Fraunhofer ISE warnt vor Risiken durch unerwartet hohe UV-induzierte Degradation in Topcon-, Perc- und Heterojunction-Zellen

Die Forscher des Freiburger Instituts erklärten, dass UV-induzierte Degradation bei allen vorherrschenden Zelltechnologien, einschließlich Topcon-Bauelementen, größere Effizienz- und Spannungsverluste als erwartet verursachen kann. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass Siliziumnitridschichten verwendet werden könnten, um die UV-Stabilität von Topcon im Vergleich zu PECVD-Schichten zu verbessern, die üblicherweise in Perc- und Heterojunction-Zellen verwendet werden.

4. Dezember 2024 Emiliano Bellini

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Die Wissenschaftler des Fraunhofer ISE unterzogen Solarzellen mit unterschiedlichen Technologien einem umfangreichen UV-Test.

Foto: Fraunhofer ISE

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben die Stabilität dreier gängiger Solarzellentechnologien – passivierter Tunneloxidkontakt (Topcon), passivierte Emitter- und Rückseitenzelle (Perc) und Heterojunction – bei UV-Bestrahlung untersucht und festgestellt, dass alle von ihnen unter einer starken Verschlechterung der impliziten Spannung leiden können. Sie erklärten, dass UV-induzierte Degradation (UVID) in Zukunft zu unerwarteten Spannungs- und Effizienzverlusten führen kann, insbesondere wenn eine größere UVID-Erfahrung vorliegt. „Ein bekanntes Beispiel hierfür ist die licht- und hochtemperaturinduzierte Degradation (LeTID), die bei Perc-Modulen im Feld zu unvorhergesehenen Verlusten geführt hat“, so die Forscher. „Jüngste Berichte deuten darauf hin, dass sich ein ähnliches Szenario aufgrund von UVID für alle drei modernen Zellarchitekturen wiederholen könnte.“

Die schädlichen Auswirkungen der UV-Strahlung wurden bei Solarmodulen weitgehend mit den UV-transparenten Modulverkapselungen und der Alterung der Modulverpackungsmaterialien in Verbindung gebracht, was zu Verfärbungen der Verkapselungen, Delamination und Rissen in der Rückwandfolie führt. Insbesondere kann UV-Licht zur Bildung von Essigsäure auf der Modulverkapselung beitragen, die das Kontaktgitter der Zelle korrodiert. Die Leistung von Solarzellen wird durch UV-Strahlung auch durch die Entstehung von Oberflächendefekten beeinträchtigt. In einer Silizium-Solarzelle kann das UV-Licht die Passivierungsschichten, das darunter liegende Silizium und die Grenzfläche zwischen den beiden Schichten beschädigen.

„Derzeit sind UV-transparente Verkapselungen der Standard für die Modulvorderseite“, so der Hauptautor der Studie, Fabian Thome, zu pv magazine. „Die Verwendung von UV-blockierenden Verkapselungen könnte sicherlich eine Strategie sein, um UVID zu reduzieren, aber dies geht auf Kosten einer geringeren Moduleffizienz. Wir wissen von einigen Herstellern, die diese Strategie bereits anwenden. Es scheint eine gute Zwischenlösung zu sein, bis UVID auf Zellebene gelöst ist.“

Die Studie „UV-Induced Degradation of Industrial PERC, TOPCon, and HJT Solar Cells: The Next Big Reliability Challenge?“ wurde in der Zeitschrift „RRL Solar“ veröffentlicht. Nach Angaben der Forscher haben sie in ihrer Analyse sowohl kommerzielle als auch Labor-Solarzellen berücksichtigt. Die Namen der Hersteller werden nicht genannt. Die Module waren für die Untersuchung der Strahlung von UV-340-Lampen ohne Abdeckung ausgesetzt.

„Um eine Verbindung zwischen Labortests und Feldanwendung herzustellen, haben wir seit 2019 spektral aufgelöste Daten von einem Testgelände in der Negev-Wüste, Israel, analysiert“, so die Forscher. „In der UV-Testreihe wurden drei Zellen pro Gruppe von vorne und zwei von hinten der UV-Strahlung ausgesetzt, wobei die jeweils gegenüberliegenden Seiten abgedeckt wurden.“

Die Tests zeigten, dass die Exposition von der Rückseite zu weniger UVID führte als die Exposition von der Vorderseite, wobei bei allen Technologien nach 60 Kilowattstunden pro Quadratmeter Spannungsverluste von über 5 Millivolt auftraten. „Nach der UV-Belichtung war die zusätzliche Rekombination – ein Maß für die Defektbildung – bei Perc ausgeprägter als bei Topcon; der Spannungsverlust war jedoch vergleichbar“, so Thome. „Das liegt daran, dass Topcon eine höhere Passivierungsqualität hat und daher selbst kleine Mengen an Defekten ‚fühlt‘. Je höher der ursprüngliche Wirkungsgrad ist, desto empfindlicher reagiert es auf kleine zusätzliche Defekte.“

Die Analyse zeigte auch, dass die Passivierungsschichten auf der Basis von Aluminiumoxid (AlOx) und Siliziumnitrid (SiNy), die in Topcon-Zellen üblicherweise durch Atomlagenabscheidung (ALD) aufgetragen werden, die UV-Stabilität dieser Bauelemente im Vergleich zu den Schichten, die typischerweise in Perc- und Heterojunction-Zellen verwendet werden und die durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) aufgetragen werden, verbessern können.

„Komponenten, die allen drei Zelltechnologien gemeinsam sind, können ebenfalls wichtig für die UV-Stabilität sein. „Ein Beispiel sind der Brechungsindex und die Dicke der Siliziumnitridschichten, die die effektive UV-Dosis bestimmen, die das Silizium erreicht“, erklärte Thome abschließend.

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