Sponsored: Der Aufstieg der Rückkontakt-Zellenarchitektur

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Lange Zeit war die Steigerung des Wirkungsgrads von Solarzellen das wichtigste Mittel zur Verbesserung der Ausgangsleistung von Modulen ─ nicht nur als Leistungsmerkmal, sondern auch als Verkaufsargument.

Ein höherer Modulwirkungsgrad senkt die Balance-of-Systems(BoS)-Kosten und damit die Gesamtkosten des Photovoltaik-Systems. Nach der Kommerzialisierung verschiedener Zelltechnologien gehen führende Photovoltaik-Hersteller nun wieder dazu über, die Kontaktelemente auf der Rückseite der Zelle zu platzieren – nun jedoch mit fortschrittlichen Zellarchitekturen. Diese neuen Architekturen steigern nicht nur den Wirkungsgrad und die Leistung von Solarmodulen, sondern führen auch zu Vorteilen auf Systemebene ─ beispielsweise beim Schwachlichtverhalten, beim Temperaturkoeffizienten und den Degradationsraten.

Alle Wege führen zu Rückseitenkontakt-Solarzellen

Bei der Rückkontakttechnologie werden positive und negative Kontakte auf der Rückseite der Zelle platziert. So bleibt die Vorderseite frei, wodurch sowohl der Lichteinfall als auch die Lichtabsorption der Zelle maximiert werden. Diese Struktur minimiert die Rekombination (Auslöschung) von Ladungsträgern an der Oberfläche. Das führt zu einem verbesserten Elektronenfluss und einer höheren Effizienz.

Zu den Varianten der Rückkontakttechnologie gehören Emitter Wrap-Through (EWT) und Metal Wrap-Through (MWT) ─ bei denen nur die Busbars auf der Rückseite angebracht sind ─ und Interdigitated Back Contact (IBC)-Zellen. IBC ist dabei die vielversprechendste. 2022 erreichte das effizienteste kommerzielle IBC-Solarmodul einen Wirkungsgrad von 23 Prozent, ein in China hergestelltes Solarmodul mit Rückseitenkontakt erreichte kürzlich sogar 24 Prozent. In beiden Fällen hat Aiko das Modul hergestellt.

Bei IBC können die nahe der Vorderseite erzeugten Ladungsträger auch noch auf der Rückseite der Zelle gesammelt werden. Daraus ergeben sich folgende Vorteile:

  • Während der vordere Emitter einer beidseitig kontaktierten Solarzelle die Anforderungen an geringer Oberflächenrekombination, geringen lateralen Transportverlusten und geringer Kontaktrekombination ausgleichen muss, kann eine dichte Platzierung alternierender p- und n-Kontakte auf der Rückseite dies bis zu einem gewissen Grad umgehen.
  • Passivierende Kontakte beider Polaritäten können auf der Rückseite implementiert werden. Das vermeidet zusätzliche Absorptionsverluste, die bei Solarzellen mit passivierenden Kontakten auf der Vorderseite auftreten.
  • Die durch das Metallgitter verursachten Widerstandsverluste können praktisch eliminiert werden, ohne die Optik zu beeinträchtigen.

Die Schaffung alternierender Bereiche auf der Rückseite mit n- und p-Dotierung ist der schwierigste Teil der Umsetzung. Je nach Emitter-Dotierungstyp können n- oder p-Passivierungsmaterialien gewählt werden ─ etwa Siliziumnitrid für die n-Oberfläche und Aluminiumoxid oder Siliziumoxid für die p-Oberfläche.

IBC-Struktur erfolgreich

Die Rückkontakt-Solarzellentechnologie wurde bereits in den späten 1970er Jahren entwickelt. Fortschritte bei den Materialien und Herstellungsverfahren steigerten die Wirkungsgrade von IBC-Zellen beträchtlich. Von den vier effizientesten Solarmodulen basieren drei auf der Rückkontaktzellentechnologie, alle haben einen Modulwirkungsgrad von mindestens 23 Prozent.

