Welche Typen von Solarzellen gibt es?

Kristalline Siliziumzellen sind die weltweit am meisten eingesetzte Technologie, allen voran die monokristallinen Zellen. Der Markt an verfügbaren Zellarten ist jedoch wesentlich grösser. 

Aktuell am meisten verwendet werden drei unterschiedliche Zelltypen:

• monochristalline Zellen
• polykristalline Solarzellen
• amorphe Zellen

Monokristalline Zellen

Monokristalline Siliziumzellen werden aus hochreinen Halbleitermaterialien hergestellt. Einkristallstäbe werden aus der Siliziumschmelze gezogen und in 0.25 mm dünne Scheiben geschnitten. Dieses spezielle Herstellungsverfahren sorgt für eine hohe Effizienz. Der Wirkungsgrad von monokristallinen Solarzellen erreicht ca. 20%. Moderne Produktionsverfahren ermöglichen eine Herstellung zu ähnlichen Kosten wie bei polykristallinen Zellen. 

Polykristalline Solarzelle

Polykristalline Zellen sind etwas billiger in der Herstellung als monokristalline Zellen. Zur Herstellung polykristalliner Solarzellen wird flüssiges Silizium in Blöcke gegossen. Beim Erstarren entsteht eine typische Struktur, die aus vielen einzelnen Kristallen besteht. Diese Kristallstruktur bildet sich in verschiedenen Größen aus. Defekte treten an den äußeren Grenzen auf. Aufgrund dieser kristallinen Defekte beträgt der Wirkungsgrad polykristalliner Solarzellen nur 13-15%. Daher sind monokristalline Solarzellen effektiver als polykristalline Solarzellen.

Amorphe Solarzelle/Dünnschichtzelle

Amorphe Solarzellen werden auch als Dünnschichtzellen bezeichnet. Bei der Herstellung wird der photoaktive Halbleiter als dünne Schicht auf die Glasplatte aufgebracht. Direkt mit dem Modul verbundene amorphe Solarzellen werden mit einer zweiten Glasplatte verschlossen. Die Schichtdicke beträgt weniger als 1 µm. Aufgrund der geringen Materialkosten sind auch die Herstellungskosten von Natur aus gering.
Dünnschicht-Solarmodule sind eine kostengünstige Möglichkeit, Sonnenenergie zu nutzen, aber Dünnschichtzellen haben nur einen Wirkungsgrad von 6-8 %. Mit neuen Materialien lassen sich beispielsweise leicht höhere Wirkungsgrade für Dünnschichtzellen erzielen. Dazu gehören Cadmiumtellurid (CdT) und Kupferindiumdiselenid (CIS). Der Wirkungsgrad von Dünnschichtzellen kann auf 8-10 % gesteigert werden. 

Technologien bei monokristallinen Zellen

Monokristalline Halbzellen-Module (Half-Cut-Zellen) 

Halbzellen-Module sind Photovoltaik-Module, die so konzipiert sind, dass sie den Stromfluss in einem Solarpanel optimieren und damit den Wirkungsgrad erhöhen. Ein Solarmodul besteht normalerweise aus mehreren Solarzellen, die in Serie oder parallel geschaltet sind, um eine höhere Spannung oder Stromstärke zu erzeugen. Bei Halbzellen-Modulen wird jedoch jede Solarzelle in zwei Hälften geschnitten und diese Hälften werden separat verkabelt, um "Halbzellen" zu bilden.

Halbzellen-Module sind Photovoltaik-Module, die so konzipiert sind, dass sie den Stromfluss in einem Solarpanel optimieren und damit den Wirkungsgrad erhöhen. Ein Solarmodul besteht normalerweise aus mehreren Solarzellen, die in Serie oder parallel geschaltet sind, um eine höhere Spannung oder Stromstärke zu erzeugen. Bei Halbzellen-Modulen wird jedoch jede Solarzelle in zwei Hälften geschnitten und diese Hälften werden separat verkabelt, um "Halbzellen" zu bilden.

