Longi bringt neues TOPCon n-Type-Modul auf den Markt: Wird die n-Type Technologie in Zukunft den Markt dominieren?

Das Hi-MO N Modul von Longi bietet eine zwei bis drei prozentige Verbesserung der Energieleistung im Vergleich zu herkömmlichen p-Typ PERC Modulen. 

Auf dem Markt für PV-Solarzellen können wir einen interessanten Wandel beobachten. Die p-Typ-Zellen waren in der Geschichte der Solarenergieentwicklung immer sehr beliebt, jedoch könnte dies schon sehr bald anders aussehen. 

P-Typ-Zellen bringen viele Vorteile mit sich. Sie haben den Markt praktisch seit den Anfängen dieser Technologie dominiert. 

Die erste Zelle war eine n-Typ-emonokristalline Zelle, doch bald setzte sich der p-Typ durch und erreichte den größten Marktanteil. 

Im Jahr 1954 entwickelten Gerald Pearson, Calvin Fuller und Daryl Chapin in den Bell Labs die erste Silizium-Photovoltaikzelle. Es war das erste Gerät, welches in der Lage war, elektrische Geräte des täglichen Lebens mit Sonnenenergie zu versorgen. 

Zwar wurden Solarzellen sehr schnell immer bekannter, jedoch verwendete man sie zunächst hauptsächlich für Weltraumprojekte. Bei der Verarbeitung dieser Zelltypen kristallisierte sich die p-Typ Zelle sehr schnell heraus. Ihr konnte man eine bessere Strahlungsbeständigkeit zuordnen, wodurch sie sehr schnell an Popularität dazu gewann.

In den vergangenen vier Jahrzehnten dominierten p-Typ-Zellen die Solarenergielandschaft und tun dies auch heute noch.  Diese Technologie ist kosteneffizient und genießt die Vorteile der Skalenerträge. Dies könnte sich jedoch in nicht allzu ferner Zukunft ändern. 

Quelle: Catherine Collins 2019
P-Typ-Paneele weisen eine bessere Strahlungsbeständigkeit auf   

Die Vorteile der n-Typ-Technologie unterliegen keinem besonders großen Geheimnis für die wettbewerbsstärksten Marktteilnehmer, die danach streben, die Nase vorn zu haben. Viele der Branchenriesen führen umfangreiche Forschungsarbeiten durch und entwickeln Prototypen und Tests für die überaus beliebte n-Typ-Technologie. Obwohl sie noch nicht für die Massenproduktion bereit sind, gibt es einige ermutigende Fortschritte in diesem Bereich.

Im Juni 2021 hat Longi, der größte PV-Hersteller, ein innovatives Produkt auf n-Typ-Basis vorgestellt, welches sehr vielversprechend ist. Ist dies der Beginn einer neuen Ära für die PV-Zellenindustrie?

Unterschied zwischen p-Typ und n-Typ Solarzellen

Die p-Typ-Zelle basiert auf einer positiv geladenen Siliziumbasis (daher der Name p-Typ). Der Wafer ist mit Bor dotiert, das ein Elektron weniger hat als Silizium. Um einen Stromfluss zu erzeugen, wird der obere Teil des Wafers mit Phosphor negativ dotiert (ein Elektron weniger als Silizium).

N-Typ-Zellen funktionieren entgegengesetzt zu den gängigen p-Typ-Zellen. In diesem Fall dient der negativ geladene Pol als Basis der Zelle.

Dies sind zwar hauptsächlich strukturelle Unterschiede, jedoch können weitere strukturunabhängige Unterschiede zwischen den beiden Technologien herauskristallisiert werden. Sie weisen beide Vor- und Nachteile auf. Daraus ergibt sich die folgende Frage:

Wenn der p-Typ seit fast einem halben Jahrhundert führend ist, warum gibt es dann eine klare Tendenz zur Forschung und Entwicklung des n-Typs?

Wie kann der n-Typ die Unzulänglichkeiten des p-Typs ausgleichen?

