Tecnología PERC: ¿Qué es y qué la hace ser superior?
En este artículo te presentamos lo que ha hecho que en los paneles solares la tecnología PERC represente un fuerte diferenciador que la acredita como una de las mejores innovaciones.
Para empezar, tendríamos que decir que la tecnología PERC (Passivated Emitter Rear Cell) incluye una capa extra que refleja la energía para aprovechar aún más la radiación solar.
Si bien su traducción no es tan clara: “Celda Trasera del Emisor Pasivado”, aprovecharemos este espacio para hablarte acerca de esta tecnología, y así la conozcas y comprendas de mejor manera sus diferencias y ventajas.
Composición de los paneles solares estándar.
Hasta ahora sabemos que los paneles solares estándar están compuestos básicamente por tres capas con distintas propiedades eléctricas: una capa emisora, una capa base y una de aluminio: BSF (Back Surface Field).
Capa emisora: Es la capa de silicio más expuesta a la radiación solar, ubicada en la superficie superior de la celda.
Capa base: Es la capa intermedia y también está fabricada de silicio; se ubica entre la capa emisora y el aluminio de BSF.
BSF: Se encuentra en la superficie; es decir, es la capa más profunda y la cual absorbe la radiación infrarroja que atraviesa a las capas anteriores.
Funcionamiento de la tecnología PERC.
Una vez comprendida la composición de un panel mediante las tres capas mencionadas, podremos entender mejor la ubicación de las láminas con tecnología PERC y sus beneficios.
La tecnología PERC, es la implementación de una lámina adicional al panel solar, cuya función será evitar que los electrones de luz infrarroja penetren hasta la capa inferior de aluminio; es decir, la BSF.
Esta función hará que la capa PERC, rebote los electrones hacia las capas superiores, dando como resultado, una mayor generación de electricidad y mayor potencia del panel.
Ventajas del uso de paneles con tecnología PERC.
La función de poder incrementar el porcentaje de eficiencia del módulo solar representa ya por sí sola un gran diferenciador, pues aumenta la generación de electricidad.
Cabe señalar que los paneles con tecnología PERC, tienen un mejor rendimiento en entornos de poca luz en comparación a los paneles estándar policristalinos y monocristalinos.
Respecto a los entornos de poca luz destacan los días de cielo nublado, así como las primeras horas de la mañana y últimas de la tarde, puesto que la tecnología PERC minimiza las pérdidas de radiación.
Las láminas o capas PERC representan innovación y tecnología de última generación. Está claro que al proporcionar mayor producción con poca irradiación solar su potencial es enorme, disminuyendo también la temperatura de operación del panel.
IBC Solar Cells: Definition, Benefits, vs. Similar Techs
The solar industry’s road for solar panels with a higher power is paved with different solar cell technologies that attempt to reduce power losses, increase efficiencies, and reduce production costs for photovoltaic (PV) modules. One of the most innovative methods to have proven higher efficiencies using crystalline silicon (c-Si) cells is the Interdigitated Back Contact (IBC) solar cell technology.
IBC solar cell technology has proven to be superior to traditional Aluminum Back Surface Field (Al-BSF) options, but it has the downside of having a more expensive and complex manufacturing process. In this article, we explain everything about IBC technology, including the components, structure for IBC solar cells, operating principle, and even compare IBC against other PV technologies.
What is an IBC solar cell and how does it work?
IBC solar cell technology restructures components in the solar cell and includes additional ones to increase efficiency for the cell, and provide additional benefits. In this section, we explain the materials and the structure of IBC solar cells, and we explain the operating principle for the technology.
Materials components of the IBC solar cell
The main component featured in most IBC solar cells is a c-Si wafer that acts as the n-type wafer absorber layer, but p-type wafers are also used. Monocrystalline silicon (mono c-Si) is the most common option due to its higher efficiency, but polycrystalline silicon (poly c-Si) can also be used.
An anti-reflective and passivation layer is placed on one of the two sides of the c-Si wafer, being manufactured with a thin layer of silicon dioxide (SiO2) placed through a thermal oxidation process. Materials like Silicon Nitride (SiNx) or Boron Nitride (BNx) are also suitable.
