PERC-Zellen: Was können sie und lohnen sie sich noch?

Der Wirkungsgrad der Solarzellen ist entscheidend für den Stromertrag einer Photovoltaikanlage. Aus diesem Grund sind sogenannte PERC-Solarzellen heute weit verbreitet. Durch ihre spezielle Rückseitenbeschichtung haben sie einen höheren Wirkungsgrad als andere Solarzellen. Wir fassen in diesem Beitrag für Sie zusammen, was PERC bedeutet, wie die PERC-Technologie funktioniert und welche Vorteile sie für Ihre Photovoltaikanlage bietet.

Was bedeutet PERC?

PERC ist eine Abkürzung und steht für „Passivated Emitter and Rear Cell“, auf Deutsch in etwa: Zelle mit passivierter Emissionselektrode und Rückseite.

Der Name beschreibt die Besonderheit der PERC-Solarzelle, bei der nicht nur die Vorder-, sondern auch die Rückseite der Zelle eine Passivierungsschicht erhält, um mehr vom einfallenden Sonnenlicht absorbieren zu können. Das Konzept der PERC-Technologie und die Bezeichnung wurden schon in den 1980er-Jahren an der University of New South Wales in Australien entwickelt. 

Ertragsverluste durch Reflexion und unterschiedliche Wellenlängen

Wenn Sonnenlicht auf eine Solarzelle trifft, wird nicht die gesamte Lichtenergie in Strom umgewandelt. Bis zu einem Drittel des einfallenden Lichts geht durch Oberflächenreflexion verloren. Dieser Verlust wird bei modernen Solarzellen durch eine Antireflexionsschicht auf der Zelloberfläche stark reduziert. Ein weiterer Verlustfaktor sind die unterschiedlichen Wellenlängen des Sonnenlichts. Das Licht im blauen Farbspektrum ist kurzwellig und wird daher vor allem im vorderen Bereich der Solarzelle in Strom umgewandelt. Langwellige Lichtstrahlen im roten Farbspektrum durchdringen die Solarzelle in vielen Fällen ungenutzt, sodass wertvolle Solarenergie verloren geht.

Wie funktionieren PERC-Solarzellen?

Bei heutigen Solarzellen wird die negativ dotierte Siliziumschicht (n-Emitter-Schicht) texturiert und zusätzlich passiviert. Die auf diese Weise veredelte Oberfläche der Solarzelle reduziert Reflexionen des einfallenden Sonnenlichts. Je mehr Sonnenlicht die Solarzelle absorbiert, desto mehr Elektronen werden aus der n-dotierten Siliziumschicht herausgelöst – und desto mehr Strom wird erzeugt. PERC Solarzellen werden aus positiv dotierten Wafern hergestellt, wobei sich Bor als Dotierelement bewährt hat.

Während die Rückseite herkömmlicher Solarzellen aus einer durchgehenden Aluminium-Beschichtung besteht, verfügen PERC-Zellen über eine sogenannte Rückseitenpassivierung. PERC-Zellen sind also beidseitig passiviert. Die Passivierungsschicht der Rückseite wird nur punktuell von Rückseitenkontakten aus Aluminium durchstoßen. Sie dient dazu, die langwelligen Lichtstrahlen im roten Strahlungsspektrum zu absorbieren, die ansonsten ungenutzt die Solarzelle durchdringen würden. 

Durch die beidseitige Passivierung können PERC-Solarzellen deutlich höhere Anteile des Sonnenlichts in Strom umwandeln. Daher haben PERC-Solarzellen einen höheren Wirkungsgrad und liefern höhere Erträge als konventionelle Solarzellen.
 

Welche Vorteile haben PERC-Zellen?

• Höhere Stromerträge in den Morgen- und Abendstunden: In Zeiten starker Sonneneinstrahlung, etwa zur Mittagszeit, ist der Anteil am blauen, kurzwelligen Licht am höchsten. Morgens und abends ist dagegen der Anteil an roten, langwelligen Lichtstrahlen höher. Dieses Licht kann durch die Rückseitenpassivierung der PERC-Zellen effizienter in Strom umgewandelt werden. Daher arbeiten PERC-Solarzellen vor allem in den Morgen- und Abendstunden effizienter als Standard-Solarzellen.
   