Wirkungsgrad

Die p-Typ-Technologie unterliegt einer ganz bestimmten Mangelerscheinung. Diese trägt die Bezeichnung “Bor-Sauerstoff-Defekt”. Wenn Ingots wachsen, weisen sie normalerweise eine hohe Konzentration an gelöstem Sauerstoff auf, der aus dem Quarz stammt, in dem das Silizium geschmolzen wurde. Durch den Sauerstoff entsteht ein Rekombinationsbereich, der die Effizienz des Systems beeinträchtigt.

Der “Bor-Sauerstoff-Defekt” führt dazu, dass eine Zelle mit der Zeit an Effizienz verliert.

Die N-Typ-Technologie hingegen verwendet Phosphor und leidet daher nicht unter diesem Defekt. Sie sind auch weniger anfällig für metallische Verunreinigungen des Siliziums.

Lichtinduzierter Degradationseffekt (LID)

Beim P-Typ tritt ein lichtinduzierter Degradationseffekt (LID) auf, der ebenfalls durch den “Bor-Sauerstoff-Defekt” verursacht wird. Dies führt zu einer Verringerung der Leistung des Moduls.

Kosten

Bislang ist dies der einzige Aspekt, bei dem der P-Typ mehr Vorteile aufzeigt. Obwohl die Herstellungskosten für p-Typ- und n-Typ-Zellen nicht sehr unterschiedlich sind, neigt sich das Gleichgewicht zu ersterem.

N-Typ-Barren sind in der Herstellung teurer. Außerdem ist der Herstellungsprozess für n-Typ-Module länger und erfordert mehr Schritte. Das macht sie teurer und komplizierter in der Herstellung.

Quelle: Bru-No 
N-type cells are more efficient but more expensive to build 

Vor einigen Jahren machten sich die Hersteller keine großen Gedanken über die den Solarzellen zugrunde liegende Technologie. Die Dinge liefen gut, solange die Kapazität erhöht und der Wirkungsgrad verbessert wurde. Es kam jedoch eine Zeit, in der die Al-BSF-Technologie begann, ihre Grenzen aufzuzeigen.

Über 30 Jahre lang wurde das Marktwachstum von PERC-Modulen getragen. Das Argument war, dass diese Technologie billiger war. Heutzutage werden zwar immer noch PERC-Produkte entwickelt und die Kapazität erhöht, aber es gibt eine klare Tendenz zur n-Typ-Zelle.

Angesichts der steigenden Liefer- und Versandkosten, insbesondere seit März 2020, müssen die Hersteller um eine bessere Marktposition kämpfen. Es ist von entscheidender Bedeutung, Effizienz und Kosten zu optimieren, damit diese Unternehmen ein wettbewerbsfähiges Produkt anbieten können.

Der Markt verläuft im Wesentlichen auf zwei verschiedenen Wegen. Während die Entwicklung von p-Typ Mono- und Multi-PERC noch im Gange ist, erhöhen viele Akteure die Kapazitäten für n-Typ-Wafer.

In vielen Fällen sind ihre Versuche erfolgreich, und das ITRPV sagt dieser neuen Tendenz einen großen Marktanteil voraus. Es scheint, dass der Markt in den kommenden Jahren ausgeglichener sein wird.

Quelle: Aleo Solar 

Entwicklung der N-Typ-Solarzellen

Experten schätzen, dass bis Ende dieses Jahres etwa 400 GW an Mono-PERC-Zellkapazität zur Verfügung stehen werden. Das ist das Doppelte der Kapazität, die wir im Jahr 2020 ermittelt haben. Angesichts dieses Überschusses könnten die Tier-1-Zellenhersteller im ersten Quartal einen Gewinnrückgang verzeichnen.

Höhere Kosten, geringere Nachfrage

Die Hersteller zielen weiterhin auf dieselben Märkte ab. Chinesische Unternehmen zielen weiterhin hauptsächlich auf Projekte im Versorgungsmaßstab mit n-Typ TOPCon-Zellen ab. Trotz ihrer Effizienzvorteile haben die n-Typ-Zellen die p-Typ-Technologie jedoch nicht überholt. PERC-Module auf P-Typ-Basis haben eine Leistung von über 500 W erreicht.

