Neue Spitzenwirkungsgrade - Wettbewerbsvorteile durch höhere Moduleffizienz und Kostenreduzierung im Fertigungsprozess

Die nationalen und europäischen Solarzellen- und Modulhersteller stehen unter einem enormen Kostendruck. Einerseits decken die derzeit erreichbaren Modulpreise kaum die Herstellungskosten und andererseits wird es zunehmend schwieriger, das Kapital für technische Innovationen bereitzustellen. Parallel dazu erwarten die Investoren, dass sich bei den sinkenden Einspeisevergütungen auch die Modul- und Anlagenpreise reduzieren.
Zwischenzeitlich sind einige herausragende Innovationen in der PV-Wertschöpfungskette vom Wafer zur Zell- und Modulentwicklung zu verzeichnen.
In der PV-Modulfertigung spielen bei der Wirkungsgradsteigerung und Kostensenkung zudem die Innovationen der Abdeckgläser eine entscheidende Rolle. Speziell behandelte, mit Lichtfallen oder Antireflexionsschichten (ARC) versehene Oberflächen sorgen dafür, dass mehr Licht in das Modul eindringt und auch in Strom umgeformt werden kann. Parallel dazu reduziert die Glasindustrie ständig die Dicke und das Gewicht der Gläser zwecks Kostensenkung.
Andererseits stehen bei der PV-Modulauswahl nicht nur die Nennleistung und der gesteigerte Wirkungsgrad im Vordergrund, sondern auch die architektonischen Aspekte, denn schwarze Module o.Ä. vermitteln nun einmal auch ein gehobenes Design.

F&E bei kristallinen Siliciumzellen
Die Produktionsvorstufe der Zellkonzepte, Materialverbesserungen, Bearbeitungsmethoden etc. wird durch die Ergebnisse aus der Forschung und Entwicklung geprägt.
Die PV-Siliciumzellen bestehen aus zwei unterschiedlich dicken Bereichen, die sich  in ihrer Leitfähigkeit unterscheiden. In den Standardzellen ist eine untere dickere Schicht mit Bor angereichert, um innen einen Überschuss positiver Ladungsträger zu erreichen. Dagegen sorgt im oberen Emitter Phosphor für einen Überschuss an negativen Ladungsträgern. Die Solarzellen vom n-Typ werden genau umgekehrt aufgebaut. Ihr Vorteil ist, dass Bor aufgrund seiner Atomeigenschaften für den Wirkungsgrad weniger kritisch ist. Dadurch wird es möglich, billigeres Silicium zu verwenden, das mehr Verunreinigungen enthält oder Zellen mit höheren Effizienzen herzustellen.
Mithilfe einer speziellen Siliciumsorte kann nun der Zellenwirkungsgrad bei gleichzeitig sinkenden Fertigungskosten angehoben werden.

MWT-Technologie
Mit dem Ziel, sinkende Material- und Produktionskosten zu erreichen, rückt auch das vom niederländischen Energieforschungsinstitut ECN entwickelte MWT-Konzept (Metal Wrap Through) in den Fokus. Dabei werden die für die Verschaltung der einzelnen Zellen erforderlichen Stromsammelschienen zur Verringerung des Schattenwurfs auf die Rückseite verlegt und über winzige Löcher mit den Metallkontakten auf der Frontseite verbunden. Durch den höheren Lichteinfall steigt der Wirkungsgrad und die Stromausbeute. Die Module können zudem mit effizienteren Methoden gefertigt werden.
Das Fraunhofer ISE-Institut hat eine besonders hochwertige Silicium-Floatzone integriert, sodass mit der MWT-PERC-Solarzelle derzeit ein Wirkungsgrad von 20,2% (Laborsolarzelle) erreicht wird.
Ein noch effektiverer Wirkungsgrad wird durch die MWT-PERC-Solarzelle als Kombination aus der MWT-Technologie (Metal Wrap Through) und der PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) erreicht.
Das Helmholtz Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB) konnte in Zusammenarbeit mit dem  Institut für Solarenergieforschung Hameln/Emmerthal (ISFH) mit der HZB/ISFH-Zelle einen Wirkungsgradrekord von 20,2% erreichen.
Mit der Rückseitenkontaktierung werden die Verschattungseffekte auf der Zellenvorderseite vermieden. Zudem können die Kontakte auf der Zellenrückseite dicker und widerstandfähiger ausgeführt werden.
Bei dem verbesserten Zellkonzept der Heterojunction-Technologie werden zwei unterschiedliche Halbleiter verwendet: kristallines und eine dünne Schicht amorphes Silicium (-Si). Bei der Kombination beider Materialien (Heteroübergang mit amorphem Silicium) kann ein Wirkungsgrad von 25% erreicht werden. Zudem reduzieren spezielle Antireflex- und Passivierschichten die Lichtreflexionen und die Ladungsträgerverluste.

