PERC-Solarzelle: Funktion, Wirkungsgrad und Vergleich

Was ist eine PERC-Solarzelle?

Eine PERC-Solarzelle ist eine Solarzelle aus kristallinem Silizium, deren Rückseite eine zusätzliche Passivierungsschicht trägt. Die Abkürzung steht für Passivated Emitter and Rear Cell. Passivieren heißt hier: Die Oberfläche wird so abgedeckt, dass an ihr möglichst wenig Strom verloren geht.

Die Idee stammt von der University of New South Wales in Australien. Nach Angaben der QEPrize Foundation, die den Erfindern einen der wichtigsten Ingenieurpreise verliehen hat, arbeiteten Martin Green und Andrew Blakers dort seit den frühen Achtzigerjahren an dem Konzept. Die erste Veröffentlichung nannte einen Laborrekord von 22,8 Prozent. Die Forscher veröffentlichten die Technik, statt sie zu patentieren, damit sie sich schnell verbreiten konnte.

Bis zur Serie dauerte es rund zwei Jahrzehnte. Erst als zuverlässige und bezahlbare Laser verfügbar waren, stellte die Industrie ihre Fabriken von der älteren Bauart auf PERC um. Danach ging es schnell: Die Technik erreichte nach Angaben der Stiftung zeitweise fast 90 Prozent des weltweiten Marktes für Solarzellen. Sehr viele Anlagen auf deutschen Dächern arbeiten deshalb mit PERC-Modulen.

Wie funktioniert eine PERC-Solarzelle?

Eine PERC-Solarzelle funktioniert wie jede Siliziumzelle, nutzt das Licht aber besser aus, weil ihre Rückseite anders gebaut ist. Bei der älteren Bauart, Fachleute nennen sie Al-BSF, liegt das Silizium direkt auf einer durchgehenden Schicht aus Aluminium. An dieser Grenze gehen Ladungsträger verloren, und ein Teil des Lichts wird verschluckt.

Bei PERC liegt zwischen Silizium und Aluminium eine hauchdünne Schicht aus Aluminiumoxid, abgedeckt mit Siliziumnitrid. Ein Lehrportal zur Solarzellenfertigung, das auf die Arbeiten der University of New South Wales zurückgeht, beschreibt zwei Wirkungen. Die Schicht senkt die Verluste an der Rückseite deutlich, was die Spannung der Zelle erhöht. Und sie wirkt als Spiegel, der Licht zurück in das Silizium wirft, was den Strom erhöht.

Weil die Schicht keinen Strom leitet, öffnet ein Laser sie an vielen kleinen Stellen. Nur dort berührt das Aluminium das Silizium und nimmt den Strom ab. Der Kontakt ist also von einer ganzen Fläche auf viele Punkte oder Linien geschrumpft.

Vom Spiegel profitiert vor allem rotes und infrarotes Licht. Es dringt tief in das Silizium ein und würde die Zelle sonst ungenutzt verlassen. Hersteller leiten daraus ein gutes Schwachlichtverhalten am Morgen und Abend ab. Das ist eine Herstellerangabe. Belegt ist der höhere Wirkungsgrad insgesamt.

Wie hoch ist der Wirkungsgrad von PERC-Solarzellen?

PERC-Solarzellen erreichen in der Massenfertigung rund 22,5 Prozent Wirkungsgrad. Diesen Wert nennt das Institut für Solarenergieforschung in Hameln (ISFH), das die industrielle PERC-Zelle mitentwickelt hat. Zum Vergleich: Die ältere Bauart Al-BSF lag bei rund 18 Prozent, die ersten PERC-Zellen der Industrie bei 19 Prozent.

Viel mehr ist mit dieser Bauform nicht zu holen. Das ISFH errechnet für die weiterentwickelte, beidseitig lichtempfindliche PERC-Zelle ein Potenzial von 23,8 Prozent. Als Engpass nennt das Institut den Kontakt auf der Vorderseite. Mit zusätzlichen Kontaktschichten kommt die Simulation auf 24,1 Prozent. Solche Schichten sind der Schritt zur nächsten Zellgeneration.

