TOPCon Solar Cells: Die neue PV-Modultechnologie in der Solarbranche

Die Solarzellentechnologie zur Herstellung von Photovoltaikmodulen (PV) entwickelt sich ständig weiter, da neue, fortschrittlichere und effizientere Technologien entwickelt werden.Solarzellentechnologie mit Tunneloxid-passiviertem Kontakt (TOPCon).ist eine Neuentwicklung mit dem Potenzial, passivierte Emitter- und Rückkontakt-Solarmodule (PERC) und hocheffiziente, passivierte Emitter-Rückseiten-Total-Diffusions-Solarmodule (PERT) zu ersetzen.

TOPCon-Solarzellenstellen im Vergleich zu eine verbesserte und effizientere Technologie darPERC/PERT-Solarzellen mit sehr ähnlicher Struktur.

In diesem Artikel erklären wir wichtige Details zu dieser Technologie, angefangen bei den Grundlagen, der Struktur und Herstellung, dem Vergleich mit anderen beliebten Technologien in der Solarindustrie, Vor- und Nachteilen und mehr.

Inhaltsverzeichnis

Die TOPCon-Solarzellentechnologie ist einer der neuesten Trends in der Solarindustrie und wurde als verbesserte und fortschrittlichere Version der PERC/PERT-Technologie entwickelt. Das ist einer der Hauptvorteile der TOPCon-SolarzellenDie Struktur unterscheidet sich nur geringfügig von PERC/PERT-Solarzellen, was bedeutet, dass Hersteller mit einigen Verbesserungen praktisch dieselbe Produktionslinie für die Produktion von TOPCon-Solarzellen nutzen können.

Die TOPCon-Solarzellentechnologie wurde erstmals 2014 vom deutschen PV-Forschungsinstitut Fraunhofer ISE als Konzept vorgestellt. Das Projekt zur Entwicklung dieser Technologie fand von 2013 bis 2016 statt, aber erst 2019 haben Unternehmen wie Trina Solar sie auf die Produktion ausgeweitet. Da sich die TOPCon-Solarzellentechnologie als erfolgreiche Weiterentwicklung der PERC-Solarzellen erwies, interessierten sich viele andere Unternehmen, darunter LONGi Solar, Suntech, Canadian Solar und viele andere, dafür.

Der größte Nachteil dieser neuen Technologie im Vergleich zu PERC/PERT besteht darin, dass die TOPCon-Solarzellen eine größere Menge Silber (Ag) für die Produktion benötigen. Dieser Silberanstieg führt zu einem höheren Herstellungspreis; Neue Entwicklungen könnten sich jedoch als erfolgreich bei der Reduzierung der benötigten Silbermenge erweisen und gleichzeitig ähnliche oder sogar höhere Wirkungsgrade liefern und die Produktionskosten senken.

Die TOPCon-Solarzellentechnologie weist einen ähnlichen Aufbau und Herstellungsprozess wie PERC-Solarzellen auf und erfordert nur wenige zusätzliche Schritte. In diesem Abschnitt erklären wir, wie beides funktioniert:

TOPCon-Solarzellen können als n-Typ- oder p-Typ-Solarzellen hergestellt werden, die n-Typ-Variante hat sich jedoch als effizienter und resistenter gegen Verunreinigungen erwiesen. Da es sich bei TOPCon-Solarzellen um eine Weiterentwicklung der PERC/PERT-Solarzellen handelt, ist es wichtig, die Struktur dieser neuen Technologie zu verstehen.

PERT-Solarzellen werden aufgrund ihrer höheren Oberflächenqualität mit einer Bulkschicht aus kristallinem Silizium (c-Si) vom n-Typ hergestellt und mit einer p+-Emitterschicht gekoppelt, um den pn-Übergang zu erzeugen. Die Emitterschicht ist mit einer Passivierungsschicht aus Aluminiumoxid (Al2O3) bedeckt und wegen ihrer Antireflexionseigenschaften mit einer Siliziumnitrid-Beschichtung (SiNx) überzogen. PERC-Solarzellen ersetzen die Absorberschicht durch eine p-Typ-Volumenschicht und einen n+-Emitter für den pn-Übergang.

