Wissenschaft und Industrie arbeiten stetig daran, den Wirkungsgrad von Solarmodulen zu erhöhen. Dieser steigt im Schnitt um 0,5 Prozentpunkte pro Jahr. Um 2030 werden erste Module am Markt mit mehr als 30 Prozent Wirkungsgrad erwartet.
Vor zehn Jahren hatte ein Solarmodul aus Silizium in der Regel rund 350 Watt Leistung. Heute sind 400-Watt-Module Standard; die besten haben 450 Watt Nennleistung. Äußerlich hat sich dabei auf den ersten Blick nichts verändert: Die gängigen Module für Dachinstallationen haben ein rechteckiges Format mit rund zwei Quadratmetern Oberfläche, bestehen aus mehreren Dutzend Solarzellen aus kristallinem Silizium, die über Metallstreifen miteinander verbunden sind und von Glasscheiben und Folien geschützt werden.
Auf den zweiten Blick zeigen sich kleine Unterschiede gegenüber älteren Modulen. So
- werden die Zellen kaum noch in Wafergröße im Modul verbaut, sondern zur Modulfertigung halbiert oder gedrittelt
- teilweise werden die Zellen nicht mehr nebeneineinander sondern wie Dachschindeln übereinader gelegt und
- die Metalldrähte auf den Zellen sind nicht mehr flach, sondern rund und schmal.
Diese Veränderungen haben dazu beigetragen, dass sich die Leistung der Module erhöht hat. Im Schnitt wächst die Effizienz von Modulen um einen halben Prozentpunkt pro Jahr. Vor zehn Jahren erreichten gute Module rund 20 Prozent Wirkungsgrad; heute sind es 25 Prozent. Diesen Zuwachs erklären die Verbesserungen in der Modulfertigung nicht allein. Maßgeblich beruht dieser auch auf der Weiterentwicklung der Zelltechnologie.
Der Siegeszug von PERC und das absehbare Ende als Industriestandard
Vor mehr als zehn Jahren wurde die PERC-Technologie eingeführt. Die Buchstaben stehen für Passivated Emitter Rear Contact, also passivierter Emitter und Rückkontakt: Zwischen den Kontakten auf der Rückseite der Solarzelle sorgt eine zusätzliche Schicht dafür, dass die Verluste beim Abfließen von Ladungsträgern aus der Zelle geringer ausfallen und dass Licht in die Zelle zurückreflektiert wird, um mehr Strom zu erzeugen. PERC setzte sich weltweit in der Fertigung durch. Der Marktanteil von PERC-Modulen aus monokristallinem Silizium lag 2023 bei rund 75 Prozent, besagt die aktuelle Studie International Technology Roadmap for Photovoltaic (ITRPV), die der Verband deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) regelmäßig herausgibt.
Von p-Typ-Solarzellen zu n-Typ-Solarzellen
Der Marktanteil von PERC-Modulen ist aber bereits wieder am Sinken. Bis Anfang der 2030er Jahre sollen PERC-Module etwa so unbedeutend werden wie es heute Dünnschichtmodule und jene aus multikristallinem Silizium sind, die im Wettstreit um hohe Effizienzen mit der Modulen aus monokristallinem Silizium nicht mithalten konnten. PERC wird nun innerhalb der Gruppe der monokristallinen Siliziumtechnologien durch andere Zelltypen als Industriestandard abgelöst: TopCon und Silizium-Heterojunction (SHJ). Mit diesen geht ein größerer technologischer Wandel einher, denn die erwähnten Verfahren werden auf n-Typ-Solarzellen angewandt.
Im Gegensatz zu p-Typ-Solarzellen wird bei n-Typ-Solarzellen der Wafer mit Fremdatomen eines Elements dotiert, das ein Außenelektron mehr als Silizium hat (in der Regel Phosphor), so dass es bei jedem eingebrachten Fremdatom einen negativen Ladungsträger im Kristallgitter gibt, der nicht gebunden werden kann. In der Zellfertigung wird dann mit einem Element dotiert, dass ein Außenelektron weniger als Silizium hat – früher war das Bor, heute primär Gallium. Bei p-Typ-Zellen ist es genau umgekehrt: Zuerst wird positiv dotiert, dann negativ. Der Vorteil von n-Typ-Solarzellen ist, dass sich mit ihnen höhere und stabilere Wirkungsgrade erreichen lassen. Dafür ist es schwieriger, die Technologie in der Fertigung umzusetzen. Lange Zeit gab es nur einen Zell- und Modulhersteller, der mit n-Typ-Silizium arbeitete: die US-amerikanische Maxeon Solar Technologies, vormals Sunpower.