Der Kostenanstieg bei Rohstoffen wie Silber senkt die Nachfrage nach n-Typ-Zellen. Dies und die Ausweitung der Skalenerträge für p-PERC-Zellen machen es für die n-Typ-Technologie schwierig, bis 2021 wettbewerbsfähig zu bleiben. Dies führte dazu, dass die Produktion von n-Typ-Zellen auf 60 W zurückgegangen ist, während der Marktanteil von 5 % im Jahr 2020 auf 4 % im Jahr 2021 gesunken ist.

Andere Hersteller konzentrieren sich weiterhin auf ihre üblichen Nischen: C&I-Aufdachprojekte und Wohnhäuser. Wie ihre chinesischen Kollegen entwickeln viele Unternehmen Strategien für den weiteren Kapazitätsausbau. Maxeon zum Beispiel setzt auf die PERC-Technologie und kündigte Pläne zur Kapazitätserweiterung an.

Alles deutet darauf hin, dass der Markt in Bezug auf den Standort keine Überraschungen bringen wird. Neben China werden Japan, Europa und die USA die stärksten Hersteller von PV-Zellen sein.

N-Typ-Kapazität

Der Ausbau der PERC-Kapazitäten hat jedoch auch seine Schattenseiten. Der Marktüberschuss für diese Technologie droht die Rentabilität zu verringern. Da die Kapazität deutlich höher ist als die Produktion, werden sich viele Hersteller möglicherweise dafür entscheiden, die PERC-Kapazität nicht weiter auszubauen. Die meisten Projekte für die zweite Jahreshälfte konzentrieren sich auf die Technologieforschung und n-Typ-Produkte.

Außerdem richten die großen Hersteller von PV-Modulen ihre Forschung auf n-Typ-Zellen aus. Wenn diese Expansionspläne erfolgreich sind, könnte dies zu einer Steigerung der Rentabilität und einer größeren Nachfrage führen. Unternehmen wie Longi (mit ihren TOPCon-Projekten) oder Tongwei (mit ihrem 1-GW-HJT-Ausbauprojekt) könnten der n-Typ-Technologie sehr wohl helfen, Größenvorteile zu erreichen.

Auch wenn es unwahrscheinlich ist, dass dies im Jahr 2021 der Fall sein wird, deutet es doch auf einen Weg hin, der zu einer erheblichen Veränderung des künftigen Marktanteils führen könnte.

Vergleicht man TOPCon mit HJT, so scheint ersteres bessere Ergebnisse zu liefern. Die Investitionskosten für TOPCon sind im letzten Jahr gesunken, wodurch sich die Baukosten den PERC-Modulen stark angenähert haben. Dies und der bessere Wirkungsgrad haben die PERC-Hersteller veranlasst, auf TOPCon umzustellen.

Wenn es den Herstellern gelingt, das Verhältnis zwischen Effizienz und Rentabilität zu stabilisieren, könnte TOPCon sowohl bei der Produktion als auch bei der Kapazität HJT überholen. Aus technischer Sicht müssen die Hersteller noch das Problem der umlaufenden Polysiliziumschicht lösen.

Im Moment stützt sich der HJT-Herstellungsprozess auf Silber und weist ein gutes Maß an Effizienz und Rentabilität auf. Das Aufkommen chinesischer Ausrüstungslieferanten für HJT-Zellen, die niedrigere Preise anbieten, hat zur Kostenoptimierung beigetragen.

Obwohl viele Unternehmen ihre Expansionspläne aufgrund der Finanzkrise auf Eis legen, entscheiden sich andere dafür, bei der Entwicklung der Solarenergie an vorderster Front mitzumischen. Tongwei und HuaSun haben in diesem Jahr Erweiterungsprojekte im Pilotmaßstab vorgestellt.