Neue Zell- und Modultechnologie
Die Modulhersteller spezialisieren sich aufgrund der selektiven Emitter-Solarzellentechnologie zunehmend auf monokristallines Silicium mit einem Wirkungsgrad von 20% und mehr. Parallel dazu werden sich die Herstellkosten reduzieren, weil mit dem Kupfer das teure Silber aus den Frontkontakten verdrängt wird.
Zur Wirkungsgraderhöhung mit selektiven Emittern eignen sich insbesondere monokristalline Solarzellen. Um den Widerstand zwischen den Kontaktfingern und dem Silicium zu reduzieren, muss der Wafer an der Oberfläche sehr stark dotiert werden. Hierdurch entsteht eine dünne Schicht, in der die vom Sonnenlicht erzeugten freien Elektronen vermehrt in Löcher zurückfallen („Dead Layer-Zone“) und für die Stromgewinnung verloren gehen.  
Demgegenüber wird bei den selektiven Emittern nur die Zone unter den Kontaktfingern stark dotiert und die restliche Fläche nur so intensiv, dass ein p-n-Übergang zwischen dem positiv dotiertem Wafer (beim konventionellen p-Typ) und dem negativ dotierten Emitter entsteht, der die freien positiven und negativen Ladungsträger trennt. Demgegenüber lassen sich bei multikristallinen Solarzellen weniger gute Ergebnisse erreichen.

Heterojunction-Technologie
Unter den neuen PV-Zellkonzepten führt die Rückseitenkontaktzelle die Innovationen an. Hierbei werden die stromleitenden Elektroden von der Modulvorderseite auf die Rückseite verlegt, damit die Zelle mehr Fläche zum Einfangen des Lichts hat. Bei der Fertigung der PV-Module mit Rückkontaktzellen können auf der gleichen Fläche mehr Zellen integriert werden als bei den bisherigen Standardmodulen.
Unter den Innovationen der Solarzellenkonzepte verspricht insbesondere die Technologie der siliciumbasierten Hetero-Rückkontaktzellen ein Erfolgsprodukt zu werden. Bei der Rückseitensolarzelle mit Siliciumheterokontakten werden kammförmig ineinandergreifende Metallkontakte auf der sonnenabgewandten Zellseite integriert.
Die von der Roth & Rau AG in Hohenstein-Ernstthal bei Chemnitz (Sachsen) in Zusammenarbeit mit dem Institut de Microtechnique (IMT) der Universität Neuchâtel entwickelte „Heterojunction-Solarzelle“ besteht aus mehreren unterschiedlichen Schichten und erreichte bereits Ende 2011 einen Wirkungsgrad von 21%. Die 6-Zoll-Solarzelle (156 x 156 mm) reduziert die Stromgestehungskosten um ca. 15% und kann damit u.a. auch einen Beitrag zur Netzparität leisten.
Auf einem n-leitenden Siliciumwafer werden beidseitig  dünne Schichten aus dotiertem amorphen Silicium und transparente, leitfähige Oxidschichten (TCO = Transparent Conductive Oxide) zur Aufnahme des erzeugten Stroms aufgebracht.

