Was ist HJT-Technologie für Solarmodule?

Drei wichtige Materialien werden für Heterojunction-Solarzellen verwendet: kristallines Silizium (c-Si), amorphes Silizium (a-Si) und Indiumzinnoxid (ITO).

Kristallines Silizium (c-Si)

Kristallines Silizium (c-Si) bildet die Basis der sich schnell entwickelnden Photovoltaik-Industrie und wird häufig in Form von kristallinen Wafern zur Herstellung von Standard-Homojunction-Solarzellen verwendet. Es gibt zwei Arten von c-Si: polykristallines und monokristallines Silizium. Für HJT-Solarzellen wird jedoch nur monokristallines Silizium verwendet, da es eine höhere Reinheit und somit eine höhere Effizienz aufweist.

Amorphes Silizium (a-Si)

Indiumzinnoxid (ITO) ist das bevorzugte Material für die transparente leitfähige Oxidschicht (TCO) in Heterojunction-Solarzellen. Die Technologie zur Abscheidung von transparenten leitfähigen Oxidfilmen (TCO) ist entscheidend für die hohe Leistung von optoelektronischen Geräten. Die Reflexions- und Leitfähigkeitseigenschaften von ITO machen es zu einer idealen Kontaktschicht und Außenschicht für HJT-Solarzellen.

Indiumzinnoxid (ITO)

In den 1970er Jahren wurde entdeckt, dass amorphes Silizium (a-Si) für die Dünnschicht-Photovoltaik-Technologie geeignet ist und als Halbleiter in Solarzellen verwendet werden kann. Es ist das zweitwichtigste Material bei der Herstellung von Heterojunction-Solarzellen. Obwohl a-Si von sich aus Dichtedefekte aufweist, können diese durch Hydrogenierungsprozesse behoben werden. Dadurch entsteht hydrogeniertes amorphes Silizium (a-Si:H), das durch seine einfache Dotierbarkeit und seinen breiteren Bandabstand besonders gut für die Herstellung von HJT-Zellen geeignet ist.

Herstellungsprozess von HJT-Zellen

Der Herstellungsprozess für HJT-Zellen ist vergleichsweise kurz. Er umfasst hauptsächlich vier Schritte: Texturierung, Abscheidung von amorphem Silizium, Abscheidung von TCO (Transparentem Leitfähigem Oxid) und Siebdruck. Dies ist deutlich weniger im Vergleich zu PERC (10 Schritte) und TOPCON (12-13 Schritte). Die Abscheidung von amorphem Silizium erfolgt vorwiegend mittels PECVD (Plasmaunterstützter Chemischer Gasphasenabscheidung). Für die TCO-Filmbeschichtung gibt es derzeit zwei Methoden: Reaktive Plasmaabscheidung (RPD) und Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD).

Wie funktionieren HJT-Solarzellen?

Das Funktionsprinzip von Heterojunction-Solarzellen ähnelt anderen PV Module. Unter dem Photovoltaik-Effekt besteht der Hauptunterschied in der Verwendung eines Dreischicht-Absorbers, der Dünnschicht- und traditionelle Photovoltaiktechnologien kombiniert. Der Prozess umfasst das Anschließen einer Last an die Anschlüsse des Moduls, wobei Photonen in elektrische Energie umgewandelt und so ein Strom erzeugt wird, der durch die Last fließt.

Um Strom zu erzeugen, treffen Photonen auf den P-N-Übergangsabsorber und regen Elektronen an, die sich zum Leitungsband zu bewegen. So entstehen Elektron-Loch-Paare (e-h).

Die angeregten Elektronen werden von den mit der P-dotierten Schicht verbundenen Anschlüssen gesammelt, was einen Stromfluss durch die Last erzeugt.

Nachdem der Strom durch die Last geflossen ist, kehren die Elektronen zum hinteren Kontakt der Zelle zurück und rekombinieren dort mit den Löchern, was das jeweilige e-h Paar abschließt. Während das Modul Strom erzeugt, wiederholt sich dieser Vorgang kontinuierlich.

In Standard-c-Si-Photovoltaikmodulen tritt ein Phänomen auf, das als “Oberflächenrekombination” bekannt ist und die Effizienz dieser Module einschränkt. In diesem Prozess rekombinieren die durch Licht angeregten Elektronen mit Löchern an der Materialoberfläche, wodurch sie sich wieder vereinigen und die Elektronen nicht als elektrischer Strom gesammelt und geleitet werden.

Um die Oberflächenrekombination zu verringern, verwenden Heterojunction-Zellen passivierende Halbleiter-Dünnschichtfilme, um die stark rekombinierenden aktiven (Ohmschen) Kontakte von den auf Wafern basierten Schichten zu trennen. Diese Filme bestehen aus a-Si:H mit einem breiteren Bandabstand. Diese Pufferschicht ermöglicht einen langsamen, aber ausreichenden Ladungsfluss, um eine hohe Spannung zu erzeugen, und ist gleichzeitig schnell genug, um eine Rekombination der Elektronen vor deren Sammlung zu verhindern, was die Effizienz der Heterojunction-Zellen steigert.

Im Prozess der Lichtabsorption absorbieren alle drei Halbleiterschichten die Photonen und wandeln sie in elektrische Energie um.

Die zuerst ankommenden Photonen werden von der äußeren a-Si:H-Schicht absorbiert und in elektrische Energie umgewandelt. Die meisten Photonen werden jedoch von der c-Si-Schicht umgewandelt, die in der Zelle die höchste Umwandlungseffizienz aufweist. Die verbleibenden Photonen werden schließlich von der a-Si:H-Schicht auf der Rückseite des Moduls umgewandelt. Dieser dreistufige Prozess ist der Grund für über 26,7% Effizienz der einseitige HJT-Zellen.

Vergleich der HJT-, TOPCon- und PERC-Technologie

Heterojunction (HJT) -Solarmodule weisen eine hohe Bifazialität und einen niedrigen Temperaturkoeffizient auf, was die Effizienz und den Stromertrag steigert und somit effektiv die Stromkosten senkt. Sie sind besonders geeignet für Regionen mit der höheren Temperatur in Sommer und die sind ideal für Agri-PV, Carports und Solarzäune.

Zukunftsprognose für HJT-Solarzellen

Angesichts der zahlreichen Vorteile der Heterojunction (HJT) werden in naher Zukunft wahrscheinlich mehr Unternehmen diese Technologie weiterhin adoptieren. Da der Herstellungsprozess von HJT 6 Schritte weniger als die PERC-Technologie umfasst, könnte diese Technik Produktionskosten start reduzieren. Obwohl PERC seit vielen Jahren die beliebte Wahl in der PV-Branche war, kann sein komplexer Herstellungsprozess nicht mit HJT konkurrieren. Darüber hinaus hat HJT besseren Temperaturkoeffizient als PERC.

Laut dem ITRPV-Bericht 2019 wird erwartet, dass Heterojunction (HJT) -Zellen bis 2026 einen Marktanteil von 12% und bis 2029 einen Anteil von 15% besitzen.

Referenz:

https://www.kanekaenergysolutions.com/what-is-heterojunction-technology-hjt-in-the-solar-industry

https://solarmagazine.com/solar-panels/heterojunction-solar-panels/#Looking_into_the_future_of_heterojunction_technology