Vorteile von TOPCon-Solarmodulen:

- kostengünstige Herstellung, es werden keine teuren Maschinen benötigt
- höhere Effizienz, Wirkungsgrade von bis zu 28 % möglich, übertrifft PERC-Zellen
- geringere Degradation, längere Lebensdauer mit minimaler Leistungsabnahme im Laufe der Zeit
- niedrige Temperaturempfindlichkeit, das Paneel behält die Effizienz auch in heißen Klimazonen
- verbesserte Bifazialität, Edas Modul erzeugt Strom von beiden Seiten
- starke Leistung bei schwachem Licht, die Zellen sind effizient auch bei schlechten Lichtverhältnissen

Einer der Hauptvorteile von TOPCon-Solarzellen besteht darin, dass sich ihre Struktur nur geringfügig von PERC/PERT-Solarzellen unterscheidet. Dies bedeutet, dass Hersteller praktisch dieselbe Produktionslinie mit einigen Verbesserungen verwenden können, um TOPCon-Solarzellen herzustellen.

Zu den unübertroffenen Stärken der TOPCon-Technologie gehören:

Ultrahocheffizienz

Der theoretische maximale Wirkungsgrad von TOPCon-Zellen liegt bei 28,7 % und damit deutlich über den 24,5 % herkömmlicher PERC-Zellen vom P-Typ. In praktischen Anwendungen hat der Wirkungsgrad von TOPCon-Zellen 25 % überschritten. Dies bedeutet, dass pro Flächeneinheit mehr Solarenergie erzeugt wird. Laut dem Fraunhofer ISE-Institut können Wirkungsgrade weit über 25 % erreicht werden. Dies wurde bereits von PV-Herstellern wie LONGi, Jinko Solar und anderen mit einem hohen Wirkungsgrad von 26,1 % bewiesen.

Höherer Energieertrag

Neben Rekordwirkungsgraden unter Laborbedingungen (STC) behält TOPCon auch unter realen Betriebsbedingungen (NMOT) seine hohe Leistung bei. Dadurch werden Energieertrag und Rendite über eine Lebensdauer von mehr als 25 Jahren maximiert.

Niedrigerer Temperaturkoeffizient

Dank der Tunneloxidschicht sind TOPCon-Zellen weniger anfällig für Effizienzverluste bei hohen Temperaturen, hoher Bestrahlungsstärke und anderen Belastungen. Dies gewährleistet eine zuverlässige Energieversorgung unter verschiedenen indischen Umweltbedingungen. Herkömmliche PV-Module weisen einen Temperaturkoeffizienten von 0,4 %/℃–0,5 %/℃ auf, während PERC-PV-Module eine bessere Leistung erzielen, indem sie diesen Koeffizienten leicht unter den Rahmen von 0,4 %/℃ senken. TOPCon-PV-Module von Jinko Solar haben dagegen bereits bewiesen, dass sie den Temperaturkoeffizienten auf weniger als 0,3 %/℃ senken können, was ihre Leistung in vielen extremen Wetterszenarien erheblich verbessert.

Geringere Degradation

Die ausgeklügelte Passivierung der Rückseite von TOPCon-Zellen reduziert die lichtinduzierte Degradation (LID) auf ein vernachlässigbares Maß. In Kombination mit einer robusten Qualitätsfertigung kann eine extrem geringe jährliche Leistungsdegradation von < 0,25 % realisiert werden, um den Wert der Lebensdauer weiter zu maximieren.

15 % höherer bifazialer Faktor

Der bifaziale Faktor für PERC-PV-Module wurde im Durchschnitt auf etwa 70 % festgelegt. TOPCon-Solarmodule hingegen haben bewiesen, dass sie den bifazialen Faktor auf bis zu 85 % erhöhen können. Dieser erhöhte bifaziale Faktor kann die Leistungssteigerung um bis zu 2 % erhöhen.

Elegante Ästhetik

Mit einer einheitlichen Rückseite und dem Fehlen sichtbarer Sammelschienen (die bei Standardzellen dunkler erscheinen) bieten TOPCon-Paneele eine elegante Ästhetik für Dachanwendungen in Wohngebieten und Gewerbe, bei denen auch das Aussehen eine Rolle spielt.

