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PERC-Solarmodul: Stärken, Funktionsweise im Vergleich zu anderen Modultechniken

Das Streben nach höherer Paneleffizienz in der Solarindustrie kennt keine Grenzen und hört nie auf. Das PERC-Solarmodul ist eine relativ neue Technologie auf diesem Gebiet, die erstmals in den 1980er Jahren entwickelt wurde. Ihre kommerzielle Anwendung hat jedoch erst im letzten Jahrzehnt Fahrt aufgenommen, was auf eine Kombination aus steigender Nachfrage nach effizienteren Panels und bemerkenswerten Verbesserungen zurückzuführen ist.

Dieser Leitfaden führt Sie durch die verschiedenen Themen im Zusammenhang mit dieser Panel-Technologie, darunter:

  • Zusammensetzung und Struktur
  • So funktioniert diese Technologie
  • Effizienzdurchbrüche
  • Vergleich mit anderen hocheffizienten Paneltechnologien
  • PERC-Panel-Innovationen

Was ist das PERC-Solarpanel? Wie funktioniert es?

PERC steht für Passivated Emitter and Rear Contact und ist eine Solarpanel-Technologie, die die Effizienz herkömmlicher Silizium-Panels steigern soll.

Zusammensetzung und Struktur

PERC-Solarmodule werden nicht aus völlig neuen Materialien hergestellt, sondern sind im Wesentlichen verbesserte Versionen herkömmlicher Module aus kristallinem Silizium (c-Si), die neben einer ausgeklügelten Optimierung auch eine zusätzliche Passivierungsschicht auf der Rückseite aufweisen.

Im Allgemeinen sind die meisten Schichten in einer PERC-Solarzelle mit denen in herkömmlichen Siliziumzellen identisch, abgesehen von PERC-spezifischen Verbesserungen. (siehe Abbildung unter der Liste)

  • Frontkontakt
  • Antireflex-Beschichtung (ARC)
  • Frontpassivierungsschicht: Die meisten modernen c-Si-Module werden ausgestattet mit Diese Schicht dient zur Reduzierung der Oberflächenpassivierung.
  • Absorptionsschicht: Die n-Typ- und p-Typ-Siliziumschichten bilden gemeinsam die Absorptionsschicht, in der Licht absorbiert wird und Elektron-Loch-Paare erzeugt und getrennt werden, um Elektrizität zu erzeugen.
  • Hintere Passivierungsschicht: Es ist das Kernmerkmal von PERC-Zellen aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Siliziumdioxid (SiO₂) und ist dafür verantwortlich, nicht absorbiertes Licht zurück in die Zelle zu reflektieren und gleichzeitig die Rekombination zu reduzieren.
  • Dielektrische Deckschicht: Normalerweise aus Siliziumnitrid (SiNx) hergestellt, ist es eine verstärkte Schicht, die die Zelle isolieren und die Haltbarkeit und Passivierungsqualität verbessern soll.
  • Lokale Rückseitenfelder: Sie sind ergänzende Teile der beiden zuvor erwähnten Schichten in PERC-Zellen, die durch das Öffnen kleiner Kontaktpunkte in der hinteren Passivierungsschicht und anschließendes Einbringen schwerer p-Typ-Dotierstoffe in diese lokalisierten Bereiche entstehen. Sie sind so konzipiert, dass sie eine verbesserte, lokalisierte Passivierung bieten und die Rekombination speziell an den Punkten minimieren.
  • Rückseitiger Kontakt
Aufbau des PERC-Solarmoduls
Schematische Darstellung der PERC-Silizium-Solarzelle
Hannebauer H. Einzeldruck-Metallschablonen für hocheffiziente PERC-Solarzellen. Energy Procedia. 2016;98:40-45. doi:10.1016/j.egypro.2016.10.079

So funktioniert ein PERC-Panel

Insgesamt umfasst das Funktionsprinzip von PERC-Panels mehrere Schlüsselelemente.

Zunächst trifft das einfallende Sonnenlicht auf die Vorderseite des Panels. ARC sorgt dafür, dass die maximale Menge Sonnenlicht in die Zelle gelangt. 

Das Sonnenlicht erreicht dann die vordere Passivierungsschicht, wo die Schicht dazu beiträgt, die anfängliche Oberflächenrekombination zu verringern, was eine effizientere Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren ermöglicht.

Unmittelbar danach erzeugen die vom Siliziummaterial absorbierten Photonen Elektron-Loch-Paare, die dann durch das elektrische Feld innerhalb der Solarzelle getrennt werden, wodurch eine elektrische Potenzialdifferenz entsteht und ein elektrischer Strom erzeugt wird.

