Heterojunction Solarzellen

Der englische Begriff „heterojunction“ bedeutet auf Deutsch etwa „Heteroübergang“ und meint den Übergang, der in Heterojunction-Zellen zwischen zwei unterschiedlichen Halbleitern stattfindet. Der Unterschied zwischen den Halbleitern besteht sowohl in der Dotierung (der Anreicherung des Halbleiters mit anderen Elementen, wodurch die Leitfähigkeit erhöht wird) als auch im Material: Ein monokristalliner Siliziumwafer, wie er in Dickschicht-Modulen üblich ist, wird von zwei äußerst dünnen amorphen Siliziumschichten eingefasst, wie sie in Dünnschicht-Solarmodulen zum Einsatz kommen. 

Es war das japanische Unternehmen Sanyo, das ursprünglich für die Heterojunction-Technologie (HJT) Patent anmeldete. Später wurde dieses von Panasonic übernommen. Mittlerweile ist das Patent jedoch abgelaufen, was es anderen Herstellern ermöglicht, die Heterojunction-Forschung voranzutreiben. Für Heterojunction-Solarzellen spricht der vergleichsweise hohe Wirkungsgrad. Er beträgt standardmäßig 23–24 %, wurde jedoch unter Laborbedingungen schon deutlich gesteigert. Auch weitere Vorteile deuten darauf hin, dass Heterojunction-Module in Zukunft auch für Privatpersonen zunehmend interessant werden könnten. Momentan haben die HeterojunctionZellen einen Marktanteil von 2 %, Experten rechnen damit, dass sie in 10 Jahren einen Anteil von knapp 20 % stellen könnten. 

Diese Vorteile bieten HJT-Solarmodule

Dickschicht-Solarmodule, wie sie meist auf Dächern von Ein- oder Mehrfamilienhäusern eingesetzt werden, erzielen die höchsten Erträge bei direktem Sonnenlicht. Dünnschicht-Solarmodule haben hingegen den Vorteil, dass sie auch bei indirektem oder diffusem Licht einen akzeptablen Ertrag liefern können. Heterojunction-PV-Module kombinieren diese beiden positiven Eigenschaften und können so vergleichsweise viel Strom aus direktem Sonnenlicht gewinnen und zugleich diffuses oder indirektes Licht – Dank ihres bifacialen Aufbaus auch auf der Rückseite der Module – nutzen.

Daraus ergibt sich der relativ hohe Wirkungsgrad von HJT-Solarmodulen. Verschiedene Forschungsprojekte, zum Beispiel mit antireflektierenden Magnesiumfluorid-Beschichtungen, zielen auf eine weitere Steigerung des Wirkungsgrads ab. In China wurden bereits 26,3 % erreicht, in Australien 25,54 %. Auf Masse produzierte Heterojunction-Solarzellen erreichen jedoch eher einen Wirkungsgrad von 23–24 %, was immer noch lohnenswert ist. Zum Vergleich: DünnschichtSolarmodule erreichen üblicherweise einen Wirkungsgrad von 10–13 %, bei Dickschicht-Modulen sind es 15–22 %.

Heterojunction-Module haben noch weitere Vorteile:

• Niedriger Temperaturkoeffizient: Der Temperaturkoeffizient gibt an, wie stark der Wirkungsgrad einer Solarzelle pro Grad Celsius über dem Standardwert von 25 Grad abnimmt. Heterojunction-Solarzellen punkten mit einem niedrigen Temperaturkoeffizienten.
• Gute Passivierungseigenschaften: Die Passivierung verhindert, dass freie Ladungsträger (Elektronen)infolge von Rekombination verloren gehen. Je besser die Passivierungseigenschaften, desto mehr Ladungsträger können für die Stromgewinnung genutzt werden und desto höher ist die erreichbare Spannung der Module – das wirkt sich wiederum positiv auf den Wirkungsgrad aus.
• Hohe Leerlaufspannung: Die Leerlaufspannung wird auf der Ausgangsseite einer Spannungsquelle gemessen. Je höher sie ist, desto früher wird der Wechselrichter aktiviert, der Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt. Dank hoher Leerlaufspannung können HJT-PV-Module so mehr Strom erzeugen.
• Dünn und flexibel: Heterojunction-Solarzellen sind sehr dünn und flexibel. Das prädestiniert sie für den Einsatz beispielsweise auf Autodächern oder als Überdachung. Aufgrund ihrer Flexibilität sind sie wenig anfällig für Transportschäden und daraus hergestellte Module halten auch hohen Schneelasten stand.
• Geringe Produktionskosten: Es sind vergleichsweise wenige Produktionsschritte nötig, um Heterojunction-Zellen herzustellen. Dadurch halten sich auch die Kosten in Grenzen, sodass HTJ-PV-Module auch für Privatpersonen eine attraktive Alternative sein können – allerdings nur unter den unten genannten Umständen.

Aufbau und Herstellung von Heterojunction-Solarzellen

Es gibt mittlerweile mehrere Verfahren zur Herstellung von Heterojunction-Zellen. Ihnen allen ist gemein, dass auf der Ober- und Unterseite eines monokristallinen Siliziumwafers zwei oder in der sogenannten Triple-Junction-Compound-Technologie auch drei Schichten aus dotiertem, amorphem Silizium aufgebracht werden. Außerdem arbeitet man mit leitfähigen Oxidschichten, die den erzeugten Strom aufnehmen.

Auf der Vorder- und Rückseite der Heterojunction-Zellen finden sich Gitterstrukturen aus Edelmetall, meist aus Silber. Diese dienen dazu, den gewonnenen Strom abzuleiten. Die einzelnen Gitterfäden sind dünner als ein menschliches Haar. Die korrekte Dimensionierung dieser Strukturen ist für die Leistungsfähigkeit der Heterojunction-Solarmodule sehr wichtig: Sind sie zu schmal, wird der elektrische Widerstand zu groß; sind sie jedoch zu breit, führen sie zu Verschattungen, die den Ertrag mindern. Nur ein optimales Verhältnis schöpft hier das volle Potenzial aus. 

Wann sind Heterojunction-Zellen sinnvoll?

Die genannten Vorteile führen dazu, dass Heterojunction-Module sowohl bei direkter Sonneneinstrahlung als auch bei indirektem Licht gute Erträge liefern können. Sie sind beidseitig photoaktiv, können also für bifaziale Module eingesetzt werden. Wichtig ist dabei vor allem die korrekte Montage: Diese muss erlauben, dass die Himmels- bzw. Reflexionsstrahlung auch auf der Rückseite der Module genutzt werden kann. Damit sind Heterojunction-Solarzellen in den meisten Fällen für schräge Ziegeldächer ohne Mehrwert, da die Rückseitenerträge gegen Null gehen. 

Ihr Potenzial entfalten HJT-PV-Module:

• auf Flachdächern, sofern die Aufständerung einen ausreichenden Abstand zum Dach erlaubt
• als Überdachung, beispielsweise von Terrasse oder Garage,
• in der Anbringung an (Glas-)Fassaden, Schallschutzwänden oder Balkongeländern sowie
• auf Autodächern als Möglichkeit, Elektroautos unterwegs zu laden.

Ob sich der Einsatz von Heterojunction-Zellen für Photovoltaikanlagen auf Privathäusern lohnt, kann am besten ein erfahrener Solarteur beurteilen. Lassen Sie sich daher bei der Planung Ihrer PV-Anlage kompetent beraten.