Heterojunction-Solarzellen (HJT): Herstellung, Kosten, Vor- und Nachteile

Die Heterojunction-Technologie (HJT) wurde lange Zeit übersehen. Doch in den vergangenen Jahren hat sie an Dynamik gewonnen und ihr wahres Potenzial gezeigt. Die HJT-Technologie löst einige häufige Probleme von herkömmlichen PV-Modulen. Wie genau ein HJT-Solarmodul aufgebaut ist, wie es funktioniert und was es auszeichnet, erfahren Sie in unserem Artikel. 

Und das ist der Inhalt des Artikels:

• Was sind HJT-Solarzellen?
• Wie werden HJT-Solarzellen hergestellt?
• Was ist der Unterschied zu herkömmlichen Solarzellen?
• Wie funktionieren Heterojunction-Solarzellen?
• Vorteile von Heterojunction-Solarzellen
• Nachteile von Heterojunction-Solarzellen
• Heterojunction vs. Bifacial
• Heterojunction- vs. PERC-Solarzellen
• Hersteller von Heterojunction-Solarzellen
• Wann sind Heterojunction-Zellen sinnvoll?

Was sind HJT-Solarzellen? 

Heterojunction-Solarzellen (HJT) sind eine Kombination aus kristallinen Solarzellen und Dünnschichtzellen. Der dünne monokristalline Siliziumwafer hat jeweils auf der Vor- und Rückseite eine hauchdünne Beschichtung aus amorphem Silizium. Der Vorteil ist, dass dadurch ein breiteres Spektrum des Sonnenlichts genutzt werden kann. HJT-Solarzellen haben deshalb hohe Wirkungsgrade von bis zu 24 %.

Heterojunction bedeutet auf Deutsch „Heteroübergang“. Der Begriff weist darauf hin, dass in den HJT-Zellen ein Elektronenübergang zwischen zwei unterschiedlichen Halbleitern stattfindet. Der Unterschied in den kristallinen und Dünnschichtzellen besteht aber nicht nur im Material, sondern auch in der Dotierung des Siliziums. Die unterschiedlichen Dotierungen sollen die Zelle passivieren, damit der Verlust der freien Ladungsträger reduziert und der Wirkungsgrad erhöht wird.

Die amorphe Siliziumschicht auf der Oberseite des kristallinen Wafers enthält deshalb Bor. Auf diese Weise wird die Schicht p-dotiert. Das bedeutet, sie enthält hauptsächlich positiv geladene Teilchen, auch Löcher genannt. Die Dünnschichtzelle auf der Unterseite hat eine Phosphor-Legierung und bildet so die n-Dotierung. N-dotiert ist auch die kristalline Schicht in der Mitte. Hier herrscht ein Überschuss an negativen Teilchen, Elektronen genannt. Der p-n-Übergang findet also erst in der oberen p-dotierten Siliziumschicht statt.

Wie werden HJT-Solarzellen hergestellt?

HJT-Solarzellen werden hergestellt, indem Wafer (dünne Schichten) aus hochreinem monokristallinen Silizium-Ingots geschnitten werden. Im nächsten Schritt werden die Wafer chemisch gereinigt und texturiert. Dabei werden die Schichten gleichzeitig mit Phosphor und Bor dotiert. Die amorphen Siliziumschichten werden anschließend auf die kristallinen Wafer aufgedampft oder gedruckt, um so die Heteroübergänge zu bilden. 

Danach wird eine Antireflexbeschichtung aufgetragen und die Metallkontakte angebracht. Am Ende werden die schützenden Schichten aus Kunststoff oder Glas hinzugefügt. 

Was ist der Unterschied zu herkömmlichen Solarzellen?

Bei einer normalen Solarzelle befinden sich die n- und p-Dotierungen innerhalb nur einer Siliziumschicht. Auf diese Weise entsteht eine sehr unregelmäßige Grenzflächenstruktur der unterschiedlichen Dotierungen. Bei einer Heterojunction-Solarzelle ist die Grenzflächenstruktur homogen, mit nur minimalen Unregelmäßigkeiten, da die komplette Schicht ein und dieselbe Dotierung hat. 

Vorteil der HJT-Solarzellen gegenüber normalen Solarzellen besteht daher darin, dass durch die homogene Oberflächenstruktur der positiven Schicht nur wenige Elektronen an die Löcher verloren gehen. Der Verlust des Stroms im Übergang von der Solarzelle zum elektrischen Verbraucher ist deshalb geringer.