Die passivierte Rückseite weitere Hilfen Minimieren Sie die Rekombination der Ladungsträger, sodass mehr Ladungsträger zum elektrischen Strom beitragen können. Außerdem wird nicht absorbiertes Licht für einen zweiten Absorptions-/Umwandlungsversuch zurück in die Zelle reflektiert.

PERC-Solarmodule im Vergleich zu anderen Modultechnologien

Indem wir diese Technologie mit anderen vergleichen, können wir die idealen Szenarien für die Einführung von PERC-Panels identifizieren und ihre Vorteile maximieren.

PERC- und PERT-Panels im Vergleich

Zunächst erfolgt ein Vergleich zwischen PERC- und PERT-Panels, da ihre Namen so ähnlich sind.

Beide Panel-Technologien wurden etwa zur gleichen Zeit entwickelt und weisen Ähnlichkeiten im Designkonzept auf.

PERT-Zellen (Passivated Emitter Rear Totally Diffused) verwenden ebenfalls eine Passivierungstechnik zur Verbesserung der Zellleistung. Diese Zellen verfügen jedoch über eine Rückseite, die sowohl passiviert als auch diffundiert, Die verbessert weiter Lichteinfang und -absorption, was zu einer noch höheren Effizienz als PERC-Panels führt.

Andererseits wird die PERT-Technologie größtenteils auf n-Typ-c-Si-Zellen implementiert. Durch die Nutzung des vollen Potenzials von n-Typ-Zellen haben PERT-Panels im Allgemeinen einen niedrigeren LID als PERC-Panels. Diese Eigenschaft trägt dazu bei, die langfristige Leistung und Zuverlässigkeit dieser Panels zu verbessern.

Ein wesentlicher Nachteil von PERT-Platten besteht darin, dass ihr Herstellungsprozess komplexer ist und dadurch ihre Kosten im Vergleich zu denen von PERC-Produkten steigen.

PERC vs. IBC-Panels

Während die PERC-Technologie darauf abzielt, die Rekombination zu minimieren und die Absorption von Sekundärlicht zu erleichtern, verfolgt die IBC-Panel-Technologie (Interdigitated Back Contact) einen alternativen Ansatz, um eine höhere Energieausbeute zu erzielen.

Diese Technologie verlagert alle elektrischen Kontakte auf die Rückseite der Zelle, wodurch Verschattungsverluste, die durch vorderseitige Sammelschienen verursacht werden, vermieden werden. Dadurch wird die für die Energieumwandlung verfügbare Oberfläche maximiert und die Effizienz des Panels optimiert.

Und da keine Sammelschienen auf der Vorderseite vorhanden sind, haben IBC-Solarmodule ein elegantes, komplett schwarzes Erscheinungsbild, das vor allem für Wohnhausdächer ästhetisch ansprechender ist. Daher kann diese Modultechnologie eine bemerkenswerte Alternative zu echten BIPV-Produkten sein.

Aufgrund des komplexen Herstellungsprozesses und des fortschrittlichen Schaltungsdesigns sind IBC-Module jedoch im Allgemeinen teurer als PERC-Module.

PERC vs. bifaziale Platten

Durch das Hinzufügen einer reflektierenden Schicht auf der Rückseite erreichen PERC-Solarmodule ein gewisses Maß an „Bifazialität„Im Vergleich dazu zeichnen sich bifaziale Paneele durch echte Bifazialität aus.“

Diese Panels verwenden eine doppelseitige Konfiguration, die entweder aus gehärtetem, entspiegeltem Glas auf Vorder- und Rückseite oder aus Glas auf der Vorderseite und transparentem Polymer auf der Rückseite bestehen. Durch dieses Design können sie zusätzliche Energie aus reflektiertem und diffusem Licht einfangen und so ihre Gesamteffizienz steigern.

Obwohl die Effizienz bifazialer Module über 25 % erreichen kann, hängt sie weitgehend von der Albedo (Reflexion) der Oberfläche unter den Modulen ab. Um die Einwirkung von reflektiertem und diffusem Licht zu maximieren, werden sie normalerweise in Freiflächen-, Carport- oder Überdachungs-Solarprojekten eingesetzt.

PERC vs. HJT-Panels

Im Gegensatz zu den oben diskutierten Technologien, HJT (Heterojunction)-Panels die wichtigsten Änderungen einführen zu herkömmlichen c-Si-Panels.

Die HJT-Zelle besteht aus einem Mono-c-Si-Wafer zur Lichtabsorption, der von ultradünnen intrinsischen amorphen Siliziumschichten (a-Si) zur Passivierung umgeben ist. Auf diese a-Si-Schichten folgt dotiert a-Si-Schichten bilden den pn-Übergang. Im Allgemeinen werden auch TCO-Schichten aufgebracht, um die Oberflächenreflexion zu verringern und als Leiter für die erzeugten Elektronen und Löcher zu dienen.