PERC-Zellen
Bei den derzeitig verwendeten Standard-Solarzellen wandern die Elektronen zum Minuspol auf der Vorderseite und die Elektronenlöcher zum Pluspol auf der Rückseite, wobei der Strom hier über einen Aluminiumkontakt, der großflächig auf dem Wafer liegt, abfließt. Aufgrund des Aluminiums wird hier zwar ein guter elektrischer Kontakt zum Pluspol ermöglicht, aber der direkte Kontakt zwischen dem Metall und Halbleiter führt dazu, dass sich die negativen und positiven Ladungsträger an dieser Grenze gegenseitig auslöschen. Um die dadurch erfolgten Stromverluste zu reduzieren, wird das Aluminium durch eine neue Schicht (dielektrische Passivierungsschicht aus Siliciumoxid, Siliciumnitrid oder Aluminiumoxid) ersetzt.
Der siebgedruckte Aluminium-Rückseitenkontakt hat aufgrund der lokalen Laserlegung Kontakt mit dem p-dotiertem Siliciummaterial. Durch die Verlegung der Kontakte von der Zellenvorderseite auf die Zellenrückseite werden wesentlich geringere Verschattungseffekte erreicht, als dieses bei den Standard-Siliciumzellen der Fall ist.
Der Equiptmentanbieter Gebrüder Schmid aus Freudenstadt/Schwarzwald setzt für den selektiven Emitter auf den Prozess mit stark phosphordotierter Waferoberfläche, den die Universität Konstanz entwickelt hat. Hierbei wird eine Wachsmarke im Inkjetverfahren an den Stellen aufgetragen, an denen später die Kontaktfinger angeordnet werden.
Die PERC-Technologie wird in Zukunft aus dem neuen Halbleiter „Quasi Mono-Silicium“ hergestellt, der dem multikristallinen Silicium zugeordnet ist. Der Halbleiter „Quasi-Mono“ wird wie einfaches polykristallines (multikristallines) Silicium hergestellt, hat aber überwiegend monokris­talline Eigenschaften und weist somit weniger für die Energiegewinnung hinderliche Kris­talldefekte auf. Der (quasi-)monokristalline Siliciumblock hat lediglich an den Rändern multikristalline Bereiche. Aufgrund dieser Technik lässt sich die Leistung der Solarmodule mit geringem Zusatzaufwand deutlich steigern. Die „Quasi-Mono-Zelle“ erreicht gegenüber den polykristallinen Standardzellen einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von 17,5%.

