HJT-Solarpanel: Funktionen, Vorteile und Vergleich mit anderen Technologien

Solarmodule auf Basis kristalliner Siliziumtechnologie (c-Si) dominieren seit langem den Markt. Aber wussten Sie, dass es eine fortschrittliche Modultechnologie gibt, die auf innovative Weise verschiedene Formen von Siliziummaterialien kombiniert und im Vergleich zu herkömmlichen c-Si-Modulen eine bemerkenswerte Leistung erzielt? Das ist das HJT-Solarpanel!

Dieses Schritt-für-Schritt-Tutorial führt Sie durch die Funktionen und Vorteile des HJT-Solarmoduls. Sie werden auch verstehen, wie es im Vergleich zu konkurrierenden Modultechnologien abschneidet.

Grundlagen: Was ist das HJT-Solarpanel?

Heterojunction (HJT) Solarmodule wurden in den 1980er Jahren von der japanischen Firma Sanyo Electric (einer Tochtergesellschaft von Panasonic), wobei die ersten kommerziellen Produkte im Jahr 1997 auf den Markt kamen. Der Kern dieser Technologie besteht darin, die Effizienz herkömmlicher Solarzellen zu verbessern, indem kristallines Silizium (c-Si) mit einer Dünnschicht aus amorphem Silizium (a-Si) kombiniert wird, um eine Hybridzelle zu schaffen.

HJT-Zellmaterialien

In HJT-Zellen wird als c-Si-Material typischerweise monokristallines Silizium verwendet, das sich durch eine außergewöhnliche Lichtabsorptionseffizienz auszeichnet. Dank dieser Materialeigenschaft ist es in der Lage, einen erheblichen Anteil des einfallenden Sonnenlichts in Elektrizität umzuwandeln.

Andererseits wird das a-Si-Material verwendet, um ergänzen einige Schwächen des c-Si-Materials und stellen Sie mehrere herausragende Stärken vor. 

Zunächst einmal hat a-Si eine höhere Bandlücke von ungefähr 1.7 eV, verglichen mit der schmaleren Bandlücke von 1.1 eV des c-Si-Materials. Diese größere Bandlücke ist bei HJT-Zellen von Vorteil, da das a-Si-Material Photonen mit höherer Energie effizienter absorbieren kann, was die Gesamtabsorptionsfähigkeit der HJT-Zelle verbessert.

Zweitens ermöglicht die Bandlückeneigenschaft von a-Si im Gegensatz zur indirekten Bandlücke von c-Si eine effizientere Lichtabsorption auch in dünneren Schichten, was zu einem Potenzial für flexiblere HJT-Panel-Designs beiträgt.

Darüber hinaus ist a-Si-Material wirksam bei der Passivierung der Oberflächendefekte des c-Si-Wafers. Seine Verarbeitung bei niedrigen Temperaturen und die einfache Abscheidung machen die Integration mit c-Si-Material einfacher und kostengünstiger, was es zu einer ausgezeichneten Materialwahl zur Reduzierung der Oberflächenrekombination macht.

Durch die Kombination seiner unterschiedlichen Eigenschaften weist das a-Si-Material eine verbesserte Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen sowie einen niedrigen Temperaturkoeffizienten auf.

Zu den weiteren Materialien, die in einer HJT-Zelle verwendet werden, gehören Beschichtungen, transparente leitfähige Oxidschichten (TCO), Elektroden, Kapselungen und Metallrahmen.

Typischer Aufbau einer HJT-Zelle

Wie in der folgenden Abbildung dargestellt, spielt jede Schicht in einer Heteroübergangs-Solarzelle eine einzigartige und entscheidende Rolle für das Erreichen einer hohen Effizienz.

• Monokristallines Siliziumsubstrat: Dient als primäre Absorberschicht, in der der Großteil der Lichtabsorption und der Erzeugung von Elektronen-Loch-Paaren (eh) stattfindet. In HJT-Zellen wird häufig n-Typ-Silizium verwendet, da es eine verbesserte Trägermobilität und eine reduzierte LID bietet.
• innere a-Si-Schichten (ia-Si:H): Wie in der Abbildung gezeigt, werden diese undotierten Schichten auf beiden Seiten des c-Si-Substrats angebracht, um eine Oberflächenpassivierung zu gewährleisten.
• Dotierte amorphe Siliziumschichten: Diese Schichten werden auf/unter den ia-Si:H-Schichten platziert und dotiert, um die p-Typ- und n-Typ-Regionen zu erzeugen. Die p-dotierte a-Si-Schicht fungiert als Emitter und bildet einen Heteroübergang, der bei der Ladungstrennung hilft, während die n-dotierte a-Si-Schicht als BSF dient, die Passivierung verbessert und so die Rekombination verringert.
• TCO-Schichten: Normalerweise bestehend aus ITO, ZnO oder FTOTCO-Schichten werden auf die Vorderseite (und manchmal auch auf die Rückseite) der Zelle aufgebracht und fungieren als leitfähige Schichten, die auch Licht durchlassen, wodurch die Lichtabsorption verbessert und elektrische Verluste verringert werden.
• Antireflex-Beschichtung (ARC): Es wird auf die Oberfläche einer HJT-Zelle aufgetragen, um die Reflexion des Sonnenlichts zu reduzieren und die Lichtabsorption zu erhöhen.
• Verkapselung und Schutzschichten: Die Verkapselung erfolgt üblicherweise mit Ethylen-Vinylacetat (EVA) oder Polyvinylbutyral (PVB), mit einer Frontschicht aus gehärtetem Glas und einer Rückseitenfolie. Zusammen schützen sie die Zelle vor Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit, Staub und mechanischen Beschädigungen.
• Metallelektroden
• Paneelrahmen