For IBC solar cells to relocate frontal contacts at the rear side of the cell, they require interspersed or interdigitated layers of n and p emitters called the diffusion layer. To create it, layers of the n-type wafer are doped with boron through masked diffusion, masked ion-implantation, or laser doping, creating the p-type (p ) digitation, while the n-type layers stay intact (n ).
Metal contacts are also placed by laser ablation or wet chemical deposition, using regular metals like silver, nickel, or copper for the contacts of the IBC solar cell.
This is one of the most popular approaches for manufacturing IBC solar cells, but there are different approaches available (Figure 1), which might require different materials for manufacturing the diffusion layer.
Structure of the IBC solar cell
Manufacturing IBC solar cell can be quite complex considering the creation of the diffusion layer, but understanding its structure is relatively simple.
The main layer for the IBC solar cell is the n-type or p-type c-Si wafer functioning as the absorber layer. This layer is manufactured by doping a c-Si layer with boron or phosphorous, to create a p-type or n-type doped wafer. Then, an anti-reflective and passivation coat usually made out of SiO2 is placed on one or two sides of the solar cell (Figure 2).
The major structural design modification for the IBC solar cells is the inclusion of a diffusion layer, which features interdigitated n-type and p-type layers allowing for the installation of rear side metal contacts (Figures 2 3).
Finally, every metal contact for the IBC solar cell is placed in the back of the cell, leaving the front of the cell entirely free from shading materials. This also allows for installing contacts in a wider area, causing series resistance for the cells to be lowered.
Working principle of the IBC solar cell
IBC solar cells generate solar power under the photovoltaic effect as Al-BSF solar cells do. The load is connected between positive and negative terminals of the IBC solar panel, with photons being converted into electricity, creating solar power to energize the load.
Alike traditional solar cells, photons impact the IBC solar cell absorber layer, exciting electrons and creating an electron-hole (e-h) pair. Since IBC solar panels do not feature frontal metal contacts that shade the cells, these solar cells have a higher area of conversion for photons to impact.
The e-h pair formed at the front of the IBC solar cell is then collected by a p-type interdigitated layer at the back. Collected electron flows from p metal contacts to the load, generating electricity, and then going back to the IBC solar cell through the n metal contact, ending that particular e-h pair.
IBC solar cells vs. Traditional cells
After understanding more about IBC solar cells, it is important to compare them to the well-known traditional Al-BSF technology. In this section, we compare both options considering different aspects.
| Interdigitated Back Contact (IBC) | ||
| 25-30 years | ||
1 Considering a cost of 0.274€/W at 1.10/€
One structural problem that IBC solar cells improve from the design of traditional Al-BSF cells, is removing the front metal contact at the cell. This provides two advantages for IBC solar cell technology: reduced shading by locating metal contacts at the rear side of the cell and increasing power density by allowing installation of solar cells without space in between on the IBC solar panel.
Due to the improvements in IBC solar cells, IBC technology has achieved a recorded efficiency of 26.7%, which is 1.3% more than traditional technologies. IBC solar cell technology does not stop there, since researchers expect to achieve an efficiency of 29.1% for IBC solar cells.
IBC solar cell technology improves the temperature coefficient from.0.387%/ºC to.0.446%/ºC for traditional options, down to.0.29%/ºC. As a result, an IBC solar panel can deliver a better performance in hot climate installation.
While IBC solar cell had a high production cost and features a complex manufacturing process, the cost for this technology has been reduced to 0.30/W. With higher efficiency and only a slightly higher price, IBC solar cell technology is a compelling option for residential and industrial applications, which could cause IBC technology to take control of around 35% of the market share by 2025.
While Al-BSF and IBC solar panels can be used for residential and industrial applications, IBC solar cell technology has the upper hand in CPV applications. This is caused by IBC solar panels having a lower series resistance, higher bulk lifetime, and lower surface recombination, making it ideal for these applications with increased solar concentration which provides several interesting advantages.
IBC solar cells vs. PERC cells
Passivated Emitter and Rear Contact (PERC) and IBC solar panels share interesting design improvements from Al-BSF technology. Both technologies share higher efficiencies, better temperature coefficients, and larger areas for photon absorption.