HIT- Solarmodule
Die Solarzellen der HIT-Solarmodule werden aus monokristallinen Hybridwafern, die mit dünnem amorphen Silicium beschichtet sind, hergestellt. Die Kombination aus kristalliner und amorpher Zelle bewirkt, im Vergleich zu monokristallinen Zellen, dass bei sehr hohen Modultemperaturen deutlich mehr Leistung erzeugt wird. Insofern können mit der HIT-Technologie auch kleine Dachflächen, z.B. von Privathäusern, optimal zur Solarstromerzeugung genutzt werden können.
Die neuen Hochleistungs-Bifacial-Siliciumzellen werden vom deutsch-israelischen Produkthersteller „bSolar“ hergestellt und seit Herbst 2012 in die Bifacial-Module zahlreicher Hersteller weltweit integriert.
Die hocheffizienten monokristallinen Siliciumzellen nutzen auch die Zellenrückseite, um auch reflektiertes und diffuses Sonnenlicht zu sammeln und somit zusätzlichen Strom zu erzeugen. Mit der Rückseite wird ein Wirkungsgrad von 13,5% und mit der Frontseite von 18,5% erreicht. Der Gesamtwirkungsgrad beträgt somit ca. 22% bei einer Nennleistung von 280 bis 325 W.
Die Bifacial-Zellen werden unter Verwendung von p-Typ-Wafern hergestellt und steigern die spezifischen Energieerträge (kWh/kW) um 10 bis 30%.
Die Bifacial-Hochleistungszellen werden seit Herbst 2012 von Aleo Solar in Oldenburg und von der Solarfabrik Freiburg zu Solargeneratoren verarbeitet und im Fachhandel vertrieben.
Die Panasonic Eco Solutions Energy Management Europe wird seit dem 1. April 2012 von ihrem Tochterunternehmen Sanyo Component Europe in München vertreten. Die neue Modulgeneration der 240 W-N-Serie wird aus dünnen, monokristallinen Wafern, umhüllt von ultradünnen amorphen Siliziumschichten, hergestellt. Das Solarstrommodul „HIT N240“ verfügt über einen Modulwirkungsgrad von 19,0% (Zellwirkungsgrad 21,6%). Das  „HIT H250“-Modul über einen Modulwirkungsgrad von 18,0% (Zellwirkungsgrad 20,8%).
Der Solargenerator „Premium L dual power“ von Solarfabrik Freiburg besteht aus 60 monokristallinen 6-Zoll-Zellen „Bifacial-Hochleistungszellen“ der bSolar-Heilbronn (Leistungsklassen 240, 245 und 250 W). Mit einer Nennleistung von 240 W kann eine effektive Leistung von bis zu 300 W erreicht werden sowie bei 250 W Nennleistung effektiv bis zu 313 W. Bei vertikal installierten Anlagen, z.B. an Lärmschutzwänden oder Fassaden, werden sogar 40 bis 50% Mehrertrag erreicht.
Die Performance Ratio (PR), die bei konventionellen Anlagen ca. 82% beträgt, kann bei einer Anlage mit „Premium L dual power“-Modulen über 100% liegen.
Mit 15 bis 25% höheren Energieerträgen wird eine Solaranlage mit dem „Premium L dual power“ besonders wirtschaftlich. Unterkonstruktion und Montage kosten nicht mehr als bei einer konventionellen Anlage. Gemessen am höheren Ertrag sinkt dieser Investitionkostenanteil. Die Amortisationszeit verkürzt sich – die Rendite steigt.

