PERC Zellen

Die PERC Technologie wurde entwickelt, um die Ertragsmöglichkeiten und somit die Effizienz moderner Fotovoltaikanlagen zu steigern. Aufgrund der Bauweise und Verwendung der Materialien herkömmlicher Solaranlagen gelangt ein Teil des Sonnenlichts durch die Module, ohne eine Gewinnung der Energien daraus zu ziehen. Mit den PERC Solarmodulen möchte man diesem Verlust entgegenwirken und die Leistungsfähigkeit und Effizienz der Zellen erhöhen.

Was sind PERC Zellen?

Die PERC-Technologie wurde erstmals im Jahr 1983 an der Univerity of New South Wales in Australien erwähnt. Schriftlich wurde das Konzept der Wirkungsgradsteigerung 1989 festgehalten. PERC ist die Abkürzung für Passivated Emitter and Real Cell (deutsch: Zelle mit passivierter Emissionselektrode und Rückseite). PERC-Zellen sind Hocheffizienzsolarzellen, die zusätzlich mit sogenannten Lichtfallen (Lighttrapping) ausgestattet ist. Auf der Rückseite der Zellen befindet sich eine reflektierende Schicht, die das passive und langwellige Licht, welches bei herkömmlichen Zellen nicht genutzt werden kann, in die Zelle zurücktransportiert. Das Licht kann jetzt verarbeitet und in Strom umgewandelt werden. PERC-Module bietet somit eine Effizienzsteigerung gegenüber gewöhnlichen Solarzellen. 

Wie funktioniert eine PERC Zelle?

Die verbesserte Lichtabsorption (Lichtaufnahme) der PERC-Technologie ist der Grund für die Leistungssteigerung der Solarzelle. Standard-Solarzellen besitzen zwei Siliziumschichten mit unterschiedlicher Polung. Man spricht hier von der Basis und dem Emitter. Durch die zwei unterschiedlichen elektrischen Polaritäten bildet sich in der Grenzfläche zwischen den beiden Schichten ein elektrisches Feld. Sich nähernde Elektronen werden in den Emitter gezogen. Mit dem einfallenden Sonnenlicht werden nun die Elektronen aus den Siliciumatomen gelöst und könne sich durch die Zelle hindurch bewegen. Wenn diese gelösten Elektronen die Grenzfläche der beiden Schichten erreichen, wird elektrischer Strom produziert. Licht gibt es in unterschiedlichen Wellenlängen. Blaues kurzwelliges Licht wird besser von der Vorderseite der Solarzelle aufgenommen und erzeugt den kompletten Strom bei konventionellen Solaranlagen. Mit der langwelligen roten Lichteinstrahlung entstehen die Elektronen eher auf der Rückseite. Das rote Licht kann bei herkömmlichen Zellen nicht in Strom umgewandelt werden und geht somit verloren. Mit den Lighttrapping Methoden der PERC Technologie wird dieser Verlust verhindert. Die zusätzliche elektrische Schicht reflektiert das rote Licht auf der Rückseite wieder in die Zelle und erhöht ihre Absorptionsrate.

Erneuerte Lighttrapping Methoden:

• Nach innen gerichtete Pyramidenstruktur aus Halbleitermaterialien.
• Streifenförmige Kontakte anstatt punktförmige Kontakte (Vorgänger: PERL-Zelle).
• Kontakte der Rückseite mit Technologie der Lasergräben der Buried-Contact-Zelle

Die PERC-Technologie wird zum Beispiel bei Fertigungen von poly- und monokristallinen Solarzellen verwendet.

Welche Vorteile hat die PERC Technologie?

Das PERC Modul erhöht sich der Wirkungsgrad der Zellen, denn das rote und langwellige Sonnenlicht kann stärker genutzt werden. Es kommt zu einem Leistungszuwachs von bis zu einem Prozent. Unter dem Begriff Wirkungsgrad versteht man den Anteil der Energie des Lichts, die durch die Zelle in Strom transformiert wird. Die Stärken der PERC Technologie zeigen sich vor allem bei schwachen und diffusen Lichtverhältnissen. Die Abend- und Morgenstunden können effizienter genutzt werden, denn während diesen Tageszeiten wird die Atmosphäre vor allem von langwelligem Rotlicht durchdringt und Blaulicht wird stärker gestreut.