PERC and IBC technologies share the reduction of the surface area occupied by the busbars or metal contacts, delivering similar advantages. While PERC technology only reduces the busbars, IBC solar panel technology eliminates it, further increasing the effective surface area for photon absorption.
IBC technology surpasses PERC technology in its efficiency, due to PERC technology only achieving an efficiency of 25.4%, while IBC solar panel technology achieved recorded efficiencies of 26.7%.
The major point in favor of PERC against IBC solar cell technology is that IBC technology is more expensive to manufacture than PERC technology.
While both technologies have their differences, they are an improvement from traditional Al-BSF options, and the major point in favor of both is that they can be combined. This opens a way for the creation of PERC-IBC solar panels, featuring additional advantages against traditional technologies.
Roundup: The benefits of IBC solar cells
IBC solar panels have many benefits that make them outstand from traditional Al-BSF technology and others. In this section, we round up the benefits of IBC solar cell technology.
Reduced losses by shading
IBC solar cell restructuration places frontal metal contact on the rear side of the cell, eliminating shade caused by the busbars. By doing this, IBC solar cell increases the photon effective absorption which results in reduced power losses and several other benefits.
Reduced series resistance
IBC solar cells lower the series resistance at the cell from traditional Al-BSF cells, by being able to place larger metal contacts at the rear side of the cell, becoming a key factor for CPV applications.
Increased power output per square meter
With an increased efficiency for IBC solar cells, an IBC solar panel can be manufactured without space between cells, further increasing the power output per square meter for a single module. This makes IBC solar cell technology more compelling for applications with limited space.
Independent optical/electrical optimizations
Since IBC solar cells relocate metal contacts at the back, the optical and electrical optimizations for the cell are decoupled, making each optimization completely independent from the other, making it easier for researchers to improve one or the other separately.
Who manufactures IBC panels?
IBC solar panels are manufactured by a few companies in the US, with the two most popular ones being SunPower and Trina Solar.
SunPower: Maxeon® solar panels
SunPower is a solar company manufacturing solar panels in the US for more than 35 years. This company delivered the first commercial IBC solar panels to the US, producing high-quality modules with excellent performance, with their Maxeon® solar panels.
Maxeon solar panels achieved one of the highest efficiencies for PV modules in the market. These modules feature a copper substrate that increases strength and resistance to corrosion, featuring high-quality silicon layers for the solar cells that produce 60% more power than other technologies in the market.
Trina Solar
Trina Solar has provided some of the most cost-effective solar solutions in the US solar market for around 25 years, ideal for residential, commercial, and utility-scale applications. The company focuses on improving PV technology, known for setting a new record for mono c-Si IBC solar cells in 2018.
This company is one of the largest IBC solar panel producers in the US. Trina Solar has shipped over 80GW in solar panels worldwide and performed grid-tied installations for over 5.5GW in the US.
Luminous 330W 24V Polycrystalline Solar Panel, LUM 24330
The LUM 24330 solar panel is a high-quality polycrystalline solar panel that is designed for use in residential and commercial applications. This solar panel is made of 72 solar cells and is dimensioned at 1976x991x35 mm. The LUM 24330 solar panel is a reliable and efficient solar panel that is perfect for use in residential and commercial applications. The LUM 24330 solar panel is a high-quality polycrystalline solar panel with a 24 V voltage and a maximum power output of 38.03 V. This solar panel is backed by a 25-year warranty and is compliant with IEC 61215 Ed2 and IEC.
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Stärkere Solarzellen: Das sind die aktuellen Trends
Innovationen steigern kontinuierlich die Effizienz von Solarmodulen. Perc war erst der Anfang, und neuere Generationen drängen bereits auf den Markt oder sind noch in Laboren verborgen.
Der Leistungshunger der Solarkunden ist ungebrochen. Die dynamischen Märkte verlangen immer stärkere Module, zudem wächst die Vielfalt der angebotenen Modulformate und Modultypen. So besetzt die Branche immer neue Nischen und treibt den Zubau voran.
