TOPCon-Technologie: Neue Solarzellen für effizientere Module

Das Akronym TOPCon steht für Tunnel Oxide Passivated Contact und beschreibt den spezifischen Aufbau einer Solarzelle. Die neuartige Zellarchitektur wurde von Forschern des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme in Freiburg bereits im Jahr 2013 vorgestellt, doch es hat noch einige Jahre gedauert, bis die ersten TOPCon-Module auf den Markt gekommen sind.    

Die Grundidee des TOPCon-Konzeptes besteht darin, dass das Metall der Anschlusskontakte nicht in Kontakt mit der Siliziumschicht kommt. Dadurch wird eine Rekombination der Ladungsträger verhindert, die typischerweise die Leistungseinbußen an der Rückseite der Zelle verursacht.  

Um die Rekombination zu verhindern, wird auf die Oberfläche der Solarzelle eine sehr dünne Schicht Siliziumoxid (nur wenige Nanometer) aufgetragen. Diese SiO₂-Schicht passiviert die Oberfläche, sprich sie blockiert den Durchgang einer Ladungsträgerart. Die Schicht ist allerdings so dünn, dass der Strom quantenmechanisch “hindurchtunneln” kann. Zusätzlich zu dieser „Tunnelschicht“ wird eine weitere Schicht aus hochdotiertem Silizium eingefügt, welche die elektrische Leitfähigkeit verbessert und Übertragungsverluste reduziert.  

Siliziumzellen sind aus einer n-Schicht (negativ, elektronenleitend) und einer p-Schicht (positiv, “Löcher” = unbesetzte Ladungen) aufgebaut. Diese Schichten sind unterschiedlich dick, wobei die dickere Schicht (die Basis) bestimmt, ob man von Solarzellen des p- oder n-Typs spricht (englisch: p-type / n-type cells). 

Über viele Jahre dominierten in der Solar-Industrie die p-Typ-Zellen, da diese leichter herzustellen sind. Inzwischen setzen aber immer mehr Photovoltaik-Hersteller auf n-Zellen, weil diese höhere Wirkungsgrade und damit höhere Effizienz versprechen und weniger anfällig für Leistungsverluste sind. Bei p-Typ-Zellen kommt es zum Beispiel immer wieder zu Leistungseinbußen, wenn zum ersten Mal Sonnenlicht auf die Module fällt. Man spricht hier von der “Anfangsdegradation”, die durch chemische Reaktionen in der Zelle ausgelöst wird. 

Weitere Vorteile der n-Typ-Zellen sind eine geringere Anfälligkeit gegenüber metallischen Verunreinigungen im Silizium, eine geringere Leistungsinduzierte Degradation (PID) sowie eine höhere Temperaturbeständigkeit. Auch haben die Solarzellen einen niedrigen Temperatur-Koeffizienten, das heißt, bei steigenden Temperaturen lässt die Leistung nur wenig nach. 

Die TOPCon-Technik ist jedoch noch recht neu und es gibt Hinweise darauf, dass die Solarzellen neben vielen Vorteilen auch Nachteile haben. So scheint die TOPCon-Technologie eine Anfälligkeit für die UV-induzierte Degradation (UVID) aufzuweisen, die die Lebensdauer der Module beeinträchtigen könnte.

Die TOPCon-Zellen sind die ersten Solarzellen, die industriell bevorzugt als n-Typ-Zellen gefertigt werden. Ein Vorteil der neuen Technologie besteht darin, dass vorhandene Linien für die Herstellung von PERC-Zellen einfach aufgerüstet werden können. Dadurch lassen sich die Kosten für die Einführung der Technologie vergleichsweise niedrig halten. TOPCon-Module können entsprechend der aktuellen Standards als bifaziale Halbzellen-Module gefertigt werden. 

Noch liegen die Herstellungskosten für die neuen Module höher als für herkömmliche PERC-Solarmodule. Ob sich TOPCon am Markt durchsetzt, hängt von zwei Faktoren ab. Da ist zum einem der Skalierungseffekt, d.h., durch ein höheres Produktionsvolumen können niedrigere Stückkosten erreicht werden. Zum anderen müssen der höhere Wirkungsgrad (25 % und mehr) und die daraus resultierenden höheren Leistungen ausreichen, um die Einnahmen entsprechend zu steigern. Bekanntermaßen richtet sich der Preis von Modulen nach der Leistung in Wp und nur durch zusätzliche Einnahmen kann die Photovoltaik-Industrie ihre Investitionen in die vielversprechende TOPCon-Technologie refinanzieren. Entwicklungen wie die Substitution von Silber-Kontakten durch Kupfer machen die neuen Solarmodule zusätzlich attraktiver.