TOPCon-Solarzellen und PERC-Solarzellen: Wo liegen die Unterschiede?
TOPCon-Solarzellen sind auf dem Photovoltaik-Markt die neuen Trendsetter und immer mehr Hersteller setzen auf die neuartige Technologie – wie zum Beispiel unsere Balkonkraftwerke, in deren Solarmodulen TOPCon-Zellen für maximale Stromerzeugung sorgen.
Damit sind TOPCon-Zellen dabei, den altbekannten PERC-Solarzellen (passivierte Emitter-Rückseitenkontakt-Zellen) ernsthafte Konkurrenz zu machen.
Aber wo liegen eigentlich genau die Unterschiede zwischen den Technologien und was bedeuten die neuartigen TOPCon-Solarzellen für BesitzerInnen von Solaranlagen?
TOPCon-Solarzellen machen PERC-Zellen immer mehr Konkurrenz
Obwohl die innovative TOPCon-Zellarchitektur bereits im Jahr 2013 von Forschern des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme in Freiburg entwickelt wurde, vergingen noch einige Jahre, bis die ersten TOPCon-Module tatsächlich auf den Markt gebracht wurden.
Bis zu diesem Jahr beherrschten PERC-Zellen als die etablierte Solar-Technologie den Markt. Und das aus gutem Grund: Sie haben poly- und monokristalline Solarmodule vor allem dahingehend verbessert, dass sie bei schwachen und diffusen Lichtverhältnissen immer noch eine gute Leistung bringen. Gleichzeitig blieben die Produktionskosten überschaubar. PERC hatte sicherlich einen großen Anteil daran, dass die Beliebtheit von Solaranlagen für Privatverbraucher – insbesondere kompakte Stecker-Solaranlagen bzw. Balkonkraftwerke – explodierte.
Jetzt bekommt PERC einen ernsthaften Konkurrenten: TOPCon ist im Begriff, state-of-the-art zu werden.
Die Produktionskosten für die neuen TOPCon-Module sind derzeit noch höher als die für herkömmliche PERC-Solarmodule. Der Erfolg von TOPCon auf dem Markt hängt von zwei Hauptfaktoren ab:
- Erstens ist da der Skalierungseffekt, der bedeutet, dass niedrigere Stückkosten durch eine größere Produktion erreicht werden können.
- Zweitens müssen der höhere Wirkungsgrad von TOPCon und die daraus resultierende höhere Leistung der Solaranlagen ausreichen, um für die Endverbraucher die Technologie entsprechend lohnenswerter gegenüber PERC zu machen.
Sprich: TOPCon muss sich auf dem Markt ausbreiten, darf allerdings die Preise für Solarmodule nicht so hoch treiben, dass der höhere Wirkungsgrad sich finanziell nicht rechnet.
Diese Rechnung beginnt jetzt voll aufzugehen. TOPCon fängt an, sich für Solaranlagen-BesitzerInnen ernsthaft zu lohnen.
Denn im Sommer 2023 kommen immer mehr Solaranlagen auf den Markt, die auf TOPCon-Zellen setzen, wodurch der Skalierungseffekt durch die erhöhte Nachfrage immer mehr greift. Gleichzeitig bedeutet die neuartige Technologie nicht die befürchtete Preisexplosion bei entsprechenden Solaranlagen – Balkonkraftwerke mit zwei TOPCon-Solarmodulen sind weiterhin für weit unter 1.000 Euro zu haben und liegen damit preislich nicht sehr viel höher als Balkonkraftwerke der vergangenen Generation mit PERC-Zellen.
Wie funktionieren TOPCon-Solarzellen?
Die Hauptidee des TOPCon-Konzepts besteht darin, dass das Metall der Anschlusskontakte keinen direkten Kontakt zur Siliziumschicht hat, um so die Rekombination der Ladungsträger zu verhindern, die normalerweise Leistungsverluste an der Rückseite der Zelle verursacht.
Kein Kontakt zwischen Metall und Siliziumschicht = mehr Leistung.
Um diese Rekombination zu unterbinden, wird auf die Oberfläche der Solarzelle eine extrem dünne Schicht Siliziumoxid (nur wenige Nanometer dick) aufgebracht. Diese SiO₂-Schicht passiviert die Oberfläche, was bedeutet, dass sie den Durchgang für den Ladungsträger blockiert.
Allerdings ist diese Schicht so dünn, dass der Strom aufgrund quantenmechanischer Effekte diese Barriere überwinden kann. Dieses Phänomen ist in der Physik als 'Tunneleffekt' bekannt.
Darüber hinaus wird eine zusätzliche Schicht aus stark dotiertem Silizium hinzugefügt, um die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern und Übertragungsverluste zu minimieren.
Die TOPCon-Technologie bedeutet den Marktdurchbruch für n-Typ-Zellen
Silizium-Solarzellen bilden den Großteil der weltweit hergestellten Solarzellen. Sie kombinieren hohe Wirkungsgrade mit kosteneffizienter Produktion und einer zuverlässigen Langlebigkeit.
Siliziumzellen bestehen aus zwei Schichten, einer n-Schicht (negativ, elektronenleitend) und einer p-Schicht (positiv, mit sogenannten "Löchern", das sind unbesetzte Ladungen). Die Dicke der jeweiligen Schichten variiert, wobei die dickere Schicht, auch als Basis bezeichnet, bestimmt, ob es sich um Solarzellen vom p-Typ oder n-Typ handelt (auf Englisch: p-type / n-type cells).
In der Solarindustrie beherrschten bisher die p-Typ-Zellen den Markt, da sie einfacher und günstiger herzustellen waren.