Nachteile von TOPCon-Solarmodulen:

- höhere Produktionskosten, zusätzliche Materialien und Komplexität erhöhen die Produktionskosten
- komplexe Herstellung, es ist schwierig, die Produktion zu skalieren
- die Hochtemperaturverarbeitung verlangt erhöhten Energieverbrauch
- Emissionen und potenzielle Zellschäden bei der Fertigung
- Empfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen
- Anfälligkeit für Effizienzminderung oder Ausfall aufgrund von Materialverunreinigungen

Der größte Nachteil dieser neuen Technologie im Vergleich zu PERC/PERT besteht darin, dass für die Herstellung von TOPCon-Solarzellen eine größere Menge Silber (Ag) benötigt wird. Dieser Silberanstieg führt zu einem höheren Herstellungspreis. Neue Entwicklungen könnten jedoch erfolgreich dazu beitragen, die erforderliche Silbermenge zu reduzieren, während gleichzeitig ähnliche oder sogar höhere Wirkungsgrade erzielt und die Produktionskosten gesenkt werden.

Neue Herstellungsverfahren könnten die erforderliche Silbermenge effektiv reduzieren, während sie immer noch ähnliche oder höhere Wirkungsgrade liefern. Es gibt aktuell noch andere technische Probleme wie: die Borabscheidung, unterschiedliche Anforderungen an die Reinraumbedingungen, die erfüllt werden müssen, und die Unfähigkeit des aktuellen selektiven Emitters, auf den TOPCon-Frontemitter angewendet zu werden. Aber auch diese Themen werden durch Forschung und Entwicklung gelöst werden. 

Struktur der TOPCon-Solarzelle.

TOPCon-Solarzellen können als n-Typ- oder p-Typ-Solarzellen hergestellt werden, wobei sich die n-Typ-Variante als effizienter und widerstandsfähiger gegenüber Verunreinigungen erwiesen hat. Da TOPCon-Solarzellen eine Weiterentwicklung von PERC/PERT-Solarzellen sind, ist es wichtig, die Struktur dieser neuen Technologie zu verstehen. Die TOPCon-Solarzellenstruktur basiert auf der Grundstruktur der PERT-Solarzelle, enthält jedoch eine ultradünne Siliziumdioxidschicht (SiO2), die als Tunneloxidschicht dient, und ersetzt die Rückseitenfeldschicht durch eine mit Phosphor dotierte polykristalline Siliziumschicht (n+ Poly-Si). Diese Modifikationen haben die Effizienz verbessert, indem sie den Rekombinationsprozess dank der Passivierung in den hinzugefügten Schichten reduziert haben.

PERT-Solarzellen werden mit einer n-Typ-Kristall-Silizium-Massenschicht (c-Si) hergestellt, da diese eine höhere Oberflächenqualität aufweist und mit einer p+-Emitterschicht verbunden ist, um den p-n-Übergang zu erzeugen. Die Emitterschicht ist mit einer Aluminiumoxid-Passivierungsschicht (Al2O3) bedeckt und mit einer Siliziumnitrid-Beschichtung (SiNx) versehen, die für ihre Antireflexionseigenschaften sorgt. Bei PERC-Solarzellen wird die Absorberschicht durch eine p-Typ-Bulk-Schicht und einen n+-Emitter für den p-n-Übergang ersetzt.

Der untere Teil des Bulk-Bereichs wird mit Phosphor dotiert, um das Rückseitenfeld zu erzeugen, und anschließend mit SiNx beschichtet, ähnlich wie die Oberseite der Zelle. Sowohl die Ober- als auch die Unterseite der Solarzelle sind mit Silber- (Ag) oder Aluminiumkontakten (Al) ausgestattet, um den Stromkreis zu schließen, wenn die Zelle zum Zeitpunkt der Herstellung des PERC/PERT-Solarmoduls an die Last oder andere Zellen angeschlossen wird.