Wie funktionieren Heterojunction-Solarzellen?

Im Prinzip funktioniert eine Heterojunction-Solarzelle identisch wie eine normale Solarzelle. Einziger Unterschied ist, dass anstatt einer Siliziumschicht drei verwendet werden. Fällt nun Sonnenlicht auf die Siliziumschichten, regt es die enthaltenen Elektronen an. Es findet eine Wechselwirkung zwischen dem einstrahlendem Licht und der dotierten Schicht statt. Durch die Bewegung beginnt Strom zu fließen, der über zwei Metallkontakte aus der Zelle abgeleitet wird.  

Vorteile von Heterojunction-Solarzellen

Heterojunction-Solarmodule zeichnen sich durch viele Vorteile aus. Fassen wir diese zusammen. 

Vorteile von HJT-Solarmodulen:

• sowohl direktes als auch indirektes Sonnenlicht wird genutzt
• höherer Stromertrag 
• bessere Oberflächenpassivierung
• höhere Stromspannung und Leerlaufspannung
• geringerer Elektronenverlust im Übergang
• besserer Temperaturkoeffizient
• höhere Effizienz und Wirkungsgrad
• auch reflektiertes Sonnenlicht kann mit der Rückseite des Moduls genutzt werden
• keine Lichtinduzierte Degradation
• geringere Herstellungskosten als andere Technologien

Hoher Wirkungsgrad

Mit einem Wirkungsgrad von 26,0 % bei monofazialen Modulen und mehr als 30 % bei bifazialen Modulen ist Heterojunction eine der effizientesten Solartechnologien auf dem Markt. Dies macht sie für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot sehr geeignet. 

Guter Temperaturkoeffizient

Die HJT-Technologie ist weniger anfällig für Temperaturschwankungen. Dadurch eignet sie sich hervorragend für Anwendungen an Orten mit hohen Temperaturen, die die Leistung von herkömmlichen C-Si-Modulen negativ beeinflussen können.

Hohe Bifazialität

Die HJT-Solarzelle hat einen hohen Bifazialitätsfaktor von 92 %. Sie eignet sich somit perfekt für den Einsatz von bifazialen Solarmodulen. Diese Technologie wird immer beliebter für Anwendungen im Versorgungsmaßstab, bei denen die Albedo-Ressource genutzt werden soll.

Einfacher Herstellungsprozess

Die Produktionskosten für HJT-Solarmodule sind etwas niedriger als die Kosten ähnlicher Technologien, wie zum Beispiel der PERC-Technologie. Die notwendigen Produktionsschritte halten sich nämlich in Grenzen. Daher ist der Preis für Solarpaneele mit der HJT-Technologie auch für private Kunden eine interessante Alternative.  

Nachteile von Heterojunction-Solarzellen

Es gibt wenige Nachteile von Heterojunction-Solarzellen. Die Kosten sind zwar etwas höher als bei normalen mono- bzw. polykristallinen Solarmodulen, man bekommt aber dafür eine höhere Modulleistung. Ob sich der geringfügig höhere Preis für einen Wirkungsgrad ab durchschnittlich 24 % lohnt, müssen Sie selbst entscheiden. 

Zum Vergleich: Monokristalline Solarmodule haben einen Wirkungsgrad von durchschnittlich 20 %. Polykristalline Solarmodule haben niedrigere Wirkungsgrade von 15 bis 18 %. Der Preis liegt aber auch unter dem von monokristallinen Modulen. 

Ein weiterer Nachteil: Bisher stellen nur wenige Solarmodul-Hersteller Heterojunction-PV-Module her. Der Marktanteil von HJT-Solarzellen ist mit 2 bis 5 % daher relativ gering. Das kann unter Umständen zu längeren Lieferzeiten führen.

Heterojunction vs. Bifacial

Bifaziale und HJT-Solarmodule sind ähnlich aufgebaut. Beide haben eine Passivierungsschicht an der Oberfläche, die den Elektronenverlust am Übergang verringert und damit den Wirkungsgrad erhöht. Bei der Bifacial-Technologie ist dieser mit Spitzwerten von bis zu 30 % sogar noch höher. Dieser Wert wird erreicht, indem die HJT mit der bifazialen und anderen Technologien kombiniert wird.

