Zukunft der Solartechnik #1: n-Typ-Solarzellen

N-Typ-Zellen: Modulklassiker der neuen Generation

Monokristalline Photovoltaikmodule sind mittlerweile begehrte Dachbewohner. Sie haben sich als erschwinglich, langlebig und zuverlässig bewährt. Dennoch gibt es selbst bei ihnen einiges Verbesserungspotenzial. Die neue Generation der Paneel-Klassiker trägt den Vornamen „n-Typ“. Was genau hinter dieser Typbezeichnung steckt und welche Vorteile die „Neuen“ bieten, erfahren Sie in diesem Beitrag.

Was unterscheidet n-Typ-Zellen von p-Typ-Zellen?

Der vorangestellte Buchstabe bezeichnet die Ladung der Zellen, folglich das „n“ für negativ und das „p“ für positiv. Damit Strom fließen kann, bestehen Siliziumzellen immer aus zwei Bereichen, den n-leitenden und den p-leitenden. Die Grenzschicht nennt die Fachwelt den p-n-Übergang (auch pn-Übergang). Der dickere Bereich an der Unterseite des Wafers (Basisschicht) gibt den „Typ“ des Siliciums an.

• Die Basisschicht von positiv geladenen p-Typ-Zellen ist mit Bor (B) dotiert. Da 3-wertiges Bor ein Elektron weniger besitzt als Silizium (Si), bleibt die Bindung unvollständig und es entsteht ein Elektronenloch. Die größere Dicke der Schicht lässt die positiven Ladungsträger überwiegen.
• Die Basisschicht von negativ geladenen n-Typ-Zellen ist mit Phosphor (P) versehen. 5-wertiger Phosphor besitzt ein Elektron mehr als Silizium (Si): Da das fünfte Atom keine Bindung findet, steht es als freies Elektron zur Verfügung. Dieses kann eine offene Bindung besetzen und so die Zahl der Elektronenlöcher minimieren.

Warum satteln die Hersteller nach und nach um?

Üblicherweise kaufen die Zellenproduzenten die bereits mit Bor versehenen Wafer ein und ergänzen sie dann mit einem phosphordotierten Emitter. Bei der Herstellung vorkommende metallische Verunreinigungen und Sauerstoff-Einschlüsse führen jedoch unweigerlich zu sogenannten Rekombinationszentren. Bei Lichteinfall kommt es dann zu einer unerwünschten Degradation, also der Verringerung des Wirkungsgrades. Ein Grund, warum bereits etliche Hersteller von p-Typ-Zellen auf n-Typ-Zellen gewechselt haben.

Dazu gehört beispielsweise die Luxor Solar GmbH. Das in Stuttgart ansässige Unternehmen produziert seit 2007 „Premium Solar Module“. Das Angebot umfasst 4 Produktlinien – in Glas-Folie- und Glas-Glas-Bauweise, als netzgebundene und netzunabhängige Module sowie mit herkömmlichen p-Typ- und hocheffizienten n-Typ-Zellen. Das Unternehmen gibt an, die Leistung der N-Type TopCon Modulfläche liege um 2% höher als die von Standardmodulen – auf eine Laufzeit von 30 Jahren gesehen käme es sogar zu einem Plus von 4%.

Seit Anfang 2023 laufen auch in der chinesischen Fabrik von Trina Solar neue n-Typ-Zellen vom Band. Ausgestattet werden damit 210 mm Vertex-N PV-Module für nachgeführte Großanlagen sowie mono- und bifaziale Vertex S+ Module für die Dachinstallation. Letztere hätten einen Wirkungsgrad von 22,3 bzw. 21,8%, so das Unternehmen.

Das Schweizer Unternehmen Meyer Burger produziert ausdrücklich keine Solaranlagen mit der herkömmlichen PERC-Technologie, sondern setzt ausschließlich die selbst entwickelte Heterojunction/SmartWire-Technologie ein. Selbstredend, dass die Nummer 1 in Sachen Qualität ihre Glas-Folie- und Glas-Glas-Module mit n-Si-Zellen ausstattet.

Weitere Hersteller von n-Type-basierten Solarmodulen sind beispielsweise Sharp, Toshiba, Longi und Jinko Solar.

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Vorteile und Nachteile von Solarzellen des n-Typs

Die Hersteller kommen beinahe ins Schwärmen, wenn es um die Vorzüge ihrer PV-Module des neueren n-Typs geht:

• Höhere Lebensdauer: Bei einer Proportionierung der Zellen zugunsten einer phosphor-dotierten Schicht sinkt die Anfälligkeit für den schädlichen Bor-Sauerstoff-Komplex. Dieser beschleunigt die Alterung der Trägerschicht und damit des gesamten Photovoltaik-Moduls. Garantiert werden in der Regel 30 Jahre.
• Höhere Leistung: Ein länger arbeitendes Solarmodul kann auch länger Leistung erbringen. Die Hersteller geben für eine 30-jährige Laufzeit eine Steigerung des Energieertrags zwischen plus 4% und plus 10% an.
• Höhere Effizienz: Durch die umgekehrte Schichtung kann die Ladungstrennung auch auf der Rückseite der Zellen erfolgen. Damit werden effizientere Zellkonzepte möglich. Bei IBC-Solarzellen beispielsweise wurden bereits Wirkungsgrade von bis zu 25% erreicht.

• Geringere Degradation: Dass PV-Module im Laufe ihres Lebens altern, ist normal. Dies wird als alterungsbedingte oder altersbedingte Degradation bezeichnet und mit jährlich 0,1 bis 0,5 Prozent beziffert. Bei n-Typ-Solarzellen liegen die Leistungsverluste im unteren Bereich. Auf genauere Angaben legen sich die Hersteller nicht fest.
• Besseres Schwachlichtverhalten: Auch zu diesem Punkt sind (noch) keine Werte zu erfahren. Möglich ist diese verbesserte Lichtausbeute, wenn die Siliziumwafer von einer ultradünnen Schicht aus amorphem Silicium umhüllt wird, also sogenannte Heterojunction-Solarzellen (HJT) entstehen.

Auf der Kontra-Seite sind auch hier mal wieder die Kosten zu verbuchen. Und zwar auf dreierlei Weise:

• Bei Solarzellen des Typs N ist der Herstellungsprozess aufwendiger und damit teurer.
• Zudem greift kein Skaleneffekt wie bei Standard Silizium-Wafern des Typs P.
• Ein drittes Manko sind sicherlich die randvollen Solarlager. Sowohl die Hersteller als auch die Installateure sind daran interessiert, zunächst die bereits produzierten PV-Module zu verbauen. In Europa lagern derzeit Millionen von Anlagen, und zwar fast ausschließlich vom herkömmlichen p-Typ.

Es ist zu erwarten, dass die negativen Argumente in den kommenden Jahren zunehmend schrumpfen werden.

Fazit

Anders als PV-Module mit Tandem-Solarzellen auf sind kristalline n-Typ-Module längst marktreif. Noch sind diese siliziumbasierten PV-Module teurer als die Brüder des p-Typs. Doch war das nicht bei der vollzogenen Umstellung von polykristallinen auf monokristalline Module das Gleiche? Sind die Lager erst einmal geräumt, kann die Produktion der neuen Generation Fahrt aufnehmen. Und dann fallen die Preise bekanntlich von ganz alleine …

Quellen:
Angaben von Luxor Solar: https://www.luxor.solar/de/solar-module/n-type-topcon-zell-technologie.html
Angaben von Trina Solar: https://www.trinasolar.com/de/resources/newsroom/wed-02222023-0659

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