Die Leistung der HJT-Zellen auf dem Gesamtmarkt wird davon abhängen, ob sie die Kosten pro Watt in den verbleibenden Monaten des Jahres 2021 senken können. Diese Senkung steht in direktem Zusammenhang mit der Entwicklung der Silberpastentechnologie und der Größenvorteile.

Solange die Preise für HJT-Zellen viel höher sind als die für p-PERC-Zellen, wird es schwierig sein, die Produktion und die Kapazität in Zukunft weiter auszubauen.

Quelle: Captain Green Solar, 2021
In der zweiten Hälfte des Jahres 2021 konzentrieren sich die Unternehmen hauptsächlich auf technologische Forschung und n-Typ-Projekte 

Kontinuierliche Fortschritte

Trotzdem machen sowohl TOPCon als auch HJT stetige Fortschritte. Beide könnten in einem Zeitraum von 2 bis 3 Jahren hervorragende Ergebnisse erzielen. Im Moment ist TOPCon im Vorteil, da es über ein größeres Auftragsvolumen und eine größere Kapazität verfügt. Außerdem ist es einfacher, von PERC auf TOPCon umzusteigen.

Wenn jedoch die Preise für die teuren Materialien sinken, werden die Produktion und die Kapazität von HJT langfristig höchstwahrscheinlich steigen.

Es gibt jedoch einen wichtigen Aspekt bei der Entwicklung von PV-Technologien. Der Markt zeigt eine klare Tendenz zu größeren Wafern. Experten gehen davon aus, dass in der zweiten Jahreshälfte 182 mm und 210 mm zu den Standardmaßen für p-Typ werden.

In dieser Hinsicht stehen die n-Typ-Zellen vor einer großen Herausforderung. Wir müssen abwarten, ob TOPCon und HJT die Stabilitätsprobleme bei der Verwendung größerer Wafer überwinden können. Wenn die Hersteller dies erreichen können, wird dies der n-Typ-Technologie zu einer Massenproduktion verhelfen, die Kosten senken und die Rentabilität verbessern.

Es scheint klar zu sein, dass, selbst wenn es eine gute Chance für die n-Typ-Technologie gibt, eine Größenordnung zu erreichen, es noch einige Fragen zu klären gibt. Die Hersteller müssen einen Weg finden, um diese Technologie rentabel, stabil und effizient zu machen.

Longi stellt sein neues bifaziales TOPCon-Modul vor

Das Jahr 2021 brachte gute Nachrichten für die Liebhaber des n-Typs. Der wohl größte Modulhersteller stellte auf der diesjährigen International Photovoltaic Electricity Generation and Smart Energy Conference & Exhibition ein neues Modul namens Hi-MO N vor. Es handelt sich um das erste bifaciale Modul mit n-Typ TOPCon-Zellen.

Dieses Produkt ist in sechs Versionen erhältlich und seine Leistung reicht von 545 W bis 570 W. Mit einem Gewicht von 32,3 KG hat das Hi-Mo N einen Wirkungsgrad zwischen 21,3 % und 22,3 %. Er kann in einem Temperaturbereich von minus 40 bis 85 Grad Celsius betrieben werden. Sein Temperaturkoeffizient beträgt -0,31 % pro Grad Celsius.

Es handelt sich um ein vielversprechendes Produkt mit optimaler Größe (182mm-Zelle und 72-Zelle), mit einer Schutzart von IP68, einem 2mm beschichteten gehärteten Glas und einem Rahmen aus einer eloxierten Aluminiumlegierung.

Quelle: Longi 
Die bifacialen Module der Serie Hi-MO 4 von Longi 

Das neue Produkt von Longi soll langfristig einen hervorragenden Wirkungsgrad aufweisen. Es wird garantiert, dass die Leistung nach 30 Jahren mindestens 87,40 % der Nennleistung beträgt. Außerdem verspricht Longi eine Degradation von weniger als 1% im ersten Jahr.

