Die Solarindustrie arbeitet daran, bessere Solarmodule herzustellen. Dazu benutzen sie verschiedene Technologien, um die Leistung zu verbessern, den Wirkungsgrad zu erhöhen und die Produktionskosten zu senken. Eine der innovativsten Methoden, die nachweislich höhere Wirkungsgrade mit kristallinen Siliziumzellen (c-Si) erzielt, ist die IBC-Solarzellentechnologie (Interdigitated Back Contact).
Die IBC-Technologie hat sich gegenüber den herkömmlichen Aluminum Back Surface Field (Al-BSF)-Optionen als überlegen erwiesen, hat aber den Nachteil, dass sie einen teureren und komplexeren Herstellungsprozess erfordert. In diesem Artikel erklären wir alles über die IBC-Technologie, einschließlich der Komponenten, des Aufbaus von IBC-Solarzellen, des Funktionsprinzips und vergleichen IBC sogar mit anderen PV-Technologien.
Was ist IBC-Tech und wie funktioniert es?
IBC steht für “Interdigitated Back Contact”, was auf Deutsch in etwa “interdigitierte Rückkontaktzellen” bedeutet. IBC-Technologie bezieht sich auf eine Art von Solarzelle, die eine höhere Effizienz als herkömmliche Solarzellen aufweisen kann.
Bei einer herkömmlichen Solarzelle befinden sich die Kontakte auf der Vorderseite der Zelle, was zu einem gewissen Verlust von Licht und somit zu einem niedrigeren Wirkungsgrad führt. Bei einer IBC-Solarzelle sind die Kontakte dagegen auf der Rückseite der Zelle angebracht und es sind sogenannte “Finger” auf der Vorderseite der Zelle zu finden, die das Licht einfangen und zu den Kontakten leiten.
Durch diese Anordnung können IBC-Solarzellen das einfallende Licht besser nutzen und somit einen höheren Wirkungsgrad erzielen. IBC-Technologie wird hauptsächlich in Hochleistungs-Solarzellen eingesetzt, die in der Raumfahrt oder in speziellen Anwendungen wie beispielsweise in der Satellitenkommunikation verwendet werden.
Materialien und Komponenten der IBC-Solarzelle
Hauptbestandteil der meisten IBC-Solarzellen ist ein c-Si-Wafer, der als n-Typ-Wafer-Absorberschicht dient, aber auch p-Typ-Wafer werden verwendet. Monokristallines Silizium (mono c-Si) ist aufgrund seines höheren Wirkungsgrades die gängigste Variante, aber auch polykristallines Silizium (poly c-Si) kann verwendet werden.
Auf einer der beiden Seiten des c-Si-Wafers wird eine Antireflexions- und Passivierungsschicht aufgebracht, die mit einer dünnen Schicht aus Siliziumdioxid (SiO2) durch einen thermischen Oxidationsprozess hergestellt wird. Materialien wie Siliziumnitrid (SiNx) oder Bornitrid (BNx) sind ebenfalls geeignet.
Damit IBC-Solarzellen die Frontkontakte auf die Rückseite der Zelle verlagern können, benötigen sie durchsetzte oder ineinandergreifende Schichten aus n+- und p+-Emittern, die Diffusionsschicht. Zu ihrer Herstellung werden Schichten des n-Typ-Wafers durch maskierte Diffusion, maskierte Ionenimplantation oder Laserdotierung mit Bor dotiert, wodurch die p-Typ-(p+)-Dotierung entsteht, während die n-Typ-Schichten intakt bleiben (n+).
Die Metallkontakte werden ebenfalls durch Laserablation oder nasschemische Abscheidung hergestellt, wobei normale Metalle wie Silber, Nickel oder Kupfer für die Kontakte der IBC-Solarzelle verwendet werden.
Dies ist einer der beliebtesten Ansätze für die Herstellung von IBC-Solarzellen, aber es gibt verschiedene Ansätze (Abbildung 1), die unterschiedliche Materialien für die Herstellung der Diffusionsschicht erfordern können.
Aufbau der IBC-Solarzelle
Die Herstellung von IBC-Solarzellen kann recht komplex sein, wenn man die Herstellung der Diffusionsschicht bedenkt, aber der Aufbau ist relativ einfach zu verstehen.