Indem jede Solarzelle in zwei Halbzellen geteilt wird, wird der Stromfluss innerhalb des Moduls optimiert, indem der Widerstand reduziert wird. Dies führt zu einer höheren Stromausbeute und einem insgesamt höheren Wirkungsgrad des Moduls. Halbzellen-Module sind in der Regel leistungsstärker und langlebiger als herkömmliche Solarmodule. Sie sind jedoch auch in der Regel teurer, da sie aufwendiger herzustellen sind.

N-Type Zellen

N-Typ-Zellen sind eine Art von Solarzellen, die aus einem Material mit einem überschüssigen Elektronenüberschuss in der äußersten Schicht (n-Typ) hergestellt werden. Diese Zellen sind Teil der Gruppe der kristallinen Siliziumsolarzellen, die aus einem Halbleitermaterial wie Silizium hergestellt werden.

Im Gegensatz zu P-Typ-Zellen, die aus einem Material mit einem Elektronenmangel in der äußersten Schicht (p-Typ) hergestellt werden, haben N-Typ-Zellen eine höhere Lebensdauer und geringere Degradationsraten, was bedeutet, dass sie länger halten und weniger anfällig für Leistungsverluste im Laufe der Zeit sind. Sie haben auch einen höheren Wirkungsgrad als P-Typ-Zellen.

N-Typ-Zellen haben normalerweise eine höhere Lichtempfindlichkeit und können in geringerer Dicke hergestellt werden, was sie für bestimmte Anwendungen wie dünne Film-Module attraktiver macht. Sie werden auch in Verbindung mit anderen Technologien wie PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) oder HJT (Heterojunction) eingesetzt, um die Leistung und den Wirkungsgrad weiter zu verbessern.

PERC Zellen

PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) ist eine fortschrittliche Solarzellentechnologie, die eine höhere Effizienz und Leistung im Vergleich zu herkömmlichen Solarzellen bietet. PERC-Zellen gehören zur Gruppe der kristallinen Siliziumsolarzellen und sind eine Form von sogenannten Back-Contact-Zellen.

Die PERC-Technologie zeichnet sich durch eine zusätzliche Schicht auf der Rückseite der Solarzelle aus, die als "Emitter Passivation Layer" (EPL) bezeichnet wird. Diese Schicht erhöht die Fähigkeit der Zelle, Licht zu absorbieren, und reduziert gleichzeitig Verluste durch Rekombination von Elektronen und Löchern. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Zelle verbessert und die Leistungsfähigkeit erhöht.

Darüber hinaus haben PERC-Zellen aufgrund ihrer rückseitigen Kontakte eine höhere Zellspannung und damit eine höhere Ausgangsleistung im Vergleich zu herkömmlichen Solarzellen. PERC-Zellen haben auch eine höhere Zuverlässigkeit und eine längere Lebensdauer, da die Emitter Passivation Layer die Zelle vor äußeren Einflüssen schützt.

PERC-Zellen werden in der Regel in Solarmodulen mit anderen fortschrittlichen Technologien wie Half-Cut-Zellen, Bifacial-Technologie oder Multi-Busbar-Technologie kombiniert, um die Leistung weiter zu erhöhen und den Wirkungsgrad zu maximieren.

Bifaziale Zellen

Die Bifacial-Technologie ist eine fortschrittliche Solarzellentechnologie, die es Solarmodulen ermöglicht, Sonnenenergie sowohl von der Vorder- als auch von der Rückseite der Solarzellen zu absorbieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Solarzellen, die nur auf einer Seite Sonnenlicht aufnehmen können, nutzen Bifacial-Solarzellen auch das reflektierte Licht von der Umgebung.

Bifacial-Solarzellen sind in der Regel aus kristallinem Silizium hergestellt und haben auf beiden Seiten elektrische Kontakte. Durch die Verwendung von transparenten Materialien an der Rückseite der Zelle kann das reflektierte Licht durch die Zelle aufgenommen werden, was zu einem höheren Wirkungsgrad und einer höheren Leistung führt. Es werden oft Glas-Glas Module in bifazialer Technologie hergestellt.

Darüber hinaus kann die Bifacial-Technologie die Zuverlässigkeit von Solarmodulen verbessern, da sie die Temperaturen innerhalb des Moduls senkt. Wenn das Sonnenlicht auf die Vorderseite einer herkömmlichen Solarzelle trifft, kann sich die Zelle aufheizen, was zu einem Leistungsabfall und einer geringeren Lebensdauer führen kann. Mit der Bifacial-Technologie kann das Sonnenlicht jedoch auf beiden Seiten der Zelle absorbiert werden, was zu einer besseren Wärmeableitung und damit zu niedrigeren Temperaturen innerhalb des Moduls führt.