Der untere Teil des Volumenbereichs wird mit Phosphor dotiert, um das Rückseitenfeld zu erzeugen, und wird dann ähnlich wie die Oberseite der Zelle mit SiNx beschichtet. Sowohl die Ober- als auch die Unterseite der Solarzelle sind mit Kontakten aus Silber (Ag) oder Aluminium (Al) ausgestattet, um den Stromkreis zu schließen, wenn die Zelle zum Zeitpunkt der Herstellung des PERC/PERT-Solarmoduls an die Last oder andere Zellen angeschlossen wird.

Die PERC/PERT-Solarzellenstruktur hat sich seit ihrer Markteinführung und ihrem Einsatz bei der Herstellung von PV-Modulen als recht effizient erwiesen, doch Forscher fanden Wege, sie zu verbessern und entwickelten daher die TOPCon-Solarzelle.

Der Aufbau der TOPCon-Solarzelle übernimmt jedoch den Grundaufbau der PERT-SolarzelleEnthält eine ultradünne Siliziumdioxidschicht (SiO2), die als Tunneloxidschicht fungiert und ersetzt die hintere Oberflächenfeldschicht mit einer mit Phosphor dotierten polykristallinen Siliziumschicht (n+ Poly-Si). Diese Modifikationen haben die Effizienz verbessert, indem sie den Rekombinationsprozess dank der Passivierung in den hinzugefügten Schichten reduziert haben.

Das Beste an der TOPCon-Solarzellentechnologie ist, dass der Herstellungsprozess dem von PERT-Solarzellen so ähnlich ist, dass Hersteller nur geringe Investitionen tätigen müssen, um ihre bestehende Produktionslinie zu modernisieren. Die meisten Fertigungsanlagen können gleich bleiben. Dies macht TOPCon-Solarzellen zu einer hervorragenden Investition für bereits auf dem Markt befindliche Hersteller von PERC/PERT-PV-Modulen.

Nach der Herstellung der TOPCon-Solarzellen werden IV-Solarzellenkurvencharakterisierungen durchgeführt, um ihre Leistung zu bewerten.

Die Solarzellentechnologie von TOPCon ist vielversprechend und hat das Potenzial, innerhalb der Solarindustrie schnell zu wachsen. Wenn man eine neue, aufstrebende Technologie wie diese in Betracht zieht, ist es wichtig, sie mit anderen beliebten PV-Technologien auf dem Markt zu vergleichen. In diesem Fall vergleichen wir die TOPCon-Solarzellentechnologie mit PERC- und Heterojunction (HJT)-Solarzellentechnologien.

Die PERC-Solarzellentechnologie steht derzeit an erster Stelle und weist mit 75 % den höchsten Marktanteil in der Solarbranche auf. Während die Einführung der HJT-Solarzellentechnologie 2019 begann, betrug ihr Marktanteil bis 2021 nur 2,5 %. TOPCon, das heißt Kaum auf dem Markt vertreten, macht es bereits 8 % des PV-Marktes aus, könnte aber im Jahr 2023 zu wachsen beginnen, da große Hersteller von PERC/PERT auf TOPCon umsteigen.

In Anbetracht der technischen Spezifikationen wird die PERC-Technologie sowohl von den HJT- als auch von den TOPCon-Solarzellentechnologien übertroffen. Während PERC einen Wirkungsgrad von 24,5 % und einen Bifazialitätsfaktor von 70 % aufweist, erreicht TOPCon einen Wirkungsgrad von 26,1 % und einen Bifazialitätsfaktor von 85 %, während HJT mit einem Wirkungsgrad von 26,56 % und einem Bifazialitätsfaktor von 92 % sogar noch weiter geht. Der Temperaturkoeffizient für PERC-Solarzellen ist im Vergleich zu TOPCon mit 0,3 %/ºC schlechter, während HJT-Solarzellen mit 0,21 %/ºC sogar noch niedriger liegen.

