Solarzellen verstehen: Technologieklassifikation, Entwicklung und zukünftige Trends
Der Klimawandel und der steigende Energiebedarf machen Solarenergie zu einem zentralen Thema auf dem globalen Energiemarkt. Im Mittelpunkt dieser Entwicklung steht die Solarzellentechnologie, die in den letzten Jahren einen rasanten Wandel erlebt hat. Von p-Typ- und n-Typ-Zellen bis zu innovativen Konzepten wie PERC und TopCon bietet die Solarbranche mittlerweile eine breite Palette an Technologien, die sowohl Verbraucher als auch Branchenexperten herausfordern. Dieser Artikel bietet einen umfassenden Überblick über die wichtigsten Solarzellentechnologien, deren Entwicklung und die aktuellen Markttrends.
1. Klassifikation nach der Entwicklungslinie der Zelltechnologie
1.1 Kristalline Silizium-Solarzellen (Erste Generation)
Kristalline Silizium-Solarzellen dominieren weiterhin den Markt mit einer Effizienz von über 20 %. Trotz höherer Herstellungskosten sind sie aufgrund ihrer höheren Leistung und Stabilität besonders beliebt. Basierend auf den Silizium-Eigenschaften können diese Zellen in polykristalline und monokristalline Solarmodule unterteilt werden:
- Polykristalline Solarmodule: Diese Module werden aus polykristallinen Siliziumblöcken hergestellt und sind kostengünstiger. Ihre Energieumwandlungseffizienz liegt jedoch etwas unter der von monokristallinen Modulen.
- Monokristalline Solarmodule: Diese Module bestehen aus monokristallinem Silizium, das aus polykristallinem Material hergestellt wird und eine höhere Umwandlungseffizienz bietet. Mit der Weiterentwicklung der monokristallinen Siliziumtechnologie und der Senkung der Produktionskosten verdrängen diese Module zunehmend die weniger effizienten polykristallinen Module und haben sich als Marktstandard etabliert.
1.2 Dünnschicht-Solarzellen (Zweite Generation)
Dünnschicht-Solarzellen verwenden weniger Material und sind dadurch kostengünstiger. Allerdings erreichen sie nur etwa die Hälfte der Effizienz kristalliner Siliziumzellen. Diese Technologie findet vor allem Anwendung in flexiblen, kleineren Anwendungen und hat sich in großen Photovoltaikanlagen bisher weniger durchgesetzt.
1.3 Neue Solarzellentechnologien (Dritte Generation)
Da die Effizienz der aktuellen Siliziumtechnologien fast an die theoretische Grenze stößt, investieren Hersteller verstärkt in innovative Ansätze, um die Effizienz weiter zu steigern und Kosten zu senken. Insbesondere Perowskit-Solarzellen gelten als vielversprechend und könnten die nächste Generation der kommerziellen Solarzellen einläuten.
2. Unterkategorien der kristallinen Silizium-Module nach der Eigenschaft
2.1 p-Typ Solarmodule
P-Typ Solarmodule verwenden Siliziumscheiben, die mit Bor- oder Gallium-Atomen dotiert sind, und umfassen vor allem die BSF- und PERC-Zellen.
PERC-Technologie (Passivated Emitter Rear Cell): Diese Technologie nutzt eine Rückseitenpassivierung, die 2016 erstmals eingeführt wurde und die Effizienz um 0,5 % bis 1 % steigern konnte. Bis 2022 hatte der PERC-Zellenanteil am Weltmarkt 90 % erreicht, wobei p-Typ PERC-Module einen Wirkungsgrad von 21,1 % bis 21,5 % aufweisen.
2.2 n-Typ Solarmodule
N-Typ Solarmodule sind mit Phosphor- oder Arsen-Atomen dotiert, was die Lichtdegradation reduziert und zu einer höheren Effizienz von 22 % führt. Darüber hinaus bieten n-Typ-Module Vorteile bei der Temperaturstabilität und sind bei geringer Lichtintensität leistungsfähiger.
