur Steigerung der Moduleffizienz. PERC ist eine solche Innovation, welche die Herausforderungen herkömmlicher Solarmodule lösen und die Stromerzeugung verbessern soll. Passivierende Kontakte werden in letzter Zeit als ein überlegener Ansatz für ladungsträgerselektive Kontakte für hocheffiziente Silizium-Photovoltaikgeräte angesehen. Die Umwandlungswirkungsgrade der passivierten Emitter- und Rückseitenzellen (PERC) auf Siliziumbasis sind jedoch durch Kontaktrekombinationsverluste begrenzt, die ihre Leistung verringern.
Herstellung von PERC-Modulen.
PERC-Solarmodule ähneln strukturell den anderen Siliziummodulen auf dem Markt, was für die Hersteller einen deutlichen Vorteil darstellt. Obwohl zusätzliche Kosten bei der Herstellung der Passivierungs- und Rückseitenkontakt-Deckschichten anfallen, können die Modulhersteller die vorhandenen Produktionsanlagen mit minimalem Umrüstungsaufwand weiterverwenden. Dadurch sind die PERC-Herstellungskosten mit denen der konventionellen Siliziumzellenproduktion vergleichbar. Obwohl PERC-Paneele nach wie vor etwas teurer sind, werden diese Kosten größtenteils durch die höheren Effizienzgewinne ausgeglichen, die dem Endverbraucher höhere Einsparungen bei der Stromrechnung und beim Kohlenstoffausgleich ermöglichen. Und da die Technologie dank Skaleneffekten und Forschung und Entwicklung weiter ausgereift ist, werden PERC-Zellen wahrscheinlich auch in Zukunft von noch größeren Effizienzgewinnen und Kostensenkungen profitieren.
Was sind die Anwendungen und Aussichten der PERC-Technologie?
Die PERC-Technologie findet in einem breiten Spektrum von Solarenergiesystemen Anwendung. Von großen Solarfarmen bis hin zu Aufdachanlagen eignet sie sich aufgrund ihrer verbesserten Effizienz und Anpassungsfähigkeit für die verschiedensten Einsatzbereiche. Darüber hinaus konzentrieren sich die laufenden Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf die Verbesserung der PERC-Technologie mit dem Ziel, den Wirkungsgrad zu erhöhen, die Produktionskosten zu senken und die Gesamtleistung zu verbessern. Wie andere hocheffiziente Module kann man PERC-Module verwenden, um die Produktion auf einer begrenzten Dachfläche zu maximieren. Wenn es also teilweise verschattete kleine Dachflächen gibt, sind PERC-Module eine gute Option. Mit dem Aufkommen der PERC-Solarmodule können Hausbesitzer und Energieversorger davon profitieren, dass sie weniger Platz benötigen, weniger Installationskomponenten benötigen und PV-Module mit höherer Leistung und unendlich vielen Anwendungsmöglichkeiten einsetzen können.
Vergleich mit der Interdigitated Back Contact (IBC) und die Bifacial Solar Cell (BSC) Technologie.
PERC ist nur eine der verfügbaren Technologien zur Verbesserung der Effizienz und der Anwendungsmöglichkeiten von Solarmodulen. Es gibt noch andere fortschrittliche Technologien wie die Interdigitated Back Contact (IBC) und die Bifacial Solar Cell (BSC) Technologie. Hersteller können eine der beiden Technologien verwenden oder sogar PERC mit IBC oder BSC kombinieren.
PERC-Paneele im Vergleich zu IBC-Solarzellen.
Eine interessante Verbesserung der Solarzellen ist die Einführung der Interdigitated Back Contact-Technologie. Die meisten Zellen (auch PERC) haben auf der Vorderseite einen dünnen Streifen von Leitern, die so genannten Busbars, die den elektrischen Strom durch die Zellen leiten. Der von den Busbars eingenommene Raum ist zwar nicht sehr groß, aber es handelt sich dennoch um eine Oberfläche der Solarzelle, die Photonen zur Erzeugung von Solarstrom aufnehmen könnte. Um die Verluste zu verringern, werden bei IBC-Solarzellen die Leiter auf der Rückseite der Zelle platziert, so dass die Vorderseite vollständig der Sonne ausgesetzt ist und die gesamte IBC-Solarzelle Photonen empfangen und Solarstrom erzeugen kann. Der Wirkungsgrad von IBC-Solarzellen ist im Allgemeinen höher, aber der höchste gemessene Wirkungsgrad für beide Technologien ist ähnlich. Der höchste Wirkungsgrad für PERC-Solarzellen wurde mit 25,0 % gemessen, während IBC-Solarzellen einen Umwandlungswirkungsgrad von 25,4 % erreichten. Der größte Nachteil der IBC-Technologie ist, dass sie teurer ist als PERC-Solarzellen. Ein Vorteil ist, dass die Hersteller beide Technologien kombinieren können, um ein noch leistungsstärkeres PV-Modul zu erhalten.
PERC-Paneele versus bifaciale Solarmodule.
Eine der am wenigsten genutzten Ressourcen bei Solaranwendungen ist die Albedo. Dabei handelt es sich um die diffuse Sonnenstrahlung, die von Oberflächen auf das PV-Modul reflektiert wird. Um diese solare Ressource voll auszunutzen, setzen Hersteller reflektierende Rückseiten oder Doppelglas ein. Die bifaciale Technologie kann direktes Sonnenlicht absorbieren (wie PERC-Solarmodule), aber auch Strom aus Albedo-Licht erzeugen, das auf der Rückseite des Moduls reflektiert wird. Bifaciale c-Si-PV-Module können eine höhere Performance Ratio (PR) für das PV-System liefern, nämlich 6 % mehr PR als monokristalline Siliziummodule, während PERC-Module einen um etwa 1 % höheren Wirkungsgrad als herkömmliche Technologien liefern können. Die gute Nachricht für die Solarbranche ist, dass bifaciale und PERC-Technologien kombiniert werden können, um bifaciale PERC-PV-Zellen zu schaffen. Diese neuen und innovativen Solarzellen können bis zu 18 % mehr Energie liefern als monofaciale Solarzellen.
Der Weg der PERC-Technologie in eine nachhaltige Zukunft.
Die Einführung der PERC-Technologie trägt zum globalen Übergang zu sauberer Energie und einer nachhaltigen Zukunft bei. Durch die Maximierung der Energieausbeute von Solarmodulen ermöglicht die PERC-Technologie eine effizientere Ressourcennutzung, verringert die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und trägt zur Eindämmung des Klimawandels bei. Die weltweite Nachfrage nach PERC-Modulen ist in den späten 2010er Jahren sprunghaft angestiegen und verzeichnet weiterhin ein stetiges Wachstum. Im Jahr 2021 wurde der Absatzmarkt für PERC-Solarmodule auf rund 150 Milliarden US-Dollar geschätzt und wird bis 2030 voraussichtlich 290 Milliarden US-Dollar erreichen. PERC-Zellen sind zwar zweifellos das beste Panel auf dem Markt, aber einige Branchenexperten gehen trotzdem davon aus, dass PERC-Zellen in den nächsten Jahren vom Markt verschwinden könnten und N-Typ-Solarzellen aufgrund ihrer "überlegenen Umwandlungseffizienz" bevorzugt werden.