Noch dominiert Perc
Derzeit sind rund 80 bis 85 Prozent aller Solarzellen in den Modulen die bekannten Perc-Zellen. Perc steht für Passivated Emitter and Rear Cell, also für Zellen, deren Rückseitenkontakt passiviert wurde. Diese passivierte Rückseite wirkt wie ein Spiegel, der den roten Anteil des Sonnenlichts in die Zelle zurückwirft und somit die Ausbeute erhöht.
Schon 1983 in Australien entwickelt
Diese Solarzelle wurde schon 1983 im Labor der Universität von New South Wales in Australien entwickelt, von einem Team um den Solarprofessor Martin Green. Eine der ersten Firmen, die solche Zellen gefertigt und eingeführt haben, war Qcells, heute Tochtergesellschaft des Hanwha-Konzerns.
Die Qantum-Zellen sind patentiert, weshalb seit Jahren mehrere Verfahren anhängig sind. Mitte Januar 2023 verlor Trina einen Patentstreit vorm Landgericht Düsseldorf und darf nunmehr keine Perc-Zellen mehr nach Europa einführen.
Qcells macht Patente geltend
Die asiatischen Hersteller verwenden fast ausnahmslos Perc-Zellen. Es ist nur eine Frage der Zeit, bis auch sie mit den Patentansprüchen von Qcells konfrontiert werden. „Dass weitere große Konkurrenten wie JA Solar, Canadian Solar oder Risen Energy noch lange Zeit davon verschont bleiben, wage ich zu bezweifeln“, analysiert beispielsweise Martin Schachinger von PVXchange.
Dass es ohne Streit geht, beweist dieser Fall: Im März haben Solarwatt und Hanwha eine Vereinbarung geschlossen. Solarwatt darf weiterhin Perc-Zellen in seinen Modulen verwenden und zahlt dafür eine Lizenzgebühr an Hanwha.
Fairen Wettbewerb sichern
Das ist bei patentierten Technologien durchaus üblich. „Qcells war immer bestrebt, einen fairen und gesunden Wettbewerb um die beste Technologie in der Solarbranche sicherzustellen“, kommentierte Moon Hwan Cha, Geschäftsführer von Hanwha Qcells. „Die Lizenzvereinbarung mit Solarwatt gewährleistet, dass Kunden in ganz Europa weiterhin ungehinderten Zugang zu einer gefragten und zukunftsweisenden Solartechnologie haben, und zwar vor dem Hintergrund eines fairen und wettbewerbsorientierten Umfelds für Forschung und Entwicklung.“
Detlef Neuhaus, CEO von Solarwatt, zeigte sich gleichfalls zufrieden über die faire Lösung: „Die Vereinbarung mit Hanwha Solutions schafft Rechtssicherheit nicht nur für uns, sondern auch für unsere Installationspartner und unsere Kunden.“
Probleme mit LID und PID
Bis vor Kurzem galt Perc als Nonplusultra. Allerdings zeigen diese Zellen unerwünschte Nebeneffekte wie lichtinduzierte Degradation (LID) oder potenzialinduzierte Degradation (PID). LID betraf auch ältere Zellen (Al-BSF) mit Aluminiummetallisierung auf der Rückseite. Allerdings scheint Perc stärker betroffen, vermutlich durch Wasserstoffatome, die in die dielektrische Passivierungsschicht diffundieren.
Trina stellt auf Topcon um
Trina will nun sehr schnell neue Topcon-Zellen einführen, um die ökonomischen Risiken einer Patentverletzung zu minimieren. Der chinesische Modulhersteller hat im März den ersten monokristallinen N-Typ-Ingot (210 Millimeter: M12) in seiner neuen Fabrik in Qinghai im Nordwesten Chinas aus der Schmelze gezogen.
Auf diesem Material basieren die neuen Topcon-Zellen, die Trina künftig in Vertex-Modulen nutzen will. Der Rohling wog 542 Kilogramm und war 3,8 Meter lang. In Qinghai werden jährlich N-Typ-Ingots für bis zu 20 Gigawatt Solarzellen das Werk verlassen. Der Bau der Fabrik begann im Juli 2022, im Februar 2023 wurde der erste monokristalline Schmelzofen gezündet.