So funktioniert ein HJT-Solarpanel

HJT-Panels optimieren Lichtabsorption, Ladungstrennung und Stromerzeugung durch die Kombination von kristallinen und amorphen Siliziumschichten.

Das allgemeine Funktionsprinzip kann wie folgt beschrieben werden:

Sonnenlicht dringt hauptsächlich durch TCO- und a-Si-Schichten und erreicht den c-Si-Wafer, der Elektronen-Loch-Paare erzeugt. Intrinsische a-Si-Schichten reduzieren Rekombinationsverluste, während p-Typ- und n-Typ-dotierte Schichten elektrische Felder erzeugen, die diese Ladungsträger effizient trennen und zu den Metallkontakten leiten.

Die TCO-Schichten leiten die Ladungsträger mit minimalem Widerstand und lassen Licht durch. Wenn Elektronen zum vorderen Kontakt und Löcher zum hinteren Kontakt wandern, entsteht ein elektrischer Strom, der durch einen externen Schaltkreis fließt und nutzbare Elektrizität erzeugt. 

Die „Bifazialität“ von HJT-Solarmodulen

Obwohl einseitige Konfigurationen verfügbar sind, sind viele effiziente HJT-Solarmodule auf dem Markt mit beidseitiger Lichtabsorption konzipiert und folgen der oben erläuterten Struktur.

Durch die Ausstattung des Panels mit doppelseitigem TCO und gehärtetem Glas können bifaziale HJT-Module im Vergleich zu monofazialen Modulen bis zu 20–30 % mehr Energie erzeugen, je nach Installationsumgebung und Albedo der Bodenoberfläche.

Bifaziale HJT-Module haben im Vergleich zu herkömmlichen bifazialen Modulen auf c-Si-Basis einen höheren Wirkungsgrad. Einige Studien zeigen, dass sie durch die Kombination der Vorteile von c-Si- und a-Si-Materialien einen Wirkungsgrad von über 25 % erreichen und auch andere fortschrittliche bifaziale Technologien wie bifaziales TOPCon und PERC übertreffen können.

Dank ihrer hohen Bifazialität sind HJT-Panels eine hervorragende Wahl zur Maximierung des Energieertrags.

HJT-Panels im Vergleich zu anderen Panel-Technologien

Die Besonderheit von HJT-Solarmodulen beruht auf der bahnbrechenden Zusammensetzung und Architektur ihrer Halbleitermaterialien. Obwohl es nur wenige vergleichbare kommerzielle Produkte gibt, kann die Untersuchung herkömmlicher bifazialer Module und PERC-Module ein tieferes Verständnis der HJT-Technologie vermitteln.

HJT-Panels im Vergleich zu bifazialen Panels auf c-Si-Basis

Traditionelle bifaziale Solarmodule auf c-Si-Basis haben sich nach Jahrzehnten der Entwicklung zu einer etablierten Technologie entwickelt. Sie können aus monokristallinen oder polykristallinen Zellen bestehen und können Sonnenlicht sowohl von vorne als auch von hinten einfangen.

HJT-Panels basieren auf der Idee traditioneller bifazialer Panele und sind zur beidseitigen Absorption fähig. Durch die Integration von a-Si-Materialien können sie ihr Lichtabsorptionsvermögen noch weiter verbessern.

Beide Panel-Technologien bieten höhere Effizienz und Energieproduktion. Darüber hinaus weisen HJT-Panels bei schlechten Lichtverhältnissen und hohen Temperaturen im Allgemeinen eine bessere Leistung auf als herkömmliche bifaziale Panels.

HJT-Panels vs. PERC-Panels

PERC-Panels verwenden eine unkomplizierte und kostengünstige Passivierungstechnik zur Reduzierung der Oberflächenrekombination, einem häufigen Phänomen bei Solarmodulen, wodurch die Effizienz gesteigert wird. Im Gegensatz zu PERC verfügen HJT-Module über komplexere und teurere Passivierungsschichten, die die Anschaffungskosten der Produkte in die Höhe treiben.

PERC-Module können zwar auch als bifaziale Module konstruiert werden, ihre Bifazialität ist jedoch schlechter als die von HJT-Modulen. Darüber hinaus sind die vergleichsweise teureren HJT-Module aufgrund ihrer geringeren Degradationsraten, ihrer besseren Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen und ihres niedrigen Temperaturkoeffizienten auf langfristige Kosteneinsparungen optimiert.