Bifacial-Solarzellen werden oft in Solarmodulen mit anderen fortschrittlichen Technologien wie PERC (Passivated Emitter and Rear Cell), Multi-Busbar-Technologie oder Half-Cut-Zellen kombiniert, um die Leistung und den Wirkungsgrad von Solarmodulen weiter zu erhöhen.

Heterojunction Technology (HJT)

(Grafik: Panasonic Solar)

Die Heterojunction-Technologie ist eine fortschrittliche Solarzellentechnologie, die aus der Kombination von Silizium und amorphen Materialien besteht, wie z.B. amorphem Silizium (a-Si) oder amorphen Chalkogeniden (z.B. Kupfer-Indium-Gallium-Selenid, CIGS). Im Gegensatz zu herkömmlichen Solarzellen, die aus nur einer Schicht Silizium bestehen, besteht eine Heterojunction-Solarzelle aus mehreren Schichten, die jeweils spezielle Eigenschaften aufweisen.

Die Heterojunction-Technologie nutzt die unterschiedlichen elektronischen Eigenschaften von Silizium und amorphen Materialien, um eine effizientere Absorption von Sonnenlicht zu ermöglichen. Die Heterojunction-Solarzellen haben im Gegensatz zu herkömmlichen Solarzellen eine sehr dünne Siliziumschicht, die nur wenige Mikrometer dick ist. Durch die Kombination mit einer dünnen Schicht amorpher Materialien können Heterojunction-Solarzellen eine höhere Effizienz erreichen, indem sie das Sonnenlicht auf einer größeren Bandbreite des elektromagnetischen Spektrums absorbieren.

Ein weiterer Vorteil der Heterojunction-Technologie besteht darin, dass sie die Leistung der Solarzellen bei hohen Temperaturen erhöhen kann. Im Vergleich zu herkömmlichen Solarzellen, die bei hohen Temperaturen an Leistung verlieren, behalten Heterojunction-Solarzellen ihre Leistungsfähigkeit bei höheren Temperaturen bei, was sie zu einer guten Wahl für Anwendungen in heißen Klimazonen macht.

Multi-Busbar-Technologie

Die Multi-Busbar-Technologie ist eine fortschrittliche Methode zur Verbindung von Solarzellen innerhalb eines Solarmoduls, um die Leistung und den Wirkungsgrad zu erhöhen. Im Allgemeinen werden bei der traditionellen Solarzellentechnologie nur ein oder zwei metallische Busbars verwendet, um die elektrischen Kontakte der Zellen miteinander zu verbinden. Die Multi-Busbar-Technologie dagegen verwendet mehrere dünnere Metallbänder, um die Verbindungen zwischen den Solarzellen herzustellen.

Durch die Verwendung von mehreren Busbars können die elektrischen Verluste innerhalb des Solarmoduls reduziert werden. Dies erhöht den Wirkungsgrad und die Leistung der Zellen. Die Multi-Busbar-Technologie ermöglicht auch eine bessere Wärmeableitung und reduziert die Spannungsverluste in den Zellen, was die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Solarmoduls verbessert.

Ein weiterer Vorteil der Multi-Busbar-Technologie besteht darin, dass sie die Flexibilität bei der Größenanpassung von Solarmodulen erhöht. Die Verwendung von mehreren Busbars ermöglicht es, kleinere Solarzellen zu verwenden, um ein Modul mit der gleichen Leistung wie ein größeres Modul herzustellen. Dies kann insbesondere bei Anwendungen mit begrenztem Platzbedarf von Vorteil sein. 

Mit zunehmender Anzahl an Busbars, erhöht sich aber auch der Aufwand in der Herstellung und somit auch die Kosten. Welche Anzahl an Busbars am besten ist hinsichtlich Kosten/Nutzen, wird aktuell heiß diskutiert. Verschiedene Hersteller vertrauen hier auch auf unterschiedliche Lösungen. Welche die beste ist, wird sich wohl noch herausstellen.