Die Hauptschicht der IBC-Solarzelle ist der n- oder p-Typ c-Si-Wafer, der als Absorberschicht dient. Diese Schicht wird durch Dotierung einer c-Si-Schicht mit Bor oder Phosphor hergestellt, um einen p- oder n-dotierten Wafer zu erzeugen. Anschließend wird eine Antireflexions- und Passivierungsschicht, die in der Regel aus SiO2 besteht, auf einer oder zwei Seiten der Solarzelle aufgebracht (Abbildung 2).
Die wichtigste strukturelle Änderung bei den IBC-Solarzellen ist die Einbeziehung einer Diffusionsschicht, die ineinandergreifende n-Typ- und p-Typ-Schichten aufweist, die den Einbau von rückseitigen Metallkontakten ermöglichen (Abbildungen 2 und 3).
Schließlich werden alle Metallkontakte der IBC-Solarzelle auf der Rückseite der Zelle angebracht, so dass die Vorderseite der Zelle völlig frei von Abschattungsmaterialien ist. Dies ermöglicht auch die Installation von Kontakten in einem größeren Bereich, wodurch der Serienwiderstand der Zellen gesenkt werden kann.
Funktionsprinzip der IBC-Solarzelle
IBC-Solarzellen erzeugen wie Al-BSF-Solarzellen Solarstrom durch den photovoltaischen Effekt. Die Last wird zwischen Plus- und Minuspol des IBC-Solarmoduls angeschlossen, wobei Photonen in Elektrizität umgewandelt werden und Solarstrom zur Versorgung der Last erzeugen.
Wie bei herkömmlichen Solarzellen treffen die Photonen auf die Absorberschicht der IBC-Solarzelle, regen Elektronen an und erzeugen ein Elektron-Loch-Paar (e-h). Da IBC-Solarzellen keine Metallkontakte auf der Vorderseite haben, die die Zellen abschatten, haben diese Solarzellen eine größere Umwandlungsfläche, auf die die Photonen auftreffen können.
Das auf der Vorderseite der IBC-Solarzelle gebildete e-h-Paar wird dann von einer interdigitalen p-Schicht auf der Rückseite aufgefangen. Die gesammelten Elektronen fließen von den p+ Metallkontakten zur Last, erzeugen Strom und kehren dann über den n+ Metallkontakt in die IBC-Solarzelle zurück, wodurch dieses spezielle e-h-Paar beendet wird.
IBC im Vergleich zu herkömmlichen Zellen
Nachdem wir mehr über IBC-Solarzellen erfahren haben, ist es wichtig, sie mit der bekannten traditionellen Al-BSF-Technologie zu vergleichen. In diesem Abschnitt vergleichen wir beide Optionen unter Berücksichtigung verschiedener Aspekte.
Ein strukturelles Problem, das IBC-Solarzellen gegenüber dem Design herkömmlicher Al-BSF-Zellen verbessern, ist die Entfernung des vorderen Metallkontakts an der Zelle. Dies bietet zwei Vorteile für die IBC-Solarzellentechnologie: geringere Abschattung durch die Anordnung der Metallkontakte auf der Rückseite der Zelle und höhere Leistungsdichte durch die Möglichkeit der Installation von Solarzellen ohne Zwischenraum auf dem IBC-Solarpanel.
Dank der Verbesserungen bei den IBC-Solarzellen hat die IBC-Technologie einen Wirkungsgrad von 26,7 % erreicht, das sind 1,3 % mehr als bei herkömmlichen Technologien. Die IBC-Solarzellentechnologie ist noch nicht am Ende, denn die Forscher erwarten, dass IBC-Solarzellen einen Wirkungsgrad von 29,1 % erreichen werden.
Die IBC-Solarzellentechnologie verbessert den Temperaturkoeffizienten von -0,387 %/ºC auf -0,446 %/ºC bei den herkömmlichen Optionen, also auf -0,29 %/ºC. Infolgedessen kann ein IBC-Solarmodul bei der Installation in heißem Klima eine bessere Leistung erbringen.
Während IBC-Solarzellen hohe Produktionskosten hatten und einen komplexen Herstellungsprozess erfordern, konnten die Kosten für diese Technologie auf 0,30 €/Watt gesenkt werden. Mit einem höheren Wirkungsgrad und einem nur geringfügig höheren Preis ist die IBC-Solarzellentechnologie eine überzeugende Option für private und industrielle Anwendungen, was dazu führen könnte, dass die IBC-Technologie bis 2025 einen Marktanteil von etwa 35 % erobert.