Unterschiede zwischen Perc und Topcon
Perc-Zellen sind P-Typ-, Topcon hingegen N-Typ-Zellen. Bei P-Typ-Zellen ist der kristalline Siliziumwafer mit Bor positiv dotiert, bei N-Typ mit Phosphor negativ. Topcon-Zellen weisen gegenüber Perc etwas höhere Wirkungsgrade auf, zudem sind sie robuster gegenüber höheren Temperaturen. Hinzu kommt ein besseres Schwachlichtverhalten.
Topcon steht für Tunnel Oxide Passivated Contact. Diese Zellen wurden am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg entwickelt. Sie können sowohl monofazial als auch bifazial sein. Jinko hat ein monokristallines, bifaziales Topcon-Modul mit 23,53 Prozent Modulwirkungsgrad entwickelt, Longi Solar schaffte mit einer P-Typ-Topcon-Zelle sogar 25,19 Prozent.
Ablösung der Perc-Zellen hat begonnen
Es wird erwartet, dass zur Intersolar in München die Ablösung der Perc-Zellen durch Topcon-Zellen in den Solarmodulen deutlich wird. Zwar stehen die Zellhersteller erst am Anfang der Lernkurve und der Skaleneffekte, doch toleriert der Markt gegenwärtig die Mehrkosten, die für die leistungsfähigeren Zellen verlangt werden. Mittelfristig sind Skaleneffekte aus der Massenproduktion zu erwarten wie seinerzeit bei den Perc-Zellen.
Schnell werden die Perc-Zellen nicht aussterben. Die Zellhersteller haben einen deutlich höheren Kapitalbedarf, um auf die neuen Topcon-Zellen umzustellen, als beispielsweise die Hersteller von Solarmodulen, die auf Topcon umsteigen. Vor allem bei Solarparks und großen gewerblichen Aufdachanlagen werden sie weiterhin ein gewaltiges Marktsegment bedienen, bei denen um jeden Cent gefeilscht wird.
Monowafer mit amorpher Schicht umhüllt
Schon kündigt sich die nächste Zellgeneration an: Heterojunction(HJT)-Zellen. Heterojunction-Zellen sind Stapel aus mindestens zwei Zellen, wie sie beispielsweise Meyer Burger in Thalheim prozessiert. Die monokristalline Siliziumzelle wird mit amorphem Silizium ummantelt, dessen hauchfeine Schicht als Schutz und Deckzelle zugleich fugiert. Darüber liegen abschließend transparente, leitfähige Oxidschichten (TCO).
Ursprünglich wurden diese Zellen erstmals von Sanyo entwickelt und patentiert. Aus Sanyo wurde Panasonic, allerdings liefen die Schutzrechte vor einigen Jahren aus. Panasonic verabschiedete sich aus dem Zellgeschäft, dafür stieg Meyer Burger ein.
Höhere Wirkungsgrade durch HJT
Die HJT-Zellen haben höhere Wirkungsgrade als Topcon und ihre Leistung ist stabiler, auch bei höheren Temperaturen. Sie erlauben höhere Spannungen und Leerlaufspannungen. Auch zeigen sie bessere Performance bei Schwachlicht, also bei Bewölkung. LID spielt bei ihnen keine Rolle.
Zudem können HJT-Zellen theoretisch aus sehr dünnen Wafern mit nur hundert Mikrometern gefertigt werden. Deshalb wird derzeit erprobt, sie beispielsweise für die Dächer von Fahrzeugen oder Booten zu adaptieren, die leicht gewölbt sind.
Seit vergangenem Jahr werden zunehmend IBC-Zellen in Modulen gezeigt, beispielsweise Futurasun (Modul Zebra Pro) oder Belinus (M8 IBC). IBC hat nichts mit IBC Solar aus Bad Staffelstein zu tun, sondern in diesem Falle steht es für Interdigited Back Contact.