Die PERC/PERT-Solarzellenstruktur hat sich seit ihrer Markteinführung und der Umsetzung in der Herstellung von PV-Modulen als sehr effizient erwiesen. Forscher haben jedoch Wege gefunden, sie zu verbessern, und so die TOPCon-Solarzelle entwickelt.

Herstellung einer TOPCon-Solarzelle.

Die TOPCon-Solarzellentechnologie weist eine ähnliche Struktur und einen ähnlichen Herstellungsprozess wie PERC-Solarzellen auf, wobei nur einige zusätzliche Schritte erforderlich sind. Die TOPCon-Solarzellentechnologie steht jedoch im Herstellungsprozess noch vor einigen Herausforderungen. Dazu gehören unterschiedliche Meinungen über die beste Technik für die Borabscheidung, unterschiedliche Anforderungen an die zu erfüllenden Reinraumbedingungen und die Unfähigkeit des aktuellen selektiven Emitters, auf den TOPCon-Frontemitter angewendet zu werden. Verschiedene Unternehmen, die ihre PERC/PERT-Produktionslinien auf TOPCon-Solarzellen umstellen, haben unterschiedliche Wege eingeschlagen, aber da es nur eine begrenzte Massenproduktion gibt, befindet sich der Fahrplan für diese Technologie noch in der Entwicklung. Wenn große Unternehmen wie Trina Solar, LONGi und andere beginnen, die Probleme anzugehen und optimale Wege zur Herstellung von TOPCon-Solarzellen zu finden, wird der Fahrplan klarer werden.

Im Vergleich zur Heterojunction-Technologie (HJT), bei der kristallines Silizium und amorphe Silizium-Dünnschicht zu einer Hochleistungs-Hybrid-Solarzelle kombiniert werden und ein völlig anderer Herstellungsprozess erforderlich ist, ist das Hinzufügen einer Oxidschicht zu einer PERC-Zelle eine einfachere Heraufstufung der Herstellung. Der Herstellungsprozess ist dem von PERT-Solarzellen so ähnlich, dass Hersteller nur geringe Investitionen tätigen müssen, um ihre bestehende Produktionslinie aufzurüsten. Die meisten Fertigungsanlagen können beibehalten werden. Dies macht TOPCon-Solarzellen zu einer hervorragenden Investition für PERC/PERT-PV-Modulhersteller, die bereits auf dem Markt sind.

Der erste Schritt zur Herstellung einer TOPCon-Solarzelle ist die chemische Texturierung der Waferoberfläche mithilfe von Kaliumhydroxid (KOH), um Sägeschäden aus dem Schneideprozess des c-Si-Wafers zu entfernen. Nach der Reinigung des Wafers wird die Diffusionsmethode angewendet, um den Emitter auf der Vorderseite der Zelle durch Auftragen von Bortribromid (BBr3)-Gas zu bilden. Anschließend wird der Emitter auf der Rückseite durch Auftragen einer Salpetersäure- und Flusssäure-Lösung (HF/HNO3) entfernt und die ultradünne Oxidschicht durch nasschemisches Eintauchen hergestellt.

Zur Herstellung der n+-Poly-Si-Schicht wird eine mit Phosphor dotierte amorphe Siliziumschicht (n-a-Si:H) durch einen PECVD-Prozess (plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung) hergestellt. Diese wird dann nach dem Tempern bei 900 °C in die n+-Poly-Si-Schicht umgewandelt. Die Solarzelle wird weiter gereinigt und die Passivierungs- und Beschichtungsschichten werden durch PECVD aufgebracht. Schließlich werden die Ag/Al-Kontakte durch Siebdruck für die Metallisierung mit einem Schnellbrennverfahren bei einer maximalen Temperatur von 760 °C aufgebracht.

Nach der Herstellung der TOPCon-Solarzellen werden Kennlinien der Solarzellen durchgeführt, um ihre Leistung zu bewerten. Es sind nur wenige zusätzliche Schritte erforderlich, um eine TOPCon-Solarzelle anstelle der PERT-Solarzelle herzustellen, was diese neue Technologie für die Solarindustrie finanziell attraktiv macht.