Allerdings setzen heute immer mehr Photovoltaik-Hersteller auf n-Typ-Zellen, da sie höhere Wirkungsgrade und somit eine größere Effizienz bieten und weniger anfällig für Leistungsverluste sind.
Bei p-Typ-Zellen tritt beispielsweise häufig eine sogenannte Anfangsdegradation auf, die durch chemische Reaktionen in der Zelle ausgelöst wird, wenn das Sonnenlicht zum ersten Mal auf die Module trifft. Bei n-Typ-Zellen kommt dieser Effekt nicht vor und die Solarmodule behalten ihre Maximalleistung ab Auslieferung.
Weitere Vorteile der n-Typ-Zellen sind ihre geringere Anfälligkeit für metallische Verunreinigungen im Silizium, eine geringere leistungsinduzierte Degradation (PID) sowie eine höhere Temperaturbeständigkeit. Außerdem weisen diese Solarzellen einen niedrigeren Temperaturkoeffizienten auf, was bedeutet, dass ihre Leistung bei steigenden Temperaturen nur geringfügig abnimmt.
Wie funktionieren PERC-Solarzellen?
Die PERC-Technologie wurde entwickelt, um die Ertragsmöglichkeiten und damit die Effizienz moderner Photovoltaik-Anlagen zu steigern. Bei herkömmlichen Solaranlagen gelangt aufgrund ihrer Bauweise und der verwendeten Materialien ein Teil des Sonnenlichts durch die Module, ohne dass daraus Energie gewonnen wird. Die PERC-Solarmodule wurden entwickelt, um diesem Verlust entgegenzuwirken und die Leistungsfähigkeit sowie die Effizienz der Solarzellen zu erhöhen.
Die Leistungssteigerung der Solarzelle in der PERC-Technologie beruht auf einer verbesserten Lichtabsorption.
In herkömmlichen Solarzellen bestehen zwei Schichten aus Silizium mit unterschiedlichen elektrischen Polaritäten, die als Basis und Emitter bezeichnet werden. An der Grenzfläche zwischen diesen Schichten bildet sich ein elektrisches Feld. Elektronen, die sich dieser Grenzfläche nähern, werden in den Emitter gezogen. Wenn Sonnenlicht auf die Zelle trifft, löst es Elektronen aus den Silicium-Atomen, die sich dann durch die Zelle bewegen können. Wenn diese freien Elektronen die Grenzfläche zwischen den Schichten erreichen, wird elektrischer Strom erzeugt.
Da Licht verschiedene Wellenlängen hat, wird kurzwelliges blaues Licht besser von der Vorderseite der Solarzelle aufgenommen und erzeugt den Großteil des Stroms in herkömmlichen Solaranlagen. Längeres rotes Licht hingegen führt dazu, dass Elektronen eher auf der Rückseite erzeugt werden. Dieses rote Licht kann in herkömmlichen Zellen nicht effizient in Strom umgewandelt werden und geht somit verloren.
Die PERC-Technologie verwendet deswegen sogenannte Light-Trapping-Methoden (“Licht-Einsperren-Methoden”), um diesen Verlust zu verhindern. Eine zusätzliche elektrische Schicht reflektiert das rote Licht auf der Rückseite zurück in die Zelle und erhöht die Absorptionsrate, was zu einer besseren Ausnutzung des Sonnenlichts führt. Dies führt zu einer insgesamt höheren Effizienz der Solarzelle.
TOPCon- oder PERC-Technologie? Beide Konzepte können parallel den Markt bestimmten
Obwohl die Leistung von TOPCon-Solarzellen schwer zu übertreffen ist, beherrscht die PERC-Technologie weitestgehend noch den Markt. Dies dürfte vor allem auf die fortgesetzte Steigerung der Effizienz der PERC-Zellen und gleichzeitig sinkende Produktionskosten zurückzuführen sein, was noch einige Zeit so bleiben wird.
Besonders die preisgünstigen Solarmodule werden weiterhin auf PERC setzen, um die Kosten niedrig zu halten.
Dennoch gewinnen TOPCon-Zellen aufgrund ihres außergewöhnlich hohen Wirkungsgrads zunehmend an Bedeutung. Dazu werden die entsprechenden Solarmodule immer erschwinglicher.
Spätestens mit dem Beginn der Massenproduktion sind erhebliche Skalierungseffekte zu erwarten, die dazu führen könnten, dass TOPCon-Module in Deutschland zur ernsthaften Konkurrenz für die PERC-Technologie werden. Diese Ansicht wird auch von ForscherInnen des Fraunhofer-ISE unterstützt. Ihrer Meinung nach ist es jedoch notwendig, neben der Senkung der Herstellungskosten auch die Produktionsleistung auf das Niveau der PERC-Zellen zu steigern, um die wirtschaftliche Tragfähigkeit der TOPCon-Module zu gewährleisten.
Fazit: TOPCon- vs. PERC-Module
Über kurz oder lang dürfte die TOPCon-Technologie zu einer ernsthaften Alternative zu PERC reifen. VerbraucherInnen können bereits jetzt zwischen günstigen PERC-Modulen und etwas hochpreisigeren, aber effizienteren und TOPCon-PV-Modulen wählen können.
Diese “Konkurrenz” zwischen den Technologien bedeutet mehr Auswahl für die VerbraucherInnen und wird die Forschung und Industrie inspirieren, beide Technologien weiter zu verbessern.
Dann werden Solaranlagen insgesamt noch leistungsfähiger, langlebiger, amortisieren sich früher und werden schlicht noch attraktiver für Haushalte.
Wie man es dreht und wendet: Die Ausbreitung von TOPCon-Solarzellen bedeutet einen wichtigen Meilenstein für Solaranlagen und damit für die Energiewende und Autarkie von Haushalten.