Die IBC-Struktur ist sowohl für p-type- als auch für n-type-Wafer geeignet und kann auf verschiedenen Zellarchitekturen, wie Topcon oder Heterojunction, eingesetzt werden. Die besten kommerziellen Zellwirkungsgrade wurden bisher durch die Kombination des Rückkontakt-Layouts mit der n-type Topcon-Architektur erreicht – dafür hat sich Aiko entschieden. Das Unternehmen bezeichnet seine aktuelle Technologie als ABC („all back contact“), und hat mit seinen Zellen in der Massenproduktion einen Wirkungsgrad von 26,5 Prozent erreicht.

Aiko begann mit der Entwicklung der ABC-Zellenarchitektur im Jahr 2021. Dies ermöglichte dem Unternehmen zugleich, in die Modulherstellung einzusteigen und sich zu einem Anbieter von Komplettlösungen zu entwickeln. 2022 brachte das Unternehmen das ABC-Modul der ersten Generation mit einem Wirkungsgrad von 23,6 Prozent auf den Markt, der nun auf 24 Prozent gestiegen ist.

Effizient und kostengünstig

Wichtig für die IBC-Technologie ist die interdigitale Dotierung der Solarzelle. Aiko hat ein Verfahren zur Isolierung und Herstellung der interdigitalen ladungsträgerselektiven Kollektorbereiche entwickelt, um die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger zu maximieren, und beherrscht die Rückseitenpassivierung. Dieser Ansatz sichert die Effizienz und vereinfacht einen sonst komplexen, kostspieligen Prozess. Ein weiterer Schritt zur Kostenreduzierung ist die Verwendung von Kupfer anstelle von Silber für die Metallisierung der Zelle.

Die Struktur der Rückseitenkontakte bietet eine einzigartige Möglichkeit der Verschaltung. Da die Kontakte beider Polaritäten auf der gleichen Seite liegen, müssen die Lötbändchen nicht von der Rückseite einer Zelle zur Vorderseite der nächsten verbunden werden; sie können gerade verlaufen, wodurch Biegungen vermieden und die Zellen dicht gepackt werden können. Das verbessert die Ausnutzung der Modulfläche.

Zu den Eigenschaften der Rückseiten-Architektur gehört eine hohe Leistungsdichte, die die Kosten für Montagematerial, Verkabelung und Arbeitsaufwand reduziert. Das führt zu einer Senkung der BoS-Kosten um etwa sieben Prozent. Ein Temperaturkoeffizient von -0,26 Prozent pro Grad Celsius trägt zur Steigerung des Energieertrags bei. Alle Module mit Rückkontaktzellen haben eine Garantie von  mindestens30 Jahren.

Ein Solarmodul mit Rückseitenkontaktzellen hat ein einheitliches Aussehen, das nicht durch Vorderseitenkontakte gestört wird, insbesondere wenn es mit einer schwarzen Rückseitenfolie und einem schwarzen Rahmen ergänzt wird. Das macht es attraktiv für Anwendungen auf Wohngebäuden. Die Technologie kann jedoch an alle gängigen Anwendungen angepasst werden. So hat Aiko derzeit vier Produkte für Wohngebäude, vier für gewerbliche und industrielle Anwendungen sowie eines für Großanlagen im Angebot. Die Produkte für Privathaushalte sind in Glas-Glas- und Glas-Folien-Konfigurationen erhältlich und werden in zwei Varianten angeboten: Die schwarze Serie mit hochwertiger Ästhetik und die weiße Serie mit einer höheren Ausgangsleistung. Zu den Produkten fürs Gewerbe gehören Glasrückwandmodule in schwarzer und weißer Ausführung, ein Glas-Glas-Produkt und ein Leichtbau-Modul. Die bifazialen 72-Zellen-Glas-Glas-Module von Aiko sind Teil des Produktportfolios für Großanlagen.

Mit dem „Intersolar Award“ 2023 wurden die Leistungen von Aiko für die Entwicklung des weltweit effizientesten kommerziellen Solarmoduls mit Rückkontakt-Zelltechnologie ausgezeichnet. Da die höchsten Modulwirkungsgrade auf Rückkontaktzellen beruhen, bedeutet der Rückschritt einen großen Sprung nach vorn und zeigt, dass der Weg der Solarzellentechnologie voraussichtlich zu Rückkontakten führen wird.

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