Sowohl HJT als auch bifaziale (zweiseitige) Solarzellen können einfallendes Licht über die Rückseite der Zelle nutzen. Bei HJT-Modulen sorgt die untere amorphe Schicht für die Lichtaufnahme über die Rückseite. Bei bifazialen Modulen ist es eine zweite Glasscheibe, die das indirekte Licht der reflektierten Sonnenstrahlen von hinten zurück in die Zelle lässt. Auf diese Weise wird bei beiden Solarmodultypen ein höherer Wirkungsgrad erzielt.

Bifaziale Module kommen aus diesem Grund häufiger auf Flachdächern oder bei einer Aufständerung der Module zum Einsatz. Hier ist der Wert des einfallenden Sonnenlichts durch die Modulrückseite höher. Im Schnitt erzielen bifaziale Module einen um 15 % höheren Ertrag als normale Solarmodule. 

Bifaziale und Heterojunction-Solarmodule können aber auch miteinander kombiniert werden und dadurch noch effizienter arbeiten. HJT-Solarzellen können nämlich für den einseitigen oder den zweiseitigen Einsatz konzipiert werden. Einziger Unterschied besteht darin, dass bifaziale Solarmodule noch mit weiteren Technologien außer der HJT-Technologie kombiniert werden können.

Heterojunction- vs. PERC-Solarzellen

Bei herkömmlichen Silizium-Zellen ist die Siliziumschicht direkt mit dem rückseitigen Aluminium verbunden. Bei einer PERC-Zelle liegt zwischen dem Aluminium und dem Silizium eine zusätzliche passive Reflexionsschicht. Diese reflektiert das ungenutzte Sonnenlicht zurück in die Siliziumschicht. Hier besteht also eine zweite Chance, einen größeren Anteil des einstrahlenden Sonnenlichts zu nutzen. Der Wirkungsgrad der Solarzellen wird erhöht.

Die Herstellung von PERC-Solarzellen ist jedoch aufwendiger und damit teurer. Zudem wird der Wirkungsgrad der Zellen um nur knapp 1 % erhöht. Heterojunction-Zellen können dagegen generell ein weiteres Spektrum des Sonnenlichts einfangen.  Eine passive Reflexionsschicht ist hier nicht vonnöten. Zudem sind die Herstellungskosten geringer und der Wirkungsgrad vergleichsweise höher. 

Hersteller von Heterojunction-Solarzellen

Die Firma SANYO forschte bereits in den 80er Jahren des vorigen Jahrhunderts an der Technologie der Heterojunction-Solarzellen. Im Jahr 1996 brachte das Unternehmen das erste HJT-Modul heraus - damals noch als HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin-Layer) Modul bezeichnet. Die Technologie hat SANYO patentiert. Panasonic übernahm SANYO 2009 und behielt die Bezeichnung HIT bei. Leider sind die Module von Panasonic auf dem europäischen Markt nicht mehr verfügbar. 

Seit 2010 ist das Patent von SANYO abgelaufen, weshalb auch andere Hersteller sich die Technologie zunutze machen. Zu den erfolgreichsten HJT-Solarmodul-Herstellern gehören Meyer Burger, Jinergy, Luxor Solar und REC.

Eine Übersicht der Hersteller von Heterojunction-Solarzellen weltweit:

Wann sind Heterojunction-Zellen sinnvoll?

Die Heterojunction-Technologie ist vielseitig einsetzbar. Am sinnvollsten ist ihr Einsatz, wenn nur begrenzter Platz für Solarmodule zur Verfügung steht. Der hohe Wirkungsgrad der Zellen eignet sich gut, um einen hohen PV-Ertrag auf einem kleinen Hausdach zu erzielen. Die Kosten sind dagegen nur geringfügig höher. 

Eventuell kann sogar durch den Einsatz von Heterojunction-Zellen die Anzahl der Solarmodule reduziert werden. Die Kosten sind dabei abhängig vom Hersteller und der beauftragten Photovoltaik-Fachfirma. Ob sich HJT-Zellen für Ihre individuelle Situation lohnen, sollten Sie am besten in einem Beratungsgespräch mit einem Solarteur klären. 

Fazit 

Heterojunction-Solarzellen sind keine Neuheit auf dem Photovoltaik-Markt. Dennoch ist ihr Marktanteil von nur 2 bis 5 % gering. Dabei hat die HJT-Technologie viele Vorteile. Hervorzuheben ist der hohe Wirkungsgrad von über 24 %, und zwar zu einem moderat höheren Preis. Ob sich die höheren Kosten jedoch für private Photovoltaik-Besitzer lohnen, muss immer individuell entschieden werden. 

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