HJT-Solarzellen mögen recht vielversprechend aussehen, diese Technologie weist jedoch erhebliche Nachteile auf, da die Produktionskosten für Solarzellen höher sind und die Produktionslinie mit aktuellen Technologien nicht kompatibel ist. Hier haben TOPCon-Solarzellen einen Vorsprung, da die benötigte Produktionslinie für TOPCon-Solarzellen praktisch die gleiche wie bei PERC/PERT ist und auch die Kosten recht ähnlich sind.

Angesichts der Ähnlichkeit zwischen den technischen Spezifikationen von HJT- und TOPCon-Solarzellen, aber unter Berücksichtigung der Nachteile der HJT-Technologie ist es verständlich, warum große Hersteller wie Trina Solar, Jinko Solar, LONGi und andere sich für TOPCon-Solarzellen anstelle von HJT entscheiden .

TOPCon-Solarzellen weisen einige Unterschiede zu PERC/PERT-Solarzellen auf, verbessern jedoch die Leistung erheblich. In diesem Abschnitt stellen wir die Vor- und Nachteile von TOPCon-Solarzellen vor.

Die TOPCon-Solarzellentechnologie ist ein Upgrade von PERC/PERT-Solarzellen mit zwei zusätzlichen Schritten. Dieser kleine Unterschied zwischen beiden Technologien ermöglicht es Herstellern von PERC- und PERT-Solarzellen, mit nur wenigen Ausrüstungsteilen und einer geringen Investition auf TOPCon umzusteigen.

Eines der Hauptmerkmale von TOPCon-Solarmodulen ist der höhere Wirkungsgrad. Nach Angaben des Fraunhofer ISE-Instituts Effizienzsteigerungenkann über 25 % hinausgehen . Dies haben bereits PV-Hersteller wie LONGi, Jinko Solar und andere mit einem hohen Wirkungsgrad von 26,1 % bewiesen.

Herkömmliche PV-Module weisen einen Temperaturkoeffizienten von 0,4 %/℃ bis 0,5 %/℃ auf, während PERC-PV-Module eine bessere Leistung erbringen, wenn dieser Koeffizient leicht unter dem Rahmen von 0,4 %/℃ liegt. Von Jinko Solar hergestellte TOPCon-PV-Module hingegen haben bereits bewiesen, dass sie den Temperaturkoeffizienten auf weniger als 0,3 %/℃ senken, was ihre Leistung in vielen extremen Wetterszenarien erheblich verbessert.

Der bifaziale Faktor für PERC-PV-Module wurde im Durchschnitt auf etwa 70 % ermittelt. TOPCon-Solarmodule hingegen haben nachweislich einen bifazialen Faktor von bis zu 85 % erreicht. Dieser erhöhte bifaziale Faktor kann die Leistungssteigerung um bis zu 2 % steigern.

Die TOPCon-Solarzellentechnologie steht im Herstellungsprozess noch vor mehreren Herausforderungen. Dazu gehören unterschiedliche Meinungen über die beste Technik zur Borabscheidung, unterschiedliche Anforderungen an die Reinraumbedingungen, die erfüllt werden müssen, und die Unfähigkeit des aktuellen selektiven Emitters, sich auf den TOPCon-Frontemitter zu übertragen. Damit die Solarbranche mit TOPCon vorankommt, sollten diese Probleme angegangen werden.

Verschiedene Unternehmen, die ihre PERC/PERT-Produktionslinien auf TOPCon-Solarzellen umrüsten, haben unterschiedliche Wege eingeschlagen, aber da die Massenproduktion begrenzt ist, befindet sich die Roadmap für diese Technologie noch in der Entwicklung. Da große Unternehmen wie Trina Solar, LONGi und andere beginnen, große Probleme anzugehen und optimale Wege zur Herstellung von TOPCon-Solarzellen zu finden, wird die Roadmap klarer.

Eines der Hauptprobleme von TOPCon-Solarzellen ist der höhere Silberbedarf zum Drucken der Kontakte auf der Zelle. Die ideale Möglichkeit zur Kostensenkung wäre eine Effizienzsteigerung bei gleichzeitiger Beibehaltung der aktuellen Kosten. Um zu vernünftigen Preisen auf den Markt zu kommen, müssen die Kosten für diese Technologie gesenkt werden.

