In-Zelle-Bypass-Dioden für hocheffiziente und schattentolerante Silizium-Photovoltaikmodule mit Rückkontakt

Sicherere Solarmodule für alltägliche Hausdächer

Dachsolaranlagen sollen über Jahrzehnte hinweg leise Strom erzeugen, aber in der Realität werden sie von Blättern, Schnee, Schornsteinen und nahe gelegenen Gebäuden verdeckt. Schon kleine Schattierungen können einem Modul Leistung rauben und, noch besorgniserregender, gefährlich heiße Stellen erzeugen, die die Hardware beschädigen. Dieser Artikel beschreibt eine neue Art von Silizium-Solarzelle, die eine Sicherheitsfunktion direkt in jeder Zelle integriert und Solarmodule sowohl effizienter als auch deutlich toleranter gegenüber alltäglichen Schattierungen macht.

Warum Schatten ein so großes Problem ist

Ein Solarmodul ist kein einzelnes Bauteil, sondern eine Kette vieler miteinander verkabelter Zellen. Wenn eine Zelle beschattet wird, sinkt ihr elektrischer Strom, während die restlichen sonnenbeschienenen Zellen weiterhin Strom durch sie hindurchdrücken. Die beschattete Zelle gerät dann in einen elektrischen Zustand, der als Sperrpolung (Reverse-Bias) bezeichnet wird, in dem sie nicht mehr als Leistungsquelle, sondern als Leistungsaufnehmer wirkt. Das Ergebnis können starke Überhitzungen in kleinen Bereichen der Zelle sein, sogenannte Hotspots, die Energie verschwenden und im Extremfall Bauteile beschädigen oder entzünden können. Übliche Schutzmaßnahmen verwenden zusätzliche elektronische Bauteile, sogenannte Bypass-Dioden, die um Gruppen von Zellen herum verdrahtet sind. Eine Diode pro Zelle zu installieren wäre jedoch zu sperrig und teuer, und das Gruppieren vieler Zellen unter einer einzigen Diode bietet nur teilweise Schutz.

Jede Zelle als eigenes Sicherheitsventil

Die Autoren schlagen ein geschicktes Redesign von Rückkontakt-Siliziumzellen vor, sodass jede Zelle ihr eigenes eingebautes „Bypass“-Verhalten enthält, ohne separate Bauteile hinzuzufügen. Anstatt sich auf eine externe Diode zu verlassen, die viele Zellen rettet, gestalten sie die Schichten auf der Rückseite der Zelle so, dass viele winzige Rückleitungs-Kanäle über die Fläche verteilt entstehen. Diese Kanäle sind im normalen Betrieb im Wesentlichen ausgeschaltet und erhalten so die hohe Effizienz, schalten sich jedoch ein, wenn die Zelle durch Schattierung in Sperrpolung gedrängt wird. Effektiv erhält die Zelle ein internes Sicherheitsventil, das automatisch einen Strompfad um beschattete Bereiche herum ermöglicht, bevor gefährliche Spannungen und Hotspots entstehen.

Wie die verborgenen Kanäle in der Zelle funktionieren

Im Kern des Designs steht eine sorgfältig geschichtete Kombination von Materialien auf der Rückseite der Siliziumwafer. Rückkontaktzellen platzieren bereits positive und negative Kontakte nebeneinander auf der Rückseite, getrennt durch schmale Lücken. Das Team nutzt die Kanten dieser Lücken, um überlappende dünne Schichten einzufügen, die in einem Bereich Elektronen begünstigen und in einem anderen Löcher (die positiven Gegenstücke) bevorzugen. Unter Sperrpolung bewegen sich Elektronen, die in die beschattete Zelle eintreten, durch das Silizium und werden zu diesen Überlappungsregionen geleitet, wo die Energieanordnung ihnen erlaubt, durch den Stapel zu „tunneln“ und als Strom wieder herauszukommen, der sicher abgeleitet werden kann. Da ähnliche Stapel hunderte Male über die Zellrückseite wiederholt werden, verteilt sich der Rückstrom, anstatt sich an einer einzigen Schwachstelle zu konzentrieren. Simulationen und Messungen zeigen, dass diese konstruierten Kanäle wie viele winzige, speziell abgestimmte Dioden funktionieren, die direkt in die Zelle integriert sind.

Hohe Leistung im normalen Sonnenlicht bewahren

Jeder zusätzliche Strompfad birgt die Gefahr, im normalen Betrieb zu einem Leck zu werden, das Leistung verschwendet. Eine zentrale Leistung dieses Werks besteht darin, die geschichteten Lagen so zu gestalten, dass sie nur bei Sperrpolung nennenswerten Strom führen, im Vorwärtsbetrieb jedoch sehr wenig beitragen. Das Team analysiert, wie Elektronen und Löcher sich unter beiden Bedingungen durch die Stapel bewegen, und passt Dicke und Materialeigenschaften so an, dass der Tunneleffekt mit steigender Vorwärtsspannung und Annäherung an den Arbeitspunkt der Zelle allmählich abschwächt. Infolgedessen erreichen Prototypen mit der neuen Struktur eine zertifizierte Leistungskonversionseffizienz von 27,49 %, was mit den besten Rückkontakt-Siliziumzellen konkurriert, während sie gleichzeitig bei Bedarf eine starke Rückleitung bieten.

Kühlere, stabilere Module unter realistischen Bedingungen

Um zu prüfen, ob dieses mikroskopische Redesign im realen Einsatz einen Unterschied macht, bauten die Forscher vollständige Solarmodule aus ihren neuen Zellen und verglichen sie mit konventionellen Modulen unter harten Schattentests. Wenn mehrere Zellen stark beschattet wurden, entwickelten Standardmodule heiße Bereiche, die schnell auf etwa 190 Grad Celsius anstiegen. Die neuen Module dagegen stabilisierten sich in der Nähe von 90 Grad, mit gleichmäßigerer Wärmeverteilung und deutlich weniger dauerhaft beschädigten Stellen. In Tests, bei denen nur ein Teil einer einzelnen Zelle beschattet wurde, verloren konventionelle Module fast die Hälfte ihrer Leistung, obwohl externe Bypass-Dioden vorhanden waren. Module mit den neuen Zellen zeigten nur moderate Leistungsverluste und demonstrierten, dass die eingebauten Kanäle helfen, den Stromfluss trotz ungleichmäßiger Beleuchtung glatter aufrechtzuerhalten.

Ein Schritt zu intelligenterer, widerstandsfähigerer Solarenergie

Diese Arbeit zeigt, dass Schutz gegen Schattierung nicht zwangsläufig durch zusätzliche Verkabelung und Bauteile außerhalb der Zelle kommen muss. Indem Bypass-Verhalten in die Struktur der Zelle selbst eingewoben wird, schaffen die Autoren Solarmodule, die sowohl hocheffizient als auch weit toleranter gegenüber alltäglichen Schatten sind, und die potenziell Kosten und Komplexität senken. Wenn Solarenergie auf überfüllte Dächer und in Städte mit vielen Hindernissen und variabler Beleuchtung vordringt, könnten solche selbstschützenden, schattentoleranten Zellen Solarsysteme für Hausbesitzer und Versorgungsunternehmen sicherer, langlebiger und zuverlässiger machen.

Zitation: Tang, H., Li, Y., Lin, H. et al. In-cell bypass diodes for high-efficiency and shading-tolerant back contact silicon photovoltaic modules. Nat Commun 17, 3360 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70005-1

Schlüsselwörter: Solarzellen, teilweiser Schatten, Rückkontakt-Silizium, Bypass-Diode, Photovoltaikmodule