So funktioniert die leistungssteigernde Zellentechnologie PERC-Technologie einfach erklärt

PERC steht für Passivated Emitter and Rear Cell und bezeichnet eine Zelle mit passivierter Emissionselektrode und Rückseite. Die Technologie wurde erstmals 1983 an der Universität von New South Wales in Australien erwähnt und das Funktionsprinzip in 1989 dokumentiert. PERC-Zellen sind hocheffiziente Solarzellen mit Lichtfallen, die im Gegensatz zu herkömmlichen Zellen passives und langwelliges Licht zur Stromerzeugung einfangen.

PERC-Solarzellen haben eine einzigartige Rückseitenbeschichtung, die so genannte Rückseitenpassivierungsschicht. Sie ist für die Steigerung des Wirkungsgrads verantwortlich.

Auf der Rückseite der PERC-Solarzelle wird eine dielektrische Schicht aufgebracht. Sie wird mit einem feinen Laser perforiert. Darauf wird eine hauchdünne metallische Aluminiumschicht aufgedampft. Die dielektrische Schicht berührt den Siliziumwafer nur durch kleine Löcher.

Bei herkömmlichen Solarzellen ist die Halbleiterschicht direkt mit der Aluminiumschicht auf der Rückseite verbunden. PERC-Solarzellen haben eine zusätzliche dielektrische Schicht, die mit Laserstrahlung fein perforiert wird. Auf diese Schicht wird dann eine Aluminium Metallisierung aufgebracht. Das bedeutet, dass die Halbleiter- und die Aluminiumschicht auf der Rückseite nur indirekt miteinander verbunden sind.

Damit wir das Funktionsprinzip der PERC-Technologie verstehen, müssen wir vorerst erläutern wie eine herkömmliche Solarzelle funktioniert. Solarzellen haben eine Basis und einen Emitter, das heißt zwei Siliziumschichten mit unterschiedlicher Polarität. An der Schnittstelle zwischen diesen Schichten entsteht aufgrund des Polaritätsunterschieds ein elektrisches Feld. Dadurch werden Elektronen in den Emitter angezogen.

Das einfallende Sonnenstrahlung setzt Elektronen aus den Siliziumatomen frei, die sich dann durch die Zelle bewegen. Wenn diese Elektronen die Grenzfläche zwischen den beiden Schichten erreichen, entsteht ein elektrischer Strom.

Dabei nehmen herkömmliche Solarzellen nur blaues Licht auf. Dieses kurzwelliges Licht wird überwiegend von der Vorderseite der Solarzellen absorbiert und erzeugt den Großteil des Ertrags. Das langwellige rote Licht wird auf der Rückseite von Solarzellen absorbiert und geht bei herkömmlichen Zellen verloren.

Bei der PERC-Technologie werden die rote Lichtstrahlen durch den Lighttrapping Methoden ebenfalls eingefangen. Durch die Rückseitenpassivierung werden diese Strahlen zurück in die Solarzelle reflektiert, wodurch ein höherer Wirkungsgrad entsteht.

Die PERC-Technologie erhöht die Leistung gegenüber herkömmlichen Solarzellen um circa 1. Prozent. Somit erreichen PERC-Solarzellen einen Wirkungsgrad von bis zu 22,5 Prozent.

Es folgt eine Übersicht über die Eigenschaften von PERC-Solarzellen.

• Wirkungsgrad: maximal 22,5 Prozent
• Ertrag: Leistungssteigerung von ungefähr 1 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen Solarmodulen
• Degradation: Leistungsverlust von 0,3 bis 0,5 Prozent pro Jahr
• Schwachlichtverhältnis: geringerer Ertrag bei Schwachlicht, dennoch besseres Verhältnis als herkömmliche Solarmodule
• Temperaturkoeffizient: Leistung sinkt mit steigenden Temperaturen, dennoch besseres Verhältnis als herkömmliche Solarmodule

In den Morgen- und Abendstunden muss das Sonnenlicht einen längeren Weg zurücklegen, wodurch das blaue Licht stärker gestreut wird als zur Mittagszeit. Dadurch bleibt ein höherer Anteil an rotem Licht im verbleibenden Sonnenlicht übrig. Aus diesem Grund sind PERC-Solarzellen zu diesen Zeiten effizienter als herkömmliche Zellen.