Das Unternehmen treibt seit geraumer Zeit die technologische Entwicklung der Branche voran und ist für zahlreiche Durchbrüche verantwortlich. Dank seiner innovativen Projekte gelang es ihm, die bifaciale p-Typ-Technologie auf M6- und M10-Wafer-Standards zu übertragen.

Longi ist bestrebt, den Wert der Solarzellenindustrie zu maximieren und die Gesamtbetriebskosten zu senken. Die neue Hi-Mo N stellt einen wichtigen Schritt in diese Richtung dar und bietet eine unvergleichlich verbesserte Leistung.

Bei der Entwicklung dieser Technologie verfolgte das Unternehmen einen kundenorientierten Ansatz und stellte daher drei verschiedene Versionen her, die sich an die Bedürfnisse der Kunden anpassen lassen.

Die Hi-MO N Familie umfasst die folgenden Produkte:

  • Hi-MO N: Dies ist die beste Option für Gebiete mit hohen Temperaturen, hohen Arbeitskosten und begrenzten Flächen. Es eignet sich auch am besten für Oberflächen mit hoher Reflexion.
  • Hi-MO 4: Dieses Modul wird in Gebirgsregionen und in Gebieten eingesetzt, in denen die Handhabung dieser Geräte schwierig sein kann.
  • Hi-MO 5: Diese Version ist am besten für sehr große Kraftwerke geeignet.
Quelle: East Lux Energy, 2021
Der Hi-MO N wurde auf der 15th International Photovoltaic Electricity Generation and Smart Energy Conference & Exhibition in Shanghai, China, vorgestellt.  

Abschließende Gedanken zur Zukunft der N-Typ-Technologie

N-Typ-Zellen haben einen höheren Wirkungsgrad als ihre p-Typ-PERC-Pendants. Unter anderem vermeiden sie den “Bor-Sauerstoff-Defekt” und haben weniger LID-Probleme.

Sowohl die TOPCon-Technologie als auch die HJT-Technologie streben danach, das Rennen zu gewinnen und einen größeren Marktanteil zu erreichen. Es gibt jedoch noch einige Probleme zu lösen.

Damit diese Technologien eine wirtschaftliche Größenordnung erreichen können, müssen die Hersteller einen Weg finden, die Kosten zu senken und die Stabilität zu erhöhen, insbesondere bei Zellen mit größeren Wafern.

Nichtsdestotrotz scheint Longis Durchbruch in diesem Jahr die Waage in Richtung n-Typ TOPCon-Solarzellen zu neigen.

Die Hi-MO N weist einen noch nie dagewesenen Wirkungsgrad auf und ist in drei verschiedenen Versionen erhältlich, die sich gut an unterschiedliche Umgebungen anpassen. Außerdem bietet es eine Verbesserung der Energieausbeute von 2-3 % gegenüber den herkömmlichen bifacialen p-Typ-Modulen.

Mit seiner niedrigen Bestrahlungsstärke, seinem besseren Temperaturkoeffizienten (-0,31%) und seiner überlegenen PID- und LID-Leistung kann der Hi-MO N die TOPCon n-Typ Zelltechnologie in eine wettbewerbsfähigere Marktposition bringen.

Quellen

Longi, 2021, https://en.longi-solar.com/home/events/press_detail/id/336_LONGi_launches_N-type_TOPCon_bifacial_modules_Hi-MO_N_at_SNEC_2021.html

Waaree, 2018, https://www.waaree.com/blog/n-p-type-cell

U.S. Department of Energy, ‘The history of solar’ , https://www1.eere.energy.gov/solar/pdfs/solar_timeline.pdf

Aleo Solar, https://www.aleo-solar.com/difference-n-type-p-type-solar-cells/

Amy Fang, June 17, 2021, https://www.pv-magazine.com/2021/06/17/n-type-solar-development/ 

Emiliano Bellini, June 4, 2021, https://www.pv-magazine.com/2021/06/04/longi-unveils-n-type-topcon-bifacial-module-with-22-3-efficiency/ 

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