Produktions-Schritte im einzelnen.

Vorbereitung der Siliziumscheibe

Zunächst werden n-leitende Siliziumscheiben als Basismaterial für die Zelle verwendet. N-leitende Scheiben haben eine höhere Lebensdauer der Minoritätsladungsträger und eine bessere Reaktion auf schwaches Licht.

Aufbringen der Oxidschicht

Auf der Rückseite der Siliziumscheibe wird eine hauchdünne Siliziumoxidschicht aufgebracht. Die Dicke dieser Siliziumoxidschicht liegt in der Regel zwischen 1 und 2 nm und ist der Schlüssel zur Herstellung eines Passivierungskontakts.

Abscheidung von dotiertem polykristallinem Silizium

Auf der Oxidschicht wird eine dotierte polykristalline Siliziumschicht abgeschieden. Diese polykristalline Siliziumschicht kann durch chemische Niederdruck-Gasphasenabscheidung (LPCVD) oder plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) erreicht werden.

Glühbehandlung

Durch eine Hochtemperatur-Glühbehandlung wird die Kristallinität der polykristallinen Siliziumschicht verändert und dadurch die Passivierungsleistung aktiviert. Dieser Schritt ist entscheidend für eine geringe Grenzflächenrekombination und eine hohe Zelleffizienz.

Metallisierung

Auf der Vorder- und Rückseite der Zelle werden Metallgitterlinien und Kontaktpunkte gebildet, um die durch Licht erzeugten Ladungsträger zu sammeln. Beim Metallisierungsprozess von TOPCon-Zellen ist besondere Vorsicht geboten, um eine Beschädigung der Passivierungskontaktstruktur zu vermeiden.

Testen und Sortieren

Nach Abschluss der Zellfertigung werden elektrische Leistungstests durchgeführt, um sicherzustellen, dass die Zellen die vorgegebenen Leistungsstandards erfüllen. Die Zellen werden dann nach Leistungsparametern sortiert, um den Anforderungen verschiedener Märkte gerecht zu werden.

Modulmontage

Die Zellen werden zu Modulen zusammengesetzt, die in der Regel mit Materialien wie Glas, EVA (Ethylen-Vinylacetat-Copolymer) und Rückseitenfolie verkapselt werden, um die Zellen zu schützen und strukturelle Unterstützung zu bieten.

Kostenvorteile der TOPCon-Technologie bei der Produktion.

Da die TOPCon-Zellen von den Pilotfertigungslinien in die Massenproduktion übergehen, gehen Experten davon aus, dass die Kosten in naher Zukunft unter die der vorherrschenden PERC-Technologie fallen werden. Bereits jetzt liegen die Produktionskosten nach verschiedenen unabhängigen Schätzungen zwischen 7 und 15 Rappen pro Watt. Durch Skaleneffekte und Prozessoptimierung kann dieser Wert potenziell auf bis zu 5 Rappen pro Watt gesenkt werden, was bald einmal eine direkte Konkurrenz für Strom aus fossilen Brennstoffen darstellt. In Kombination mit der höheren Effizienz und dem höheren Energieertrag über die Lebensdauer verspricht TOPCon Solar in den kommenden Jahren die niedrigsten Stromgestehungskosten unter allen Photovoltaik-Technologien zu liefern.

Eines der Hauptprobleme bei TOPCon-Solarzellen ist der höhere Silberbedarf für das Drucken der Kontakte auf die Zelle. Die ideale Möglichkeit zur Kostensenkung wäre eine Steigerung der Effizienz bei gleichbleibenden Kosten. Die Senkung der Kosten für diese Technologie ist unerlässlich, um zu angemessenen Preisen auf den Markt zu kommen. Die Kosten für die TOPCon-Solarzellen-Technologie sind anfangs etwas höher als für PERC/PERT-Solarmodule. Doch man kann davon ausgehen, dass die Kosten für TOPCon-Solarmodule unter die derzeitigen Kosten für die PERC-Solarzellen-Technologie fallen werden.

Einsatzbereiche von Topcon-Solarmodulen.