3. Haupttechnologien der n-Typ Zellen: TOPCon und HJT
3.1 TOPCon-Technologie (Tunnel-Oxid-Passivierter Kontakt)
Das TOPCon-Technologie basiert auf einer Passivierungsschicht an der Zellrückseite, die aus einer dünnen Siliziumoxidschicht und einer Phosphor-dotierten polykristallinen Siliziumschicht besteht. TOPCon-Zellen erreichen Effizienzen von über 22,5 %, wobei die theoretische Effizienz nahe bei 28,7 % liegt. Es ist die optimale Übergangslösung von P-Typ-PERC- zu N-Typ-Zellen, da das Hochtemperaturverfahren stark mit PERC kompatibel ist und die Aufrüstung der Produktionslinie kostengünstig ist, was besonders für Hersteller mit bereits großer Produktionskapazität attraktiv ist.
3.2 HJT-Technologie (Heterojunction)
Die HJT-Technologie (Heterojunction) basiert auf einem N-Typ-Kristallsilizium als Basisschicht, das auf der Vorder- und Rückseite mit einer Dünnschicht-Solartechnologie kombiniert wird. Die durchschnittliche Wirkungsgradrate in der Massenproduktion liegt bei über 22 %, mit einer theoretischen Effizienz von 28,5%. Obwohl der HJT-Prozess aufgrund seiner Niedrigtemperaturtechnologie nicht direkt auf bestehende PERC-Anlagen umgerüstet werden kann, ist der Fertigungsprozess vereinfacht. Weiterhin bietet es ein größeres Potenzial zur Kostenreduktion und die Möglichkeit, mit IBC-, Perowskit- und anderen Technologien kombiniert zu werden. Dies macht HJT besonders geeignet für Unternehmen, die neu in den Photovoltaikmarkt eintreten.
4. Zukünftige Trends bei Solarzellen
4.1 IBC-Technologie (Interdigitated Back Contact)
Im Gegensatz zu TOPCon und HJT, die durch Passivierung höhere Wirkungsgrade erzielen, basiert IBC auf einer Rückseitenkontaktstruktur, die den Verlust durch Gitterlinien auf der Vorderseite minimiert. Die derzeitige Effizienz von IBC-Zellen liegt bei ca. 23 %, mit einem theoretischen Maximum von 29,1 %. IBC ist zwar aufgrund der aufwendigen Produktion teurer, kann jedoch durch Kombination mit anderen Technologien wie PERC, TOPCon oder HJT den Effizienzen von über 30 % erzielen und bietet daher großes Potenzial. Branchenprognosen zufolge wird die hybride BC-Technologie schließlich die TOPCon ersetzen und die führende Technologie bei kristallinen Siliziumzellen werden.
4.2 Perowskit-Solarzellen — die neue Generation
Perowskit-Solarzellen verwenden Materialien mit einer Perowskit-Kristallstruktur als Absorberschicht und zeichnen sich durch niedrige Herstellungskosten, Leichtigkeit und Flexibilität aus. Die theoretische Effizienz für eine Perowskit-Einzelzelle liegt bei 33 %, allerdings wird eine kommerzielle Nutzung durch die Stabilitätsprobleme der Perowskit-Materialien bei größeren Zellgrößen eingeschränkt.
Jüngste Durchbrüche, die im September von Forschungsteams aus China und Kanada erzielt wurden, haben jedoch gezeigt, dass eine Kombination aus Effizienz und Stabilität zunehmend möglich ist und den Weg für die Perowskit-Technologie ebnet.
Fazit
Der Entwicklungsweg der Solarzellenindustrie zeichnet sich durch ständige Fortschritte bei Effizienz, Kostenreduktion und Langlebigkeit aus. Vor dem Hintergrund der weltweiten Dekarbonisierung wird Solarenergie auch in Zukunft eine zentrale Rolle in der nachhaltigen Energieerzeugung spielen. Der Fokus der Branche wird auf der Balance zwischen Leistung und Kosten liegen, und welche Batterietechnologie sich als die nächste dominierende durchsetzen wird, lassen wir uns überraschen.
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