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Monokristalline PV-Module
Die neue Leistungsklasse der monokristallinen Module erreicht bis zu 295 W. Abnehmend ist das Angebot der Module im Leistungsbereich von 180 bis 200 W.
Alfasolar, Hannover, bietet mit dem Solarmodul „Pyramid 60 mono“ die Nennleistungsklassen von 250, 255 und 260 W mit einem Spitzenwirkungsgrad von 16,3% an. Die 60 monokristallinen Siliciumzellen werden unter einem Pyramidenglas abgedeckt, wobei diese besonders geformte, selbstreinigende Oberfläche einen Mehrertrag von bis zu 5% erreicht. Die höhere Lichtausbeute resultiert aus den Glasstrukturen, die den Lichtverlauf beeinflussen. Nach Herstellerangaben können mit diesem Pyramidenglas bei einer senkrechten Einstrahlung ca. 3,5% mehr Leistung und eine bis zu 20% höherer Leistung bei schräger Einstrahlung (80°) erreicht werden. Aus diesem Grund sei das Solarstrommodul auch für ungünstige Dachausrichtungen, wie eine Ost-/Westlage oder für GIPV-Fassaden geeignet.
Aleo Solar Deutschland, Oldenburg, produziert die Solarmodule „Aleo S 79“ und „Aleo S 79 Solrif“ - bestehend aus monokristallinen schwarzen Hochleistungszellen – zur Dachintegration, die einen Wirkungsgrad bis 15% bei einer Nennleistung von 245 W erreichen.
Centrosolar, Hamburg, produziert rahmenlose Solarstrommodule zur Dachintegration, die sowohl mit mono- als auch mit polykristallinen Zellen in den Leistungsklassen von 215 bis 225 W und 225 bis 235 W angeboten werden.
Zudem vertreibt Centrosolar einen Solargenerator mit 54 Zellen in der Leistungsklasse bis 235 W (monokristallin) sowie bis 225 W (polykristallin).
Die GermanSolar AG, Cottbus, stellt das Solarmodul „GSM6-245/250/255//260-PO6O bestehend aus 60 monokristallinen Siliciumzellen mit einen Wirkungsgrad von 14,7 bis 15,6% her.
Der Solargenerator „Black Pearl“ von Emmvee Photovoltaics, Berlin, mit 60 monokristallinen Zellen erreicht eine Nennleistung bis 300 W durch die tiefenstrukturierte Oberfläche des Frontglases (Albarino P).
Die pyramidenförmigen Vertiefungen im Glas sammeln mehr Licht, lassen es mehrfach auf die Solarzellen werfen und bewirken hierdurch eine Ertragsmehrung von bis zu 3% im Jahr.
Dieses Konstrunktionsprinzip bewirkt eine Ertragsmehrung, die insbesondere bei kleineren Einstrahlwinkeln und schwachem Licht, z.B. bei einer Solarmodulausrichtung auf sonnenarmen Norddächern, aber auch auf Dächern mit Ost-West-Ausrichtung erreicht wird.
Die MAGE Solar, Ravensburg, hat das neue PV-Modul „Powertrec mono“ mit 60 monokristallinen Zellen in den Leistungsklassen 250 bis 260 W und mit Modulwirkungsgraden von 15,7 bis zu 16,32% entwickelt. Parallel dazu erreicht das neue schwarze Modul „Powertrec mono“ mit 72 monokristallinen Zellen und einer Leistung von 200 bis 210 W einen Modulwirkungsgrad von 16,8%.
Die Entwickler von Q-Cells, Bitterfeld-Wolfen, haben bereits Mitte 2011 bewiesen, dass hohe Wirkungsgrade auch ohne selektiven Emitter oder Heteroübergang erreicht werden können. Sie holten aus einer monokristallinen Zelle mit optimierter Vorderseite und rückseitiger PERC-Struktur einen Wirkungsgrad von 20,2% heraus. Derzeit wird von Q-Cells neben dem Premium-Hochleistungsmodul „Q.PEAK“ mit 60 monokristallinen  Siliciumzellen, 6 Zoll, mit einer Nennleistung von 260 W das „Q-Peak S“ aus nur 48 monokristallinen Zellen produziert, das speziell für kleine und verwinkelte Dächer konzipiert wurde. Zudem wird von Q-Cells das„Q-Peak 240 bis 255“ mit 60 monokristallinen  Siliciumzellen und einer Nennleistung bis 255 W sowie einem Modulwirkungsgrad von 15,3% hergestellt.
Seit Ende Juni 2012 wird das erste Hochleistungsmodul mit 60 n-dotierten monokristallinen Siliciumzellen gefertigt, das einen Wirkungsgrad von bis zu 21% bei einer Nennleistung von 300 W erreicht. Die Zellenrückseite wird mit Nanoschichten verspiegelt und mittels Siebdruckverfahren kontaktiert. Die Rekordleistung dieses Solargenerators, der auf der firmeneigenen Quantum-Technologie basiert, wurde durch das SGS Freenius Prüfinstitut in Dresden bestätigt. Q-Cells hat zudem die „Anti-PID-Technologie entwickelt, die die Solarzellen und Module vor einer spannungsinduzierten Degradation schützen, bei der sonst eine Leistungsreduzierung von bis zu 20% auftreten kann.