Während Al-BSF- und IBC-Solarmodule für private und industrielle Anwendungen eingesetzt werden können, hat die IBC-Solarzellentechnologie bei CPV-Anwendungen die Oberhand. Dies ist darauf zurückzuführen, dass IBC-Solarzellen einen geringeren Serienwiderstand, eine höhere Lebensdauer und eine geringere Oberflächenrekombination aufweisen, was sie ideal für diese Anwendungen mit erhöhter Sonnenkonzentration macht, die mehrere interessante Vorteile bietet.
IBC-Solarzellen vs. PERC-Zellen
Passivierte Emitter und Rückseitenkontakte (PERC) und IBC-Solarmodule weisen interessante konstruktive Verbesserungen gegenüber der Al-BSF-Technologie auf. Beide Technologien weisen höhere Wirkungsgrade, bessere Temperaturkoeffizienten und größere Flächen für die Photonenabsorption auf.
PERC- und IBC-Technologien haben die Verringerung der von den Busbars oder Metallkontakten belegten Fläche gemeinsam, was ähnliche Vorteile mit sich bringt. Während bei der PERC-Technologie nur die Busbars reduziert werden, entfallen sie bei der IBC-Solarmodultechnologie, wodurch die effektive Oberfläche für die Photonenabsorption weiter vergrößert wird.
Die IBC-Technologie übertrifft die PERC-Technologie in ihrem Wirkungsgrad, da die PERC-Technologie nur einen Wirkungsgrad von 25,4 % erreicht, während die IBC-Solarmodultechnologie einen Wirkungsgrad von 26,7 % aufweist.
Der wichtigste Punkt, der für die PERC- gegenüber der IBC-Solarzellentechnologie spricht, ist, dass die IBC-Technologie in der Herstellung teurer ist als die PERC-Technologie.
Obwohl beide Technologien ihre Unterschiede haben, stellen sie eine Verbesserung gegenüber den herkömmlichen Al-BSF-Optionen dar, und der wichtigste Punkt, der für beide spricht, ist, dass sie kombiniert werden können. Dies ermöglicht die Herstellung von PERC-IBC-Solarmodulen, die zusätzliche Vorteile gegenüber den herkömmlichen Technologien aufweisen.
Fazit: Die Vorteile von IBC-Solarzellen
IBC-Solarzellen haben viele Vorteile, die sie von der traditionellen Al-BSF-Technologie und anderen Technologien abheben. In diesem Abschnitt fassen wir die Vorteile der IBC Solarzellentechnologie zusammen.
Geringere Verluste durch Abschattung
Bei der Umstrukturierung von IBC-Solarzellen wird der vordere Metallkontakt auf der Rückseite der Zelle platziert, wodurch die durch die Busbars verursachte Abschattung beseitigt wird. Auf diese Weise erhöht die IBC Solarzelle die effektive Photonenabsorption, was zu geringeren Leistungsverlusten und einer Reihe weiterer Vorteile führt.
Geringerer Serienwiderstand
IBC-Solarzellen senken den Serienwiderstand an der Zelle im Vergleich zu herkömmlichen Al-BSF-Zellen, da größere Metallkontakte an der Rückseite der Zelle platziert werden können, was ein Schlüsselfaktor für CPV-Anwendungen ist.
Höhere Leistungsabgabe pro Quadratmeter
Dank des höheren Wirkungsgrads von IBC-Solarzellen kann ein IBC-Solarmodul ohne Zwischenraum zwischen den Zellen hergestellt werden, was die Leistung pro Quadratmeter für ein einzelnes Modul weiter erhöht. Dies macht die IBC Solarzellentechnologie für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot noch interessanter.
Unabhängige optische/elektrische Optimierungen
Da bei IBC-Solarzellen die Metallkontakte auf die Rückseite verlagert werden, sind die optischen und elektrischen Optimierungen für die Zelle entkoppelt, so dass jede Optimierung völlig unabhängig von der anderen ist, was es den Forschern erleichtert, die eine oder andere separat zu verbessern.
Verwendete Quellen für diesen Artikel:
- https://www.pv-magazine.de/webinare/ibc-module-bieten-hohe-leistung-und-niedrigste-degradation/
- https://solarmagazine.com/solar-panels/ibc-solar-cells/
- https://www.maysunsolar.de/solar-module-ibc-technologie