Bei dieser Technologie liegen die beiden Diffusionskontakte auf der Rückseite der Zelle. Die Frontseite bleibt komplett unverschattet, weder durch Kontaktfinger (Busbars) noch durch hauchfeine Drähte (Smart Wire) wie bei Meyer Burger gestört. Auch die Schweizer haben bereits Prototypen von Modulen mit IBC-Zellen vorgestellt. Weil beide Kontakte (plus und minus) auf der Rückseite liegen, kann man die Anschlüsse niederohmig ausführen. Das minimiert Übergangsverluste.
IBC-Zellen mit besserem Solarertrag
Belinus hat unlängst sein Glas-Glas-Modul M7 Ultrablack mit dem neuen Glas-Glas-Modul M8 IBC verglichen. Beide Solarmodule sind mit 120 Halbzellen (166 mal 83 Millimeter) ausgestattet. Das komplett schwarze Solarmodul hat eine Spitzenleistung von 410 Watt. Seine monokristallinen Siliziumzellen erreichen einen Wirkungsgrad von 21 Prozent.
Das zweite Solarmodul im Vergleich hat eine etwas geringere Leistung von 400 Watt. Seine IBC-Zellen erreichen einen Wirkungsgrad von 22,4 Prozent. „Die Kombination von N-Typ-IBC-Solarzellen mit dem ultraschwarzen Aussehen und der Tatsache, dass es sich um Glas-Glas-Solarmodule handelt, machen sie zu einem unserer meistverkauften Premiumprodukte in den Benelux-Ländern“, bestätigt Francis Rome von Belinus. Obwohl die Nennleistung des schwarzen M7-Solarmoduls nominal um zehn Watt höher ist, schneidet das M8 IBC-Solarmodul beim Solarertrag besser ab.
Aufgrund der anderen Kontaktierung lässt sich das Layout der Halbzellen verdichten. Auch bei IBC-Solarmodulen vom N-Typ drohen weder lichtinduzierte noch potenzialinduzierte Degradation.
Taufrisch sind die Topcore-Zellen, die 2021 am Fraunhofer-ISE einen Rekordwirkungsgrad von 26 Prozent erreichten. Das entspricht dem Rekord von IBC-Zellen. Grundlage ist die Topcon-Technologie.
Bei der Rekordzelle wurde der P-N-Übergang auf der Rückseite als vollflächiger Topcon-Kontakt ausgebildet. Die vollflächige Bordotierung auf der Vorderseite wurde nicht mehr benötigt, sondern ausschließlich lokal direkt unter den Frontkontakten ausgeführt.
Topcore schafft 26 Prozent
Diese Topcore-Zelle (Topcon Rear Emitter) erlaubt höhere Spannungen und höhere Füllfaktoren als Zellen mit sammelndem Emitter auf der Vorderseite. Mit diesem Design wird der Wafer besser für den Transport der Ladungsträger ausgenutzt. Die Vorderseite wird effektiver passiviert (mit Aluminiumoxid).
Die detaillierte Analyse der Verlustleistung im Labor des ISE in Freiburg ergab, dass diese Zelle sowohl Transportverluste (Elektronen und Löcher) als auch Rekombinationsverluste ausgleicht und minimiert. „Aus der Simulation konnten wir einige grundlegende Designregeln für zukünftige Siliziumzellen mit einem Wirkungsgrad von mehr als 26 Prozent ableiten“, erläutert Professor Stefan Glunz vom Fraunhofer ISE. „Beidseitig kontaktierte Solarzellen haben das Potenzial für Wirkungsgrade bis zu 27 Prozent. Damit sind sie geeignet, den bisherigen Weltrekord für Siliziumzellen zu übertreffen.“
Das Rennen bleibt spannend
Das Rennen um leistungsfähigere Zellen und damit Solarmodule ist längst nicht beendet. Im Gegenteil: Die Dominanz einer bestimmten Zelltechnologie erodiert, macht Platz für verschiedene Konzepte. Das erlaubt, die Solarmodule noch genauer auf bestimmte Anwendungen abzustimmen, um neue Kundengruppen zu bedienen.
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Dieser Artikel ist zuerst in photovoltaik erschienen. Mehr Informationen erhalten Sie im kostenlosen photovoltaik-Newsletter.