Durch die Einführung von a-Si-Materialien in herkömmliche c-Si-Wafer können HJT-Panels eine höhere Effizienz als PERC-Panels mit einem niedrigen Temperaturkoeffizienten und einer niedrigen Degradationsrate erreichen.

Der Herstellungsprozess von HJT-Modulen ist jedoch komplexer und erfordert erhebliche Investitionen in neue Anlagen und Prozesse. Dies führt folglich zu deutlich höheren Kosten im Vergleich zu PERC-Modulen.

Vorwärtskommen: PERC-Panel-Innovationen

Es ist die einfach Design der PERC-Technologie, die es vielseitig und anpassungsfähig zu anderen Arten von Solarmodulen.

Obwohl diese Technologie überwiegend bei monokristallinen Silizium-Platten verwendet wird, lässt sie sich durchaus auch bei polykristallinen Silizium-Platten anwenden.

Ein Bereich, in dem die PERC-Technologie effektiv erweitert wurde, ist die Entwicklung bifazialer PERC-Panels. Diese Integration verbessert die Nutzung von gestreutem und reflektiertem Licht in herkömmlichen bifazialen Produkten weiter und verfolgt einen kostengünstigen Ansatz.

Darüber hinaus wird kontinuierlich an der Anwendung der PERC-Technologie geforscht auf Dünnschichtplatten, sowie CdTe und CIGS, um ihre Effizienz zu steigern.

Darüber hinaus wurden Studien durchgeführt, die die Integration der PERC-Paneltechnologie mit anderen fortschrittlichen Zelldesigns wie Perowskit-Silizium-Tandemzellen untersuchten. Ziel dieser Studien ist es, die Leistung der Panels durch die Kombination der Vorteile verschiedener Technologien zu optimieren. (Messmer et al., 2022)

Ausführlicher Leitfaden zu PERC-Solarmodulen

Vor- und Nachteile von PERC-Solarmodulen

Bislang lagen die Vorteile von PERC-Solarmodulen auf der Hand. Dennoch wäre es fahrlässig, einige ihrer potenziellen Nachteile nicht zu erwähnen.

Vorteile von PERC-Solarmodulen

  • Mehrere Punkte effizienter als herkömmliche c-Si-Solarmodule 
  • Bessere Leistung im Schwaches Licht und hohe Wärmetemperatur durch ausreichende Lichtausnutzung und verbessertes Design
  • Eine kostengünstige Technologie dass sich viele leisten können, ist auf ein relativ einfaches Design zurückzuführen, das mit minimalem Umrüsten in bestehende Fertigungsprozesse integriert werden kann
  • Eine flexible Technologie die in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden können, von privaten und gewerblichen Dächern bis hin zu großen Solarparks
  • Eine vielseitige Technologie die mit anderen Technologien wie Bifazial kombiniert werden können, um Effizienz und Leistung weiter zu verbessern

Die Nachteile

  • PERC-Module haben tendenziell höhere Anschaffungskosten als herkömmliche c-Si-Module. Ihre höhere Effizienz kann jedoch langfristig zu besseren Einsparungen und einem schnelleren ROI führen.
  • Diese Platten könnten anfälliger sein für LID als Folge der Wechselwirkung zwischen Bor und Sauerstoff im p-Typ-Material, verschärft durch die zusätzlichen Materialien und Fertigungsschritte der PERC-Technologie. Neuere Fertigungstechniken reduzieren die Auswirkungen jedoch weiter.

Mehr über die Kosten von PERC-Panels

Derzeit sind die Preise für Solarmodule auf einem Allzeithoch Tiefs, eine Situation, die teilweise auf überschüssige Lagerbestände bei Händlern und Herstellern zurückzuführen ist.

Eine Nachricht vom Juni Ein Bericht des PV Magazine aus diesem Jahr zeigt, dass die Preise für Mono-PERC-Module bei 0.090 US-Dollar pro Watt lagen und damit damals in die „günstige“ Preisklasse fielen. Allerdings könnten vorhersehbare Produktionskürzungen und mögliche politische Änderungen die Preise in Zukunft stabilisieren.

Lohnen sich PERC-Panels?

Obwohl PERC-Solarmodule teurer sind als herkömmliche kristalline Siliziummodule, sind sie in ihrer Kosteneffizienz anderen fortschrittlichen Technologien oft überlegen.

Mit zunehmender Weiterentwicklung der Technologie dürften ihre Preise trotz Schwankungen bei Angebot und Nachfrage auf dem Markt insgesamt günstiger ausfallen.

Für viele Wohn-, Gewerbe- und sogar Großinstallationen, das Gleichgewicht zwischen Kosten und Leistung Die von PERC-Panels bereitgestellte Leistung macht sie oft zur ersten Wahl. 

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