Mit anderen Worten: PERC-Panels sind möglicherweise für viele Standardanwendungen geeignet, bei denen nach effizienteren Lösungen zu erschwinglichen Preisen gesucht wird.

Aktuelle Entwicklungen bei Heteroübergangs-Solarmodulen

Bei Heteroübergangs-Solarmodulen gab es in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte. 

Führende Hersteller von HJT-Solarmodulen haben versucht, zurück Kontakt und berührungslosem Lasertransferdruck zur Minimierung der Gitternetzlinienfläche, wodurch Vergrößerung der aktiven Fläche der Zellen und Verbesserung der Gesamteffizienz.

Einige haben auch entwickelt flexible HJT-Solarzellen mit Wirkungsgraden von über 25 %, abhängig von der Dicke der Zellen. Diese Zellen sind dünner und leichter, was neue Anwendungen in tragbaren elektronischen Geräten, BIPV, Solarfahrzeugen und anderen Bereichen eröffnen kann, und stellen damit eine neue Konkurrenz zu herkömmlichen Dünnschichtplatten.

Darüber hinaus haben Forscher aus dem Chinesische Akademie der Wissenschaften haben ein Modell zur Vorhersage der Lebensdauer von HJT-Modulen entwickelt, das Faktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit und UV-Bestrahlung berücksichtigt. Dieses Modell hilft dabei, die Degradation zu verstehen und zu mildern und so effizientere und robustere HJT-Panelprodukte zu bauen.

Was sind die Vor- und Nachteile von HJT-Panels?

Nachfolgend finden Sie eine Zusammenfassung der Vor- und Nachteile von Heterojunction-Panels, die Ihnen die Entscheidung erleichtern sollen.

Vorteile von HJT-Panels

• High Efficiency : HJT-Module gehören zu den effizientesten Solartechnologien auf dem Markt. Durchschnittliche Produkte erreichen Umwandlungswirkungsgrade von über 22 % und Spitzenprodukte bzw. bifaziale Produkte von über 25 %.
• Hohe Bifazialität: Bifaziale HJT-Produkte weisen einen hohen Bifazialitätsfaktor von über 90 % auf und sind daher ideal für Projekte, bei denen das reflektierte Sonnenlicht voll ausgenutzt werden kann.
• Reduzierte Degradation: Durch die Nutzung der Vorteile hochwertiger monokristalliner Silizium-Wafer vom N-Typ und ihrer besonderen Struktur sind HJT-Panels weniger anfällig für lichtinduzierte Degradation (LID), was ihre Langzeitleistung verbessert.
• Temperaturbeständigkeit: Diese Paneele haben einen niedrigen Temperaturkoeffizienten, was bedeutet, dass sie auch in Umgebungen mit hohen Temperaturen eine hohe Effizienz beibehalten.
• Gute Leistung bei schwachem Licht: HJT-Solarmodule funktionieren gut bei schlechten Lichtverhältnissen, beispielsweise an bewölkten Tagen oder am frühen Morgen und späten Abend, und sorgen so den ganzen Tag über für eine höhere Energieausbeute.
• Vielseitigkeit: Diese Paneele sind im Allgemeinen dünner und leichter, sodass sie für verschiedene Anwendungen geeignet sind, darunter Wohngebäude, C&I-Installationen sowie BIPV-Projekte. 

Die Nachteile

• Höhere Anschaffungskosten: Die Herstellung von HJT-Panels erfordert spezielle Ausrüstung und Fachwissen, was wiederum zu höheren Anschaffungskosten führt. Dies könnte für einige Verbraucher mit einem moderaten Budget ein Hindernis darstellen.
• Begrenzte Verfügbarkeit: Da es sich um eine relativ neue Technologie handelt, sind HJT-Panels nicht so weit verbreitet wie etabliertere Paneltypen. Dies könnte die Optionen für einige Verbraucher einschränken, die eine Skalierung planen.

Fazit

HJT-Solarmodule verbessern die Effizienz und die Gesamtleistung durch die Umwandlung ihrer Halbleitermaterialien und der zugehörigen Architektur und stellen damit einen Meilenstein in der Geschichte der Branche dar.

Auf der anderen Seite stellt diese Innovation einen wichtigen Weg zur Innovation von Solarmodulen dar, nämlich durch die Kombination der Vorteile verschiedener Halbleitermaterialien in einem einzigen. Neben der Heteroübergangstechnologie spiegelt auch die aufkommende Tandemzellentechnologie aus kristallinem Silizium und Perowskit dieses Konzept wider.

Derzeit sind die Anschaffungskosten zwar höher und die Verfügbarkeit begrenzt, doch mit der Weiterentwicklung der Technologie und der Ausweitung der Produktion könnten einige dieser Nachteile gemildert werden, sodass Solarenergie zu einer zunehmend attraktiveren Option für Solarprojekte wird.