Eigenschaften eines PERC Moduls

Welche Nachteile hat die PERC Technologie?

Die neue Technik der PERC-Solarzellen hat neben den vielen Vorteilen auch einige Nachteile. Mit der Installation einer PERC-Fotovoltaikanlagen erhöht sich der Wirkungsgrad, aber auch der Preis dieser Anlagen ist mit der Verarbeitung der neuen Technologien höher als der, der herkömmlichen Solaranlagen. Die Herstellung der PERC-Solarpaneels ist komplizierter und somit auch kostenintensiver. Außerdem weisen die PERC Module eine erhöhte Degradation auf. Aufgrund des speziellen Aufbaus lässt die Leistungsfähigkeit im Verlauf der Lebensdauer schneller nach. Da dieser Prozess durch langwelliges Licht begünstigt wird, sind die PERC-Module besonders davon betroffen.

Degradation von PERC Zellen

Einfach gesagt versteht man unter der Degradation eine Verminderung der Leistung. Bezogen auf die PERC Technologie unterscheidet man die LID (lichtinduzierte Degradation) und die LeTID ( Licht und Temperatur induzierte Degradation). Diese beiden Degradationseffekte führen zu einer Minderung die Leistungsstärke der PERC-Solarmodulen. Die negativen LID Auswirkungen werden durch Bor-Sauerstoff-Defekte verursacht. Die nach dem Cz-Verfahren hergestellten monokristallinen Siliziumplatten sind anfällig für die lichtinduzierte Degradation. Es gibt bereits ein anderes Verfahren, dass weniger Sauerstoff enthält (Float-Zone-Verfahren) und somit weniger LID anfällig ist. Allerdings ist der deutlich höhere Preis der Grund, warum dieses Verfahren kaum verwendet wird. Durch die Auswahl der Siliziummaterialien ist die LID- Anfälligkeit bei PERC-Zellen generell höher als bei Standard-Zellen. Der zweite Degradationsgrund ist ausgelöst von Licht und Temperatur. PERC-Module besitzen auf der Front- und auf der Rückseite dielektrische Schichten (Dielektrikum), die zur Passivierung der äußeren Fläche dienen. Diese Schichten speichern Wasserstoff und somit ist ein Eindringen von Wasserstoff von beiden Seiten möglich. Wasserstoff reagiert auf Licht und Temperatur und gehört zu den Ursachen, warum PERC-Zellen eine erhöhte LeTID-Degradation aufweisen.

Was unterscheidet eine PERC Zelle von einer herkömmlichen Solarzelle?

Der wichtigste Unterschied einer PERC-Zelle zu einer herkömmlichen Solarzelle ist ihr höherer Wirkungsgrad und ihr größere Degradationsanfälligkeit. Beide Faktoren sind auf den Aufbau der Zellen zurückzuführen, welche sich auf der Rückseite von einer gewöhnlichen Solarzelle unterscheidet. Bei den herkömmlichen Modulen ist die Siliziumplatte (Wafer) direkt mit der Aluminiumschicht auf der Rückseite verbunden und bei den Modulen mit der PERC-Technologie nicht. Hier werden die beiden Schichten voneinander getrennt. Die Aluminiumschicht und der Wafer treten nur durch feine Löcher in Kontakt, der durch eine Laserperforierung der dazwischen liegenden elektronischen Schicht ermöglicht wird. Mit dieser Zwischenschicht wird das rote Licht, das eine herkömmliche Solarzelle ohne Stromerzeugung verlässt, zurück reflektiert und effizient genutzt. Langwelliges Licht erhöht die Degradation und stellt somit ein Problem der PERC-Module gegenüber der herkömmlichen Zellen dar.

Aufbau einer herkömmlichen Solarzelle

Eine kristalline Solarzelle ist der heutige Standard. Im Folgendem wird der Aufbau eines dieser Solarmodule von unten nach oben gezeigt:

• Siebdruck mit Aluminiumpaste 
• Back Surface Field aus Aluminium (Rückseitenoberfläche)
• Silizium Wafer 
• Antireflex-Beschichtung
• Kontakte an Siebdruck mit Silberpaste 

Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Solarzelle, die rückseitig aus Aluminium besteht, wird hier bei der PERC Zelle eine spezielle elektrische Schicht erzeugt.