P-Types und N-Types

In der PV-Technologie spielen subtile Divergenzen in der chemischen Zusammensetzung eine maßgebliche Rolle für erhebliche Varianzen in Effizienz und wirtschaftlicher Verbreitung. Ein exemplarisches Beispiel hierfür zeigt sich beim Abgleich von Solarzellen des P-Typs und des N-Typs. Beide weisen unterschiedliche Zellenstrukturen auf, wobei Solarzellen vom P-Typ auf einer positiv geladenen Siliziumbasis beruhen. (Bei einer p-Typ-Zelle wird der Siliziumwafer mit Bor dotiert. Und eine N+/P-Typ-Struktur wird gebildet). Konträr dazu sind Solarzellen vom Typ N umgekehrt gestaltet, wobei die negativ dotierte Seite als Grundlage für die Solarzelle dient. (Eine n-Typ-Zelle ist mit Phosphor dotiert und die P+/N-Typ-Struktur wird dann gebildet).

Obwohl die erste Solarzelle, die 1954 in den USA entwickelt wurde, vom N-Typ war, etablierte sich im Laufe der Jahre die P-Typ-Zelle. Dies resultierte aus dem anfänglichen Einsatz der Module hauptsächlich in der Raumfahrt, wo sie ihre Widerstandsfähigkeit unter Beweis stellten. Erst in den letzten Jahren begann ein Umdenken bei den Herstellern von Solarzellen, bedingt durch die höhere Leistungsfähigkeit der N-Typ-Zellen. Der Hauptgrund dafür liegt vor allem in der längeren Lebensdauer dieser Zellen, da sie im Gegensatz zum P-Typ nicht vom „Bor-Sauerstoff-Defekt“ bedroht sind. Dieser Defekt führt mit zunehmender Nutzungsdauer zu einer Beeinträchtigung der Effizienz. Zudem zeigen sich Solarzellen vom N-Typ weniger anfällig für metallische Verunreinigungen des Siliziums.

Trotzdem sind derzeit die Produktionskosten von Solarzellen vom N-Typ höher, was auf die jahrzehntelange Konzentration auf Zellen vom P-Typ zurückzuführen ist. Die Produktion von Letzteren führte zu etablierten Skaleneffekten in der Wertschöpfungskette, die erst bei der Fertigung von N-Typ-Zellen aufgebaut werden müssen. Zudem erfordert die Herstellung von N-Typ-Solarmodulen zusätzliche Schritte, was die Kosten weiter erhöht. Trotz dieser Umstände nimmt der Anteil des N-Typs aufgrund seiner höheren Effizienz stetig zu, und es dürfte nur eine Frage der Zeit sein, bis dieser den P-Typ als vorherrschende Solarzellentechnologie verdrängt.

Vorteile von n-Typ-Zellen

• N-Typ Siliziumwafer sind mit einer größeren Anzahl freier Elektronen ausgestattet im Vergleich zu P-Typ-Wafern, wodurch die Elektronen eine gesteigerte Bewegungsfähigkeit aufweisen. Infolgedessen birgt der N-Typ das theoretische Potenzial für einen erweiterten Wirkungsgrad.
• Die Lebensdauer der Löcher in N-Typ Siliziumwafern ist höher angesiedelt.
• Eine N-Typ Solarzelle mit Phosphor bildet keine Bor-Sauerstoff-Atompaare, was der hauptsächliche Grund für die lichtinduzierte Dämpfung von P-Typ-Zellen ist. Daraus resultiert eine verringerte LID bei N-Typ Solarzellen und Modulen. Zudem treten keine Bor-Sauerstoff-Defekte auf.
• Die N-Typ Solarzelle weist einen niedrigen Temperaturkoeffizienten auf und generiert folglich mehr Strom. Bei einer konventionellen p-Typ Solarzelle sinkt die Leistung um 0,4 % bis 0,5 % pro Grad Temperaturanstieg. Im Gegensatz dazu ist der Temperaturkoeffizient von N-Typ Solarzellen nur etwa halb so hoch. Diese Eigenschaft prädestiniert N-Typ Solarzellen für Standorte mit höheren Temperaturen, beispielsweise in Afrika, dem Nahen Osten und anderen Regionen mit verbesserten Einstrahlungsbedingungen.
• N-Typ Solarzellen weisen eine hohe Bifazialrate auf. Die bifaziale Stromerzeugung stellt eine wegweisende Entwicklung für Photovoltaikzellen dar. Die Bifazialrate beträgt bei PERC-Zellen ungefähr 75 %, bei TOPCon-Zellen über 85 % und bei HJT-Zellen sogar über 95 %.

Schwierigkeiten

• Die n-Typ Solarzellen setzen anspruchsvollere Maßstäbe für den Fertigungsprozess, während gleichzeitig höhere Wirkungsgrade erzielt werden. Die Kostenstruktur für die Zellen wird zweifellos einen Anstieg verzeichnen. Daher wird die Reduzierung der Produktionskosten von n-Typ Solarzellen zu einer der vordringlichen Aufgaben der Zellhersteller.
• Im Vergleich zu den p-Typ Solarzellen ist die Industriekette der n-Typ Solarzellen noch nicht vollständig optimiert. Um die Massenproduktion von n-Typ Solarzellen zu ermöglichen, muss die Modernisierung der unterstützenden Infrastruktur beschleunigt werden.

Bereits jetzt richten zahlreiche Hersteller Produktionslinien für N-Typ-Zellen ein. Es gibt zunehmend Hinweise darauf, dass sich die PV-Industrie vermehrt der N-Typ-Technologie mit höheren Wirkungsgraden zuwendet. Der Fokus der N-Typ-Technologie liegt auf der Zelle, wobei die Hauptausrichtungen TOPCon, HJT und IBC sind. Die führenden PV-Hersteller setzen ihre Bemühungen fort, den Wirkungsgrad von N-Typ Solarzellen zu steigern. Auch andere Unternehmen bringen N-Typ Wafer und Module auf den Markt. Laut CPIA machten PERC-Zellen im Jahr 2021 etwa 91 % des Marktanteils aus. Es wird prognostiziert, dass der Marktanteil von N-Typ Solarzellen im Jahr 2022 von 3 % auf 13,4 % steigen wird.