Die Markttrends haben sich im letzten Jahrzehnt von BSF-Solarmodulen (Back Surface Fields) hin zur PERC-Solarzellentechnologie verlagert, und nun scheint es, dass sie sich hin zu TOPCon-Solarmodulen verlagern. Ursprünglich dominierten BSF-Solarmodule den Markt, doch die Hersteller begannen mit der Einführung der PERC-Solarzellentechnologie und der Marktanteil wuchs, bis er 2018 40 % und bis 2021 fast 75 % erreichte. Da die TOPCon-Solarzellentechnologie ein kosteneffizientes Upgrade darstellt PERC/PERT-Solarzellen, diese neue Technologie könnte bald den Markt erobern.

Im Jahr 2021 gab LONGi mit 25,21 % einen neuen Rekord für hocheffiziente n-Typ-Solarmodule mit TOPCon-Solarzellentechnologie bekannt. Kurz darauf gab Jinko Solar einen noch höheren Effizienzrekord von 25,4 % bekannt. Im Jahr 2022 brach Trina Solar den Rekord mit einem Wirkungsgrad von 25,5 %, während Canadian Solar im selben Jahr ebenfalls einen hohen Wirkungsgrad von 25,0 % erreichte. Bis Ende 2022 brach Jinko Solar den Rekord zweimal in Folge und erreichte zunächst 25,7 % und dann 26,1 %.

Viele PV-Hersteller werden beginnen, den Markt mit TOPCon-Solarmodulen zu füllen, während sie ihre Produkte entwerfen und auf den Markt bringen. LONGi stellte seine bifazialen TOPCon-Solarmodule auf der SNEC 2021 vor und Suntech brachte seine Ultra VPro-Serie im Jahr 2022 auf den Markt, aber es scheint, dass 2023 das Jahr sein wird, in dem die meisten PV-Hersteller ihre Produkte auf den Markt bringen. Jinko Solar stellte drei verschiedene TOPCon-Solarmodulvarianten mit einer Leistung von 445 W bis 635 W vor, Canadian Solar kommt auch mit Solarmodulen mit bis zu 690 W auf den Markt und Trina Solar stellte seine neuen TOPCon-Solarmodule mit bis zu 445 W vor.

Dies sind nur einige der größten Hersteller, aber mit fortschreitender Technologie werden auch andere große Unternehmen der Solarbranche TOPCon-Solarmodule auf den Markt bringen. Es besteht eine erhebliche Wahrscheinlichkeit, dass mit zunehmender Beliebtheit der TOPCon-Solarzellentechnologie PERC-Solarmodule beginnen werden, TOPCon Platz zu machen, um seinen Marktanteil und seine Präsenz in der Branche zu erhöhen.

Die TOPCon-Solarzellentechnologie ist ein revolutionäres Produkt, das das Design der PERC/PERT-Solarmodule verbessert.

Diese Technologie hat sich bereits bewährt, indem sie Wirkungsgrade erreicht, die sich der Shockley-Queisser-Grenze für Einzel-PN-Übergangssolarzellen nähern und insgesamt eine bessere Leistung liefern.

Die Solarindustrie beginnt, sich mit der Solarzellentechnologie von TOPCon vertraut zu machen. LONGi hat seine bifazialen Module bereits im Jahr 2021 auf den Markt gebracht, aber die meisten Hersteller werden ihre hocheffizienten TOPCon-Solarmodule vom zweiten (Q2) bis zum letzten Quartal (Q4) des Jahres 2023 auf den Markt bringen.

Es ist möglich, dass die TOPCon-Solarzellentechnologie zunächst etwas teurer sein wird als PERC/PERT-Solarmodule, Analysten gehen jedoch davon aus, dass die Kosten für TOPCon-Solarmodule unter die aktuellen Kosten der PERC-Solarzellentechnologie fallen werden.

Auch der Weg der TOPCon-Solarzellentechnologie ist nicht ganz frei von Konkurrenz. Es gibt andere Technologien, die ein interessantes großes Potenzial haben, dieser neu verbesserten Technologie entgegenzuwirken, darunter HJT, das weiterentwickelt wird, und die Interdigitated Back-Contacted (IBC)-Solarzellentechnologie.

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