Diese Module eignen sich hervorragend für Solarkraftwerke, Solarparks und Solarfarmen im Versorgungsmaßstab. Sie maximieren dank ihrer hohen Effizienz die Stromerzeugung auf begrenztem Raum. TOPCon-Module erweisen sich in landwirtschaftlichen Umgebungen und im Ackerbau als wertvoll, da sie Wasserpumpen, Bewässerungssysteme und Trocknungsprozesse für Nutzpflanzen mit Strom versorgen und netzunabhängige Energielösungen für abgelegene Regionen bieten. TOPCon-Solarmodule eignen sich auch beim Aufladen von Elektrofahrzeugen, um Ladestationen für Elektrofahrzeuge zu betreiben und fördern so saubere und nachhaltige Transportmöglichkeiten.

TOPCon-Solarzellen, die mit rekordverdächtiger Effizienz, höherem Ertrag, überlegener Zuverlässigkeit und attraktiver Wirtschaftlichkeit ausgestattet sind, werden die nächste Wachstumsphase für die Solarindustrie einleiten. Die Zukunft für TOPCon sieht besser aus denn je, um die Ziele von sauberer Energie im 21. Jahrhundert zu verwirklichen.

Markttrends bei TOPCon-Solarzellen.

Die Markttrends haben sich in den letzten zehn Jahren von BSF-Solarmodulen (Back Surface Fields) zur PERC-Solarzellentechnologie verlagert, und nun scheint sich der Trend zu TOPCon-Solarmodulen zu verlagern. Anfangs beherrschten BSF-Solarmodule den Markt, aber die Hersteller begannen mit der Einführung der PERC-Solarzellentechnologie, und der Marktanteil wuchs bis 2018 auf 40 % und bis 2021 auf fast 75 %. Da die TOPCon-Solarzellentechnologie eine kostengünstige Verbesserung gegenüber PERC/PERT-Solarzellen darstellt, könnte diese neue Technologie bald den Markt beherrschen. Derzeit haben TOPCon-Zellen einen relativ kleinen Marktanteil, der jedoch schnell wächst. Im Jahr 2022 machten TOPCon-Zellen etwa 10 % des globalen Solarzellenmarktes aus. Es wird erwartet, dass TOPCon nach 2025 zum dominierenden Zellkonzept wird und bis 2033 einen Marktanteil von etwa 60 % erreichen wird, so die Internationale Technologie-Roadmap für Photovoltaik (ITRPV), Ausgabe April 2023.

Im Jahr 2021 kündigte LONGi einen neuen Rekord für hocheffiziente n-Typ-Solarmodule mit 25,21 % an, die mit der TOPCon-Solarzellentechnologie ausgestattet sind. Kurz darauf kündigte Jinko Solar einen noch höheren Wirkungsgrad-Rekord von 25,4 % an. Im Jahr 2022 brach Trina Solar den Rekord mit einem Wirkungsgrad von 25,5 %, während Canadian Solar im selben Jahr ebenfalls einen hohen Wirkungsgrad von 25,0 % erreichte. Bis Ende 2022 brach Jinko Solar den Rekord zweimal hintereinander, zunächst mit 25,7 % und dann mit 26,1 %.

LONGi stellte seine bifazialen TOPCon-Solarmodule auf der SNEC 2021 vor, und Suntech brachte 2022 seine Ultra VPro-Serie auf den Markt. 2023 war das Jahr, in dem die meisten PV-Hersteller ihre Produkte auf den Markt brachtenden. Jinko Solar stellte drei verschiedene TOPCon-Solarmodulvarianten mit einer  Leistung von 445 W bis 635 W vor, Canadian Solar kommt ebenfalls mit Solarmodulen auf den Markt, die bis zu 690 W leisten, und Trina Solar stellte seine neuen TOPCon-Solarmodule vor, die bis zu 445 W leisten.

TopCon Solarmodule

Disclaimer / Abgrenzung

Stromzeit.ch übernimmt keine Garantie und Haftung für die Richtigkeit und Vollständigkeit der in diesem Bericht enthaltenen Texte, Massangaben und Aussagen.