TopCon und Heterojunction – Zelltechnologien für noch mehr Effizienz
Von den beiden sich stärker ausbreitenden neuen Technologien ist TopCon (Tunnel oxide passivated contact) die Zugkräftigere. Entwickelt wurde sie bereits 2013 am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE). Auch hier wird wie bei PERC auf der Zellrückseite eine zusätzliche Passivierungsschicht aufgebracht, aber flächig über die gesamte Oberfläche. Darüber kommen die Rückkontakte. Kleine Tunnel durch die Passivierungsschicht lassen freie Ladungsträger aus dem Silizium zu den Kontakten gelangen. Die Passivierung ist noch effektiver als bei PERC und die Nutzung von n-Typ-Silizium bringt zusätzlichen Effizienzgewinn. Bis 2030 soll sich der Marktanteil von TopCon-Modulen aus monokristallinem n-Typ-Silizium von rund 15 auf 60 Prozent erhöhen, lautet die Prognose in der aktuellen ITRPV-Studie.
Heterojunction-Module bestehen aus kristallinen Siliziumzellen, auf die noch eine amorphe Schicht Silizium aufgetragen wird, die auf andere Welllängen des Lichts besser reagiert als die kristalline Zelle. Die ersten derartigen Module hat die japanische Firma Sanyo schon in den 1990er Jahren entwickelt und hielt auf die Technologie lange Zeit Patente, die es den Wettbewerbern schwer machten, SHJ-Module zu produzieren. Das änderte sich nach Auslaufen des Patentschutzes. Heute liegt der Marktanteil dieser Module bei knapp zehn Prozent.
Tandemsolarzellen überschreiten Effizienzlimit für einfache Siliziumzellen
Bleibt die PV-Industrie bei einfachen Solarzellen aus Silizium, stößt sie in wenigen Jahren an ein Limit: Den maximalen Wirkungsgrad haben Wissenschaftler mit rund 29 Prozent berechnet – mehr Energie des Sonnenlichts kann eine einzelne Siliziumzelle nicht nutzen. Weit sind die besten Fabrikate von diesem Grenzwert heute nicht mehr entfernt. Deshalb arbeiten Wissenschaft und Industrie seit Jahren daran, zwei kostengünstige Solarzellen aus unterschiedlichen Halbleitern zu einem Tandem zu vereinen. So können sie unterschiedliche Welllängen besser nutzen und damit mehr Lichtenergie in Strom umsetzen. Der Favorit für diesen zweiten Halbleiter neben Silizium besteht aus Perowskiten. Der Begriff bezeichnet eine Gruppe von Mineralien, die eine bestimmte Kristallstruktur eint und die sehr häufig auf der Erde vorkommen und günstig sind.
Die bisher beste im Labor gefertigte Tandemzelle aus Silizium und Perowskit erreicht fast 34 Prozent Wirkungsgrad. Aber sie ist gerade einmal so groß wie ein Fingernagel. Auf dem Weg in die Massenfertigung sind noch drei Aufgaben zu lösen: Die hocheffizienten Solarzellen müssen
- auf Standardformat gebracht,
- in hoher Stückzahl produziert und
- ein stabiler Wirkungsgrad nachgewiesen werden.
Wissenschaft und Industrie erwarten Ende der 2020er Jahre die ersten Tandemsolarmodule am Markt, vermutlich aus Silizium und Perowskit. Diese haben das Potenzial, die 30-Prozent-Marke beim Wirkungsgrad zu überschreiten.
Je höher die Leistung von Solarmodulen ist, desto mehr Strom lässt sich pro Quadratmeter erzeugen und desto weniger Fläche ist nötig, um die Stromversorgung aus nachhaltigen Quellen sicherzustellen – für jedes Wohnhaus und jeden Betrieb, aber auch für die Gesellschaft als Ganzes.
Solarmodule werden immer effizienter. Dazu werden die Produktionstechnologien stetig weiterentwickelt. Der aktuelle Zellstandard PERC ist dabei, durch TopCon abgelöst zu werden. Ende der 2020er Jahre sollen erste Tandemsolarmodule aus Silizium und Perowskiten auf den Markt kommen. Tandemmodule haben das Potenzial, mehr als 30 Prozent Wirkungsgrad zu erreichen.