Polykristalline Photovoltaikmodule
Die polykristallinen bzw. multikristallinen Solarzellen der neuen Leistungsklasse etablieren sich von 220 bis zu 285 W. Die Leistungsklasse bis 160 W tendiert zur Bedeutungslosigkeit.
Der norwegische Modulhersteller Innotech Solar ITS GmbH, Euerbach) hat die PV-Modulline „ITS Economy“ aus  wiederaufbereiteten Siliciumzellen entwickelt und erreicht mit 72 polykristallinen Zellen eine Nennleistung von 240 W sowie einen Wirkungsgrad von 14,5%. Die „EcoMax“ werden in den Hauptleistungsklassen 270 bis 280 W produziert.
Das Solarmodul „Prisma 60P“ des PV-Systemhauses JMS besteht aus 60 polykristallinen Siliciumzellen. Es erreicht bei einer Nennleistung von 240 W einen Wirkungsgrad von 14,4%. Für die Oberflächenbehandlung wird die „Sunarc-Technologie“ angewendet, die nach Herstellerangaben besonders bei tief stehender Sonne eine Ertragserhöhung bewirkt. Aufgrund der hohen Leistungsdichte ist das Solarmodul „Prisma 60P“ insbesondere für den Einsatz auf Ost-West-Dächern geeignet.
Das Solarmodul „KD245GH-4PB2“ von Kyocera Fineceramics, Esslingen, besteht aus 60 polykristallinen Zellen mit Drei-Busbar-Technologie und erreicht bei einer Nennleistung von 245 W einen Modulwirkungsgrad von 14,8%.
Von Q-Cells SE wird das„Q-PRO—G2 230 bis 245“ mit 60 polykristallinen  Siliciumzellen und einer Nennleistung bis 250 W hergestellt.
Der norwegische PV-Hersteller REC Solar (Renewable Energy Corporation), München, liefert neben den monokristallinen auch die polykristalline „Peak Energy“-Modulserie mit erhöhten Leistungen pro Quadratmeter. Als Innovation erzeugt das Solarstrommodul „Peak Energy Plus“ mit rückseitenpassivierten polykristallinen Zellen eine Nennleistung von 255 W. Die Zellen erreichen im Infrarotbereich auch bei ungünstigen Lichtverhältnissen und hohen Temperaturen eine höhere Ausbeute.
Solarwatt, Dresden, bietet in der neuen Produktline die Solarstrommodule „Blue 60P“ mit 60 polykristallinen Siliciumzellen und einem Wirkungsgrad von bis zu 17% an
Die Module „Blue 60P“ wurden insbesondere für den Einsatz auf Flach- und industriellen Schrägdächern konzipiert.
Suntech Power, Frankfurt/Main, hat die bestehende Modulreihe „STP250S-20Wd+ BlackPearl“ um den aus 60 polykristallinen Siliciumzellen bestehenden Modultyp „STP 255-20 Wd“ erweitert. Das Modul erreicht eine Nennleistung von 255 W und einen Wirkungsgrad von bis zu 15,2%. Zudem wurde ein neues Solarstrommodul mit 72 Pluto-PV-Zellen mit einer Nennleistung von 305 W und einem Wirkungsgrad von 15,6% entwickelt. Die „Black Pearl“- Module eignen sich insbesondere bei der Dachintegrationen, bei denen die Leistung, das Gewicht und ein ästhetisches Erscheinungsbild die Kriterien bilden.
Das Solarmodul „SM 240U“ von Sunways, Konstanz, mit polykristallinen Solarzellen ist aktuell in den Leistungsklassen von 230 bis 250 W und mit 3 Busbar-Technologie verfügbar.

Zunehmende Konkurrenz
In Zukunft werden sich die Leistung und der Wirkungsgrad der Solarstrommodule bei gleichzeitiger Kostenreduzierung weiter erhöhen. Dennoch müssen die europäischen Produkthersteller ihre Chancen in den innovativen Zell- und Modultechnologien, Materialverbesserungen und neuen Bearbeitungstechniken erweitern, weil sich zunehmend eine Konkurrenz für die kristallinen Siliciumzellen durch die Entwicklungen in der Dünnschichttechnologie bildet. Die CIS-Module erreichen bereits einen Wirkungsgrad von 15,8% und die CIGS-Module der Serienfertigung von 14%. Damit stößt die Dünnschichttechnologie in Effizienzbereiche vor, die  bisher der Siliciumtechnologie vorbehalten waren. Parallel dazu entwickeln sich die Innovationen der konzentrierenden PV-Systeme zur echten Konkurrenz der kristallinen Technologie.  

Autor: Dipl.-Ing. Eric Theiß ist als freier Journalist mit den Themenschwerpunkten Technische Gebäudeausstattung (TGA) und rationelle Regenerativtechnologien tätig. 81369 München, dipl.ing.e.theiss@t-online.de