Industrie sieht PERC-Module vor dem Durchbruch

Kristallinen Modulen mit passivierten Zellrückseiten (sogenannte PERC-Module) wird schon lange der Siegeszug in der Photovoltaik vorausgesagt. Nun erhöht die Solarindustrie die Produktionsmenge zunehmend, vor allem offenbar für monokristalline Module. Denn bei polykristallinen Fabrikaten gibt es einen Haken: Studien zeigen, dass sie unter Lichteinwirkung mehr als zehn Prozent an Leistung verlieren können. Zwei Hersteller geben dabei an, das Problem bereits gelöst zu haben.

Polykristalline PERC-Module sind anfällig dafür, nach erstem Kontakt mit Licht an Leistung einzubüßen. Zwei Firmen geben an, das Problem gelöst zu haben. Hanwha Q Cells ist mit den Fabrikaten der Reihe Q.antum eine davon. Foto: Hanwha Q Cells

Polykristalline PERC-Module sind anfällig dafür, nach erstem Kontakt mit Licht an Leistung einzubüßen. Zwei Firmen geben an, das Problem gelöst zu haben. Hanwha Q Cells ist mit den Fabrikaten der Reihe Q.antum eine davon. Foto: Hanwha Q Cells

Im September 2011 stellte Schott Solar einen Rekord auf: Die inzwischen nicht mehr in der Photovoltaikproduktion aktive Firma präsentierte eine branchenübliche monokristalline Solarzelle mit 20 Prozent Wirkungsgrad. Erreicht hatte das Unternehmen diesen Wert nicht durch ein grundlegend neues Zellkonzept oder die Verwendung neuer Materialien, sondern durch zwei Kniffe: Zusätzliche Fremdatome erhöhten die Leitfähigkeit der Zelle und die Passivierung der Zellrückseite senkte die elektrischen Verluste. Gewöhnlich bilden die Hersteller nur auf der Vorderseite eine solche Passivierungsschicht aus, um den Verlust von Ladungsträgern zu minimieren. PERC (passivated emitter rear coating) wurde das neue Verfahren genannt. Der Wirkungsgrad von kristallinen Modulen lässt sich damit um rund einen Prozentpunkt erhöhen. Bei weiterer Verfeinerung der Produktionsabläufe erzielen manche Hersteller noch höhere Steigerungsraten.

Seit mehreren Jahren prognostiziert die Wissenschaft, dass sich die PERC-Technologie in den Fertigungsstätten ausbreiten werde. Fast alle großen Maschinenbauer bieten heute entsprechende Produktionsanlagen an. Das ermöglicht eine Wirkungsgradsteigerung bei überschaubarem Aufwand in der Fertigung – für jedes Unternehmen, das Module aus poly- oder monokristallinem Silizium herstellt. So überrascht es nicht, dass die jüngsten Wirkungsgradrekorde fast durchgehend mit PERC-Modulen erzielt wurden: 22,1 Prozent vermeldete Trina Solar im Dezember mit monokristallinem Material, 22 Prozent erreichte jüngst Solarworld ebenfalls mit einem monokristallinem PERC-Modul. Bei polykristallinen Fabrikaten liegen die Hersteller dicht hinter diesen Werten: 21,25 Prozent erreichte hier Trina, die 20-Prozent-Marke knackte JA Solar bereits 2014.

Produktion 2015 bei drei Gigawatt und 2016 sollen es acht Gigawatt werden

Die PERC-Technologie setze sich jetzt am Markt durch, erklären Experten aus Wirtschaft und Wissenschaft in einer aktuellen Studie. Die Autoren Shravan Chunduri und Michael Schmela schätzen die Produktion des vergangenen Jahres auf drei Gigawatt. Dieses Jahr steige sie auf mehr als acht Gigawatt. Der Anteil monokristalliner Module liege dabei deutlich über dem polykristalliner. Die Photovoltaikindustrie erwartet laut der Plattform „International Technology Roadmap for Photovoltaics“ 2018 einen weltweiten Marktanteil von 20 Prozent für sämtliche Module mit passivierten Zellrückseiten. Bislang sind mehr als ein Dutzend Unternehmen bekannt, die PERC-Module fertigen.