• Konstante Zelltemperatur: Die Rückseitenpassivierung der PERC-Zellen reflektiert einen Teil des absorbierten Sonnenlichts zurück in die Zelle, anstatt sie ungenutzt zu durchdringen. Aus diesem Grund heizt sich das Zellinnere nicht so stark auf. Da die Leistung von Solarmodulen mit steigender Zelltemperatur nachlässt, sorgt eine konstante Zelltemperatur für optimierte Erträge.
   
• Einsatz mit bifazialen Modulen: Auch bei sogenannten bifazialen Solarmodulen, bei denen das Sonnenlicht sowohl von der Vorder- als auch auf der Rückseite des Moduls absorbiert werden kann, können PERC-Zellen verwendet werden. Durch die passivierte Rückseite können die Zellen nicht nur das reflektierte Licht im Zellinneren nutzen, sondern auch das Licht, das von außen auf die Modulrückseite trifft, etwa bei Freiflächenanlagen oder bei Solardächern für Parkplätze. Wie diese Technologie genau funktioniert, können Sie in unserem Beitrag bifaziale Module nachlesen.
   

Welche Nachteile haben PERC-Zellen?

• Schnellere Degradation: Die Erfahrung zeigt, dass PERC Solarzellen einigen spezifischen Alterungseffekten unterliegen, welche für einen Leistungsabfall der Module im Zeitverlauf sorgen. Diesen Effekt bezeichnet man als Degradation. Zunächst zeigen PERC Zellen im Vergleich zu anderen Zelltypen eine erhöhte Anfangsdegradation unmittelbar nach der Installation von ca. - 1 % Hierbei reagiert das Bor mit dem Sauerstoff. Danach allerdings verläuft die Degeneration in einem üblichen Verlauf von ca - 0,5 % pro Jahr. Weiterhin ist Bor empfindlicher gegenüber metallischen Verunreinigungen in der Produktion.

Zukunft und Entwicklungen

Aufgrund der schnellen Entwicklung der Photovoltaik ist nicht davon auszugehen, dass PERC-Zellen in Zukunft die alleinige Technologie sein werden. Schon jetzt gibt es auf dem Markt eine Reihe unterschiedlicher Solarzellen und Solarmodule. Relativ neu sind zum Beispiel sogenannte TOPCon-Solarzellen, die das Fraunhofer-Institut entwickelt hat. Bei TOPcon-Zellen sind die Rückseitenkontakte auf der Oberseite die Solarzelle aufgebracht. Auf diese Weise sind die elektrischen Kontakte nicht direkt mit der Siliziumschicht in Kontakt, sodass die Zelle einen höheren Wirkungsgrad und gleichzeitig eine geringere Degradation erzielen kann. Noch ist die Produktion von TOPCon-Zellen sehr aufwendig – aber schon in naher Zukunft könnte die TOPCon-Technologie zumindest gleichauf mit PERC-Zellen sein.  
 

Fazit

PERC-Solarzellen sind sowohl im gewerblichen als auch im privaten Bereich weltweit verbreitet und bieten in vielen Fällen höhere Stromerträge gegenüber Standard-Solarzellen. Durch den höheren Wirkungsgrad der Zellen relativieren sich die geringfügig höheren Anschaffungskosten sowie die stärkere Degradation der PERC-Zellen. Dennoch sollten Sie sich bei der Planung Ihrer Photovoltaikanlage immer von einem Fachbetrieb beraten lassen. Ein Profi kann Ihnen genau sagen, ob sich eher PERC-Zellen oder Standard-Zellen für Ihr Hausdach lohnen, was die Solaranlage kostet und wie groß Ihre Anlage sein muss, damit sich Ihre Investition schnellstmöglich amortisiert.