Auf dieser Seite
Kristalline Silizium-Solarzellen
Siliziumbasierte Zellen gehören zur ersten und ältesten Generation von Solarzellen. Mit einem globalen Produktionsanteil von 97% (2023) dominieren sie den Markt vollständig.
Warum Silizium?
Silizium eignet sich besonders gut für Solarzellen:
| Eigenschaft | Vorteil |
|---|---|
| Häufigkeit | Zweithäufigstes Element der Erdkruste |
| Halbleitereigenschaften | Ideal für photovoltaischen Effekt |
| Stabilität | Lange Lebensdauer (25+ Jahre) |
| Fertigungserfahrung | Jahrzehnte Optimierung |
Monokristallin vs. Polykristallin
Der Hauptunterschied liegt in der Kristallstruktur:
Monokristallines Silizium
Czochralski-Prozess: Aus einem Kristall werden Wafer geschnitten
| Eigenschaft | Wert |
|---|---|
| Struktur | Ein durchgängiger Kristall |
| Farbe | Dunkelblau bis schwarz |
| Wirkungsgrad | 20–24% (kommerziell) |
| Herstellung | Czochralski-Prozess |
Vorteile:
- Höchster Wirkungsgrad
- Lange Lebensdauer
- Beste Flächeneffizienz
Nachteile:
- Höhere Herstellungskosten
- Aufwändiger Produktionsprozess
Polykristallines Silizium
| Eigenschaft | Wert |
|---|---|
| Struktur | Viele kleine Kristalle |
| Farbe | Hellblau, glitzernd |
| Wirkungsgrad | 17–19% (kommerziell) |
| Herstellung | Gießverfahren |
Vorteile:
- Günstigere Herstellung
- Einfacherer Produktionsprozess
Nachteile:
- Geringerer Wirkungsgrad
- Marktanteil rückläufig
Markttrend: Polykristalline Module werden zunehmend durch monokristalline ersetzt. Der Preisunterschied ist minimal geworden, während der Effizienzunterschied signifikant bleibt.
Herstellungstechnologien im Detail
AL-BSF: Der klassische Standard
AL-BSF steht für "Aluminium Back Surface Field" – der jahrzehntelange Standard.
Schichtaufbau einer klassischen AL-BSF-Solarzelle
| Schicht | Funktion |
|---|---|
| N-Kontakt | Negativer Pol, Stromableitung |
| N-dotiertes Silizium | Elektronenüberschuss |
| PN-Übergang | Ladungstrennung |
| P-dotiertes Silizium | Basismaterial |
| Aluminiumschicht | Reduziert Rekombination |
| P-Kontakt | Positiver Pol |
Wirkungsgrad: 18–20% (kommerziell)
PERC: Die Weiterentwicklung
PERC = "Passivated Emitter and Rear Cell" – eine Weiterentwicklung von AL-BSF.
Verbesserungen gegenüber AL-BSF:
- Zusätzliche Passivierungsschicht
- Lokale Rückseitenkontakte
- Weniger Rekombination
| Aspekt | AL-BSF | PERC |
|---|---|---|
| Wirkungsgrad | 18–20% | 21–23% |
| Rekombination | Höher | Niedriger |
| Kosten | Niedrig | Moderat |
| Marktanteil | Rückläufig | Dominant |
PERC ist aktuell die meistverkaufte Technologie.
HIT/SHJ: Heterojunction-Technologie
HIT = "Heterojunction with Intrinsic Thin Layer" (auch SHJ = Silicon Heterojunction)
Kombination aus kristallinem und amorphem Silizium
| Schicht | Material |
|---|---|
| N-Kontakt | Metallgitter |
| PN-Übergang | Heterojunction |
| Kristallines Si | N-dotiert (Basis) |
| Amorphes Si | Undotiert + P-dotiert |
| TCO | Transparente Oxidschicht |
| P-Kontakt | Metallschicht |
Vorteile von HIT/SHJ:
- Sehr hoher Wirkungsgrad (22–24%)
- Niedriger Temperaturkoeffizient
- Bifaziale Nutzung möglich
- Längere Lebensdauer
Nachteile:
- Komplexere Herstellung
- Höhere Kosten
TOPCon: Der neue Star
TOPCon = "Tunnel Oxide Passivated Contact" – der aufsteigende Marktführer.
TOPCon: Tunnel-Oxid-Schicht für maximale Effizienz
| Schicht | Funktion |
|---|---|
| N-Kontakt | Stromableitung |
| Passivierungsschicht | Reduziert Rekombination |
| N-dotiertes Silizium | Basis (N-Typ-Zelle!) |
| PN-Übergang | Ladungstrennung |
| Tunnel-Oxid-Schicht | Ermöglicht Tunnel-Effekt |
| P-dotiertes Silizium | Dünn |
| P-Kontakt | Stromableitung |
Besonderheit: Die Tunnel-Oxid-Schicht nutzt den quantenphysikalischen Tunnel-Effekt – Elektronen werden durchgelassen, Löcher nicht.
Vorteile von TOPCon:
- Höchster kommerzieller Wirkungsgrad (22–24%)
- Basiert auf PERC-Produktionslinien (Umrüstung möglich)
- N-Typ: Keine lichtinduzierte Degradation
- Gutes Schwachlichtverhalten
Technologie-Vergleich
Bewertung: ++ sehr gut, + gut, - schlecht, -- sehr schlecht
Zusammenfassung
| Technologie | Wirkungsgrad | Kosten | Trend |
|---|---|---|---|
| AL-BSF | 18–20% | Niedrig | ↓ Auslaufend |
| PERC | 21–23% | Moderat | → Stabil |
| HIT/SHJ | 22–24% | Hoch | ↑ Premium |
| TOPCon | 22–24% | Moderat | ↑↑ Stark wachsend |
Welche Technologie wählen?
| Situation | Empfehlung | Grund |
|---|---|---|
| Budget-orientiert | PERC | Bestes Preis-Leistungs-Verhältnis |
| Maximale Effizienz | TOPCon oder HJT | Höchste Wirkungsgrade |
| Begrenzte Dachfläche | N-Typ (TOPCon/HJT) | Mehr Ertrag pro m² |
| Balkonkraftwerk | PERC | Günstig und ausreichend |
| Langzeit-Investment | N-Typ | Geringere Degradation |
Fazit
Das Wichtigste: Kristalline Silizium-Zellen dominieren mit 97% den Solarmarkt. Der Trend geht klar zu N-Typ-Zellen: TOPCon wird voraussichtlich PERC als Standardtechnologie ablösen. Für Neuinstallationen empfehlen sich TOPCon-Module – sie bieten den besten Kompromiss aus Effizienz, Langlebigkeit und Preis.
Wer tiefer einsteigen möchte: Dünnschicht und neue Technologien
Quellen
- Pastuszak, J.; Węgierek, P.: Photovoltaic Cell Generations and Current Research Directions. Materials 2022
- ITRPV: International Technology Roadmap for Photovoltaic 2024
- D. Pan, T. Guo, X. Chen: Silicon-based solar cell: Materials, fabrication and applications. ISCTIS 2021
- Lindroos, J.; Savin, H.: Review of light-induced degradation in crystalline silicon solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells 2016