Nur eines hindert möglicherweise die Entwicklung – zumindest die von polykristallinen PERC-Modulen mit passivierten Zellrückseiten, heißt es in der Studie. Denn diese sind anfällig für eine Form des Leistungsverlusts, die lichtinduzierte Degradation (LID). Bekannt ist LID vor allem von Dünnschichtmodulen, deren Leistung in den ersten Stunden nachgibt und sich nach einem längeren Prozess von mehreren hundert Stunden auf einem geringerem Niveau wieder stabilisiert. Auch kristalline Module auf Basis von Silizium können von dieser Degradation betroffen sein, aber in deutlich geringerem Ausmaß als bei Dünnschichtmodulen. Bekannt waren nennenswerte Verluste in der Vergangenheit jedoch eher in Zusammenhang mit monokristallinen Fabrikaten. Als Ursache gelten dabei Verunreinigungen im Silizium mit Eisen und Sauerstoff. Je nach Reinheit des Ausgangsstoffs kann der Leistungsabfall bei unter einem Prozent bis hin zu sieben Prozent liegen.

LID bei polykristallinen PERC-Modulen stärker als bei monokristallinen

Da polykristallines Silizium geringere Verunreinigungen mit den genannten Elementen aufweist, ist das Potenzial für den beschriebenen Degradationsprozess eher gering ausgeprägt. Dass polykristalline Module für diese Form von LID weniger anfällig sind, bestätigten wissenschaftliche Untersuchungen. Lediglich eine Studie des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) wies vor zwei Jahren auf höhere Degradationen von bis zu vier Prozent hin. Ob es sich dabei möglicherweise um PERC-Module handelte, ließen die Forscher offen. Denn polykristalline PERC-Module können im Gegensatz zu polykristallinen Modulen ohne passivierte Zellrückseite stärkere Leistungsverluste zeigen, wenn sie erstmals Licht ausgesetzt werden.

Dies fiel zuerst Forschern von Schott Solar auf, die darüber 2012 zur Photovoltaikkonferenz PVSEC berichteten. Über eine Zeitraum von 400 Stunden und bei 75 Grad Celsius verringerte sich die Leistung getesteter Module um mehr als fünf Prozent, stellten sie fest. Eine Ursache konnten sie nicht ausmachen. Aber sie schlossen aus, dass die Degradation durch die bei monokristallinen Modulen bekannten Prozesse ausgelöst wird. Es müsse sich um eine neue Form von lichtinduzierter Degradation handeln, folgerten die Forscher. Von diesem Typ von LID sind nun wiederum monokristalline PERC-Module weniger betroffen. In der Untersuchung von Schott Solar zeigten die monokristallinen Prüflinge im Test Leistungseinbrüche um rund 1,5 Prozent.

Vorgänge auf Zellebene bis heute ungeklärt

So ist der Stand der Wissenschaft bis heute: Warum polykristalline PERC-Module von diesem neuen Typ lichtinduzierter Degradation betroffen sein können, weiß die Branche nicht genau. Erkannt wurde, dass der Leistungsabfall von hohen Umgebungstemperaturen befördert wird und ganz oder teilweise reversibel ist. Bis sich die Module erholt haben, können aber mehr als 1.000 Stunden vergehen. Zudem zeigt eine Studie von Hanwha Q Cells und der TU Freiberg, dass die Leistungsminderung bei Modulen im Labor auch bei mehr als zehn Prozent liegen kann, ehe sie sich möglicherweise wieder verringert. Im Freien gab es eine weitere Untersuchung, die sich an einem Standort in Deutschland über ein halbes Jahr erstreckte: Die Leistung brach dabei in den ersten drei Monaten um 7,5 Prozent ein. Danach regenerierte sie sich fast vollständig wieder.

Auch wenn die Abläufe in der Solarzelle nicht klar sind, die die Degradation auslösen – wie sich polykristalline PERC-Module herstellen lassen, die von dem Phänomen nicht betroffen sind, wollen zwei Hersteller bereits herausgefunden und umgesetzt haben: Hanwha Q Cells und REC. In einer Studie des Fraunhofer-Center für Siliziumphotovoltaik (CSP) und des Anlagenbauers Meyer Burger werden ein für LID anfälliges Modul und ein dagegen resistentes untersucht. Woher die Module stammen, bleibt unausgesprochen. Das LID-anfällige Modul büßt fast zehn Prozent seiner Leistung ein. Das resistente bleibt nahezu stabil. Die Schlussfolgerung der Forscher ist: „Ein optimierter Zellprozess von Meyer Burger kann das Auftreten von LID an polykristallinen PERC-Zellen verhindern.“




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