PERC-Zellen erwärmen sich insgesamt weniger, weil die zusätzliche Schicht einen Teil des Lichts zurück in die Zelle reflektiert. Somit erzeugen sie trotz sinkender Leistung bei steigenden Temperaturen einen höheren Ertrag.

PERC-Zellen haben aufgrund ihres Aufbaus eine höhere Degradation. Denn durch den dielektrischen Schichten auf der Vorder- und Rückseite dringt mehr Wasserstoff in die Solarzellen ein.

In diesem Fall sind die Leistungsgarantien des Herstellers entscheidend. Man sollte die erwartete Leistung der Solarmodule nach 10, 20 oder 25 Jahren kennen, bevor man eine Kaufentscheidung trifft. Wichtig ist, dass die Produktgarantie mindestens so lange dauert wie die Leistungsgarantie.

Des Weiteren ist die Herstellung von PERC-Solarzellen wesentlich komplexer aufgrund der Rückseitenpassivierung. Das war anfangs ein Nachteil, da die Kosten für PERC-Solarzellen höher waren. Doch mittlerweile hat sich die Technologie auf dem Photovoltaik Markt etabliert und die Mehrkosten für Finalkunden sind minimal.

Unter Degradation versteht man die Leistungsminderung von Solarzellen im Laufe der Zeit. Bei der PERC-Technologie gibt es zwei Arten von Degradation: LID (lichtinduzierte Degradation) und die LeTID (Licht und Temperatur induzierte Degradation).

• Bor-Sauerstoff-Defekte wirken sich negativ auf kristalline Siliziumplatten aus, die nach dem Cz-Verfahren hergestellt werden. Diese sind anfällig für lichtinduzierte Degradation. Ein anderes Verfahren, das Float-Zone-Verfahren, enthält weniger Sauerstoff und ist weniger anfällig für LID. Aufgrund der höheren Kosten wird es jedoch seltener eingesetzt. Aus diesem Grund sind PERC-Zellen generell anfälliger für LID.
• Die LeTID entsteht aufgrund des Eindringen von Wasserstoff in der Solarzelle. Dielektrische Schichten auf der Vorder- und Rückseite der Module passivieren die Außenfläche und speichern Wasserstoff. Dieser dringt von beiden Seiten in die Zelle, reagiert auf Licht und Temperatur und beschleunigt die Degradation.

PERC-Module sind aufgrund ihres einzigartigen Herstellungsverfahrens teurer als andere Photovoltaikmodule. Da die PERC-Technologie sich mittlerweile als Industriestandard etabliert hat, sind sie wesentlich günstiger geworden. Für ein PERC-Solarmodul zahlt man 200 bis 300 Euro und für herkömmliche PV-Module 100 bis 220 Euro pro kWp.

PERC-Solarzellen wurden ausgiebig untersucht und sind heutzutage in 80 Prozent der Solarmodulen eingebaut. Diese eignen sich besonders für Solaranlagen mit begrenzter Installationsfläche wie beispielsweise eine Dach-PV-Anlage. Aufgrund ihres höheren Wirkungsgrads erzielt man auf geringerer Fläche den gleichen Ertrag als herkömmliche Solarmodule.

Zudem eignen sich PERC-Solarmodule für Anlagen mit Ost-West-Ausrichtung. Diese erzeugen den meisten Ertrag in Morgen- und Abendstunden, wo überwiegend langwelliges rotes Licht scheint. Dadurch lässt sich ein höherer Ertrag erzielen.