Diese Zahlen gelten für die einzelne Zelle. Der Wirkungsgrad des fertigen Moduls liegt immer etwas darunter, weil Zwischenräume, Rahmen und Glas keine Leistung bringen. Das Fraunhofer ISE rechnet in seiner Ökobilanz mit einem PERC-Modul von 19,9 Prozent als Bezugsgröße. Den Unterschied erklären die Beiträge zum Zellwirkungsgrad und zum Modulwirkungsgrad.

PERC, TOPCon und HJT im Vergleich

PERC, TOPCon und HJT unterscheiden sich vor allem im Grundmaterial und in der Art, wie die Oberflächen der Zelle geschützt werden. PERC nutzt p-Typ-Silizium, die beiden Nachfolger nutzen n-Typ-Silizium. Das Fraunhofer ISE fasst die Lage in seinem Photovoltaik-Bericht so zusammen: n-Typ-Zellen mit TOPCon- und Heterojunction-Technik ersetzen die p-Typ-PERC-Technik, und TOPCon ist zur vorherrschenden Bauart geworden.

Dass TOPCon so schnell übernommen hat, liegt an der Verwandtschaft der beiden Bauarten. Eine TOPCon-Zelle ist im Kern eine PERC-Zelle mit besseren Kontakten. Genau dort sieht das ISFH den Engpass der PERC-Technik, und genau dort setzen die zusätzlichen Kontaktschichten an.

Hersteller geben für n-Typ-Module außerdem einen günstigeren Temperaturkoeffizienten und eine höhere Ausbeute der Rückseite bei bifazialen Solarmodulen an. Das sind Herstellerangaben, unabhängige Vergleichsmessungen lagen für diesen Beitrag nicht vor. Vergleichen Sie deshalb immer die Datenblätter der konkreten Module und nicht nur die Namen der Technik.

Wie stark altern PERC-Module?

PERC-Module altern wie alle Siliziummodule langsam und haben eine bekannte Schwäche in der ersten Betriebszeit: den Leistungsverlust durch Licht. Fachleute unterscheiden LID (Light Induced Degradation) und LeTID, bei dem Licht und Wärme zusammenwirken. Ursache ist das Bor, mit dem das p-Typ-Silizium versetzt wird.

Dieses Problem hat die Industrie in den Griff bekommen. Die Arbeitsgruppe Task 13 der Internationalen Energieagentur hält in ihrem Bericht über Alterung und Ausfälle fest, LID und LeTID seien gut verstanden und durch den Wechsel von Bor zu Gallium gelöst. Das Lehrportal zur Solarzellenfertigung ergänzt, dass der Großteil der Industrie auf Gallium umgestellt hat und ein früher nötiger Behandlungsschritt in der Fabrik damit entfällt.

Für Ihre Anlage heißt das: Bei PERC-Modulen aus der frühen Zeit der Technik kann der Anfangsverlust höher ausgefallen sein als bei späteren. Maßgeblich ist, was der Hersteller zusichert. Die Leistungsgarantie nennt, wie viel Leistung nach dem ersten Jahr und am Ende der Laufzeit mindestens übrig sein muss.

Für die langfristige Alterung rechnet das Fraunhofer ISE in seiner Ökobilanz pauschal mit 0,7 Prozent Leistungsverlust im Jahr. Das ist eine Rechenannahme für Siliziummodule allgemein und kein Messwert für PERC. Mehr dazu steht im Beitrag zur Degradation.

Vorteile und Nachteile von PERC-Solarzellen

Der größte Vorteil von PERC-Solarzellen ist ihre Reife, der größte Nachteil die ausgereizte Leistung. Kaum eine Zelltechnik wurde in so großer Stückzahl gebaut und im Feld erprobt.

Die Energierücklaufzeit hat das Fraunhofer ISE für Anlagen mit PERC-Modulen berechnet. Eine in Europa gefertigte Anlage, die in Nordeuropa steht, hat die Energie für ihre Herstellung nach rund 1,1 Jahren wieder erzeugt, in Südeuropa nach 0,9 Jahren. Danach liefert sie über Jahrzehnte Strom ohne diesen Rucksack.

PERC auf dem Dach oder im Angebot: Was tun?

Liegen PERC-Module auf Ihrem Dach, müssen Sie nichts tun. Die Module sind technisch nicht überholt, nur weil es bessere gibt. Ein Tausch gegen TOPCon rechnet sich nicht, solange die Anlage läuft, denn der Mehrertrag wiegt die Kosten für Module und Montage nicht auf.

Ob Ihre Module PERC-Zellen haben, steht im Datenblatt unter Zelltyp oder Zelltechnologie. Dort finden Sie Angaben wie "Mono PERC" oder "p-Typ". Steht dort "n-Typ" oder "TOPCon", gehört Ihre Anlage schon zur nächsten Generation. Einen Überblick über die Bauarten gibt der Beitrag zu monokristallinen Solarzellen.

• Ersatz für ein defektes Modul: Ein PERC-Modul mit ähnlichen elektrischen Werten ist die einfachste Lösung. Fragen Sie früh danach, die Auswahl wird kleiner.
• Erweiterung der Anlage: Für zusätzliche Fläche bieten sich TOPCon-Module an einem eigenen Strang oder Wechselrichtereingang an.
• Angebot mit PERC für eine Neuanlage: Fragen Sie nach einem Gegenangebot mit TOPCon und vergleichen Sie Leistung, Preis und Garantie.
• Restposten: Ein günstiges PERC-Modul kann sich lohnen, wenn der Hersteller solide ist und die Garantie mindestens so lang läuft wie bei den Nachfolgern.

Welche Anlagengröße zu Ihrem Dach passt, zeigt der Photovoltaik-Konfigurator.

Häufige Fragen zu PERC-Solarzellen

Fazit

PERC hat die Solarzelle aus Silizium auf ein Niveau gehoben, das vorher dem Labor vorbehalten war, und Solarstrom damit für sehr viele Haushalte bezahlbar gemacht. Wer PERC-Module auf dem Dach hat, besitzt eine ausgereifte und gut erprobte Technik.

Für Neuanlagen ist die Zeit von PERC vorbei. TOPCon und andere n-Typ-Zellen leisten mehr auf derselben Fläche und haben den Markt übernommen. PERC bleibt sinnvoll als Ersatzmodul und gelegentlich als günstiger Restposten. Den Ertrag Ihrer Anlage schätzen Sie mit dem Solarrechner.

Quellen und Methodik

Wirkungsgrade stammen vom Institut für Solarenergieforschung in Hameln, Aussagen zu Markt und Ökobilanz vom Fraunhofer ISE, zur Alterung von der Internationalen Energieagentur. Angaben zu Temperaturverhalten, Schwachlicht und Rückseitenertrag sind Herstellerangaben und deshalb ohne Zahl wiedergegeben. Preise und Marktanteile in Prozent wurden bewusst weggelassen, weil sie schnell veralten. Solar.red hat keine Module gemessen.

1. ISFH, Dullweber u. a.: Industrial PERC+ solar cell efficiency projection towards 24% - Wirkungsgrade von Al-BSF und PERC, errechnetes Potenzial
2. Fraunhofer ISE: Photovoltaics Report - Ablösung von PERC durch n-Typ-Zellen, Energierücklaufzeit, Bezugsmodul
3. IEA PVPS Task 13: Degradation and Failure Modes in New Photovoltaic Cell and Module Technologies - LID und LeTID, Wechsel von Bor zu Gallium
4. PV-Manufacturing.org: PERC Solar Cells - Aufbau der Rückseite, Laseröffnung, Umstellung der Industrie
5. QEPrize Foundation: PERC Solar Technology - Erfinder, Laborrekord, Verbreitung