Solarzellen

Lexikon der Photovoltaik-Begriffe

Solarzellen bezeichnen die kleinste Einheit von Solarrezeptoren.

In der Photovoltaikanlage werden Solarzellen zusammengefasst zu Photovoltaikmodulen.

Grundmaterial der Solarzelle ist ein Halbleitermaterial, in der Regel Silizium (dies ist bei rund 95% aller Solarzellen weltweit der Fall); es kommt auf der Erde in großen Mengen vor – das chemisches Element Silicium SI ist das zweithäufigste nach Sauerstoff – und es ist ungiftig, daher leicht zu gewinnen und einfach zu verarbeiten. Spezial-Solarzellen, etwa für Satelliten, die z.B. aus dem Halbleiter Galliumarsenid gefertigt werden, bedürfen wegen des giftigen Bestandteils Arsen viel höherer Sicherheitsmaßnahmen bei der Produktion als Silizium.

Aufbau und Funktion von Solarzellen

Das folgende Bild, das den Querschnitt einer Solarzelle in einem Photovoltaikgenerator zeigt, lässt die Schichten erkennen, in denen diese aufgebaut ist.

Im Zentrum steht der Halbleiter – er ist umschlossen von:

• negativen Elektroden (Kontaktfinger oben auf der Zelle)
• und positiven Elektro­den (Kontaktschicht auf dem Boden der Zelle),

die den Elektronentrans­port bewerkstelligen.

Der Kern der Solarzelle, der Halbleiter selbst, ist wiederum unterteilt in drei Schichten:

• Auf der Sonnenseite die rezeptive, negativ geladene Schicht, in welche die Licht­quanten eindringen, die den Elektronen­fluss auslösen,
• auf der Rückseite die positive Schicht, die den rückkehrenden Elektronenfluss aufnimmt,
• und dazwischen die neutrale Sperrschicht, an der sich die elektrische Spannung aufbaut.

Negativ oder positiv werden die Schichten durch sogenannte “Dotierung“, Beimengung von weiteren Materialien (zum Beispiel Aluminium, Bor oder Phosphor), welche die Leitfähigkeit des Materials in die gewünschte Richtung erhöhen – daher werden die äußeren Schichten des Halbleiters auch

• negativ dotierte oder n-dotierte Schicht (Lichtseite)
• bzw. positiv dotierte oder p-dotierte Schicht (lichtabgewandte Seite) – vgl. Back Surface Field

genannt.

Zur individuellen Berechnung

Funktionsweise von Solarzellen

Photovoltaikanlagen unterscheiden sich von allen anderen Formen der regenerativen Energieerzeugung dadurch, dass in ihnen nicht allein eine unkonventionelle Energiequelle einen konventionellen, Energie-erzeugenden Generator antreibt (wie z.B. bei Wind oder Wasser); sondern dass in ihnen ein gänzlich anderes Prinzip der Stromerzeugung wirkt.

Äußerer fotoelektrischer Effekt

Durch dieses Prinizip ist es die Solarzelle selbst, die den Zustrom von Lichtquanten nutzt, um Elektronen in Fluss zu bringen, d.h. Strom zu erzeugen.

Dieses Prinzip ist der photoelektrische Effekt.

Das Bild rechts zeigt den äußeren photoelektrischen (oder “fotoelektrischen”) Effekt: Lichtquanten schlagen wie ein Billardqueue die Kugeln Elektronen aus einer Metalloberfläche.

Der innere photoelektrische Effekt wirkt ebenfalls so einfach wie elegant. Das Atomgitter des Siliziums bedarf zu seinem Zusammenhalt einer bestimmten Anzahl von Elektronen. Durch den Lichteinschlag werden einzelne dieser Elektronen auf ein höheres Energieniveau gehoben – aber nicht aus dem Material heraus geschlagen – sie verlassen jedoch ihren Platz; an ihrer Stelle entsteht ein sogenanntes Loch.

Loch und Elektron bilden ein nicht aneinander gebundenes Elektronen-Loch-Paar. Die Fähigkeit, dieses Elektronen-Loch-Paar zu bilden, ist eine Spezialität von Halbleitermaterialien.

Der photovoltaische Effekt

Auf diesen inneren photoelektrischen Effekt baut nun der photovoltaische Effekt auf – an dem Übergang zwischen n-Schicht und p-Schicht der Solarzelle, dem p-n-Übergang findet eine Ladungstrennung statt; freigewordene Elektronen wandern zu offenen Löchern; bei Bestrahlung entsteht eine kontinuierliche Elektronen-Bewegung: Strom fließt.

Eine ausgezeichnete kurze Erläuterung dieses Vorganges, die den Aufbau und die Wirkungsweise von Solarzellen auf atomarem Niveau bündig erläutert, bringt das folgende kurze Youtube-Video (4’42”):

Zur individuellen Berechnung

Typen von Solarzellen

Unterteilt werden können die verschiedenen Arten von Solarzellen nach folgenden Gesichtspunkten:

• Dünnschicht- oder Dickschicht-Zellen,
• kristalline oder amorphe Solarzellen – wobei die kristallinen Solarzellen wiederum zu unterteilen sind in monokristalline oder polykristalline Solarzellen.
  • Polykristalline Solarzellen sind die meistverbreiteten in Photovoltaikanlagen; sie werden im Gießverfahren hergestellt, ihre Kristallgitter sind etwas unregelmäßiger als