Dank Siliziumzellen mit hoher Widerstandskraft erreichen chinesische Solarmodule einen Rekordwirkungsgrad und werden 2024 mehr als 584 TWh Strom erzeugen.
Der Wettlauf um eine höhere Effizienz der Solarenergie macht mit einem neuen Durchbruch aus China weiter Fortschritte. Forscher und Hersteller aus diesem asiatischen Land haben es geschafft, die Leistung von Photovoltaikzellen durch eine entscheidende Optimierung bei der Behandlung von Siliziumplatten zu verbessern.
Es handelt sich um eine Entwicklung, die dazu beitragen könnte, die Stromproduktion zu steigern, ohne die installierte Fläche erweitern zu müssen.
Die weltweite Situation der Photovoltaik-Energie
Diese Untersuchung erfolgt in einem Kontext des starken Wachstums der Solarenergie auf globaler Ebene, wobei China als dominanter Akteur in diesem Sektor gilt. Laut Daten von DPV Energy aus dem Jahr 2024 erzeugte das Land 584 TWh Strom aus photovoltaischer Solarenergie – der höchste Wert weltweit. Weit dahinter liegen die Vereinigten Staaten mit 238 TWh, Indien mit 113 TWh und Japan mit 110 TWh.
In Europa bleibt Deutschland trotz geringerer Sonneneinstrahlung als die Länder im Süden des Kontinents weiterhin führend mit 62 TWh. Seine Führungsposition wird durch jahrelang fortgesetzte Förderpolitiken erklärt, wie Subventionen, steuerliche Anreize sowie günstige regulierte Tarife für den Eigenverbrauch und die erneuerbaren Energien.
Der Kontrast ist im Fall Spaniens offensichtlich – eines der sonnigsten Länder der Welt mit mehr als 300 Sonnentagen pro Jahr und 2.500 bis 3.000 Stunden Sonneneinstrahlung – doch das Land nutzt noch nicht sein volles photovoltaisches Potenzial aus.
Neue Siliziumwafer mit hoher Widerstandskraft
In diesem Kontext des Wachstums und der technologischen Konkurrenz gehört LONGi Green Energy Technology zu den einflussreichsten Unternehmen. Gegründet im Jahr 2000 gilt das Unternehmen als größter Hersteller von monokristallinen Siliziumprodukten, der derzeit effizientesten Technologie in der Solarenergiebranche. Die Firma organisiert ihre Tätigkeit in fünf Hauptbereiche, darunter die Produktion von Wafern, Zellen und Photovoltaikmodulen, einschließlich der bekannten Hi-MO-Serie von Paneelen, die sowohl in Wohngebäuden als auch in großen Solarkraftwerken eingesetzt werden.
Der neueste Fortschritt von LONGi, der in Zusammenarbeit mit Forschern der Sun-Yat-sen-Universität entwickelt wurde, konzentriert sich auf die Verbesserung des Verhaltens von Siliziumschichten mit hoher Widerstandskraft. Dieser Materialtyp bietet theoretische Vorteile hinsichtlich der Effizienz im Vergleich zu Standard-Schichten, die mithilfe der Czochralski-Methode hergestellt werden und eine mittlere oder niedrige Widerstandskraft aufweisen. Sie zeichnen sich außerdem durch größere mechanische Belastbarkeit und eine bessere Toleranz gegenüber thermischen Spannungen aus, was ihre industrielle Verarbeitung erleichtert und das Risiko von Schäden während der Fertigung verringert.
Doch die anfänglichen Tests zeigten ein Problem: Die Wafers mit hoher Widerstandskraft neigten dazu, eine geringere Leistung als erwartet zu liefern. Die Analyse ergab, dass sie bei maximaler Leistung mit höheren Dichten an überschüssigen Trägern sowie flacheren Konzentrationsgradienten arbeiteten. Dieses Verhalten verringerte die Ansammlung der Träger und erhöhte ihre Empfindlichkeit gegenüber Rekombinationen an den Rändern.
In der Praxis führten ohne eine spezielle Behandlung die Ränder der Wafers zu einem Lastverlustpunkt, wodurch die theoretischen Vorteile des Materials zunichte gemacht wurden.
Die von dem Team vorgeschlagene Lösung ist die Passivierung der Ränder – ein Prozess, der diese Verluste verringert und es ermöglicht, die Rekombination zu kontrollieren. Die Forscher stellten fest, dass eine Kombination aus hoher Widerstandsfähigkeit und effektiver Passivierung entscheidend ist, um die maximale Leistung zu erzielen. Dadurch gelangen diese Schichten leichter in den Zustand der Hochleistungs-Injektion, eine physikalische Eigenschaft, die höhere Befüllungsfaktoren fördert und somit eine größere Effizienz bewirkt.
Dank dieser Kontrolle können die Schichten eine effektivere Sammlung von Trägern gewährleisten und ihr theoretisches Potenzial in eine höhere tatsächliche Leistung umsetzen.
Zur Überprüfung des Verfahrens stellte das Team hybride Solarzellen mit hinterem Interdigitierkontakt (HIBC) in den Abmessungen von 18,3 Zentimetern mal 9,1 Zentimetern her, wobei sowohl Hochwiderstandssiliziumplatten als auch Standard-Czochralski-Platten verwendet wurden. Der wesentliche Unterschied im Experiment bestand darin, dass bei den Hochwiderstandssiliziumplatten die Kanten während der chemischen Vaporphasenabscheidung unbedeckt mit Siliziumnitrid blieben, wodurch die Passivierungsschicht SiOx/n-poli-Si freilag und während der feuchten chemischen Reinigung teilweise entfernt wurde.
Der gesamte Herstellungsprozess umfasste mehrere industrielle Schritte: feuchte chemische Reinigung, chemische Gasphasenabscheidung (CVD), Phosphordiffusion, atomare Schichtabscheidung (ALD), Laserschneiden, physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), elektrische Isolierung und Serigrafie.
Anschließend wurden die Zellen mit einem IV-Kurvenprüfer, Messsystemen für Wafern, Rasterelektronenmikroskopen sowie Simulationswerkzeugen analysiert.
Die Ergebnisse bestätigten den Einfluss der Behandlung: Die Einführung einer wirksamen Kantenpassivierung verbesserte die Leistung sowohl bei Zellen mit niedriger als auch mit hoher Widerstandskraft, wobei die Verbesserungen bei den letztgenannten deutlich größer ausfielen.
Der technische Fortschritt, der zwar fachlich geprägt ist, aber auch industrielle Auswirkungen hat, verstärkt die Tendenz der Branche hin zu schrittweisen Verbesserungen beim Silizium – einem Material, das weiterhin die Grundlage für mehr als 90 % der Solarzellen weltweit darstellt. In einem Markt, in dem jede zusätzliche Effizienzsteigerung die Kosten senkt und die Produktion pro Quadratmeter erhöht, festigen Entwicklungen wie diese die technologische Führung Chinas und rücken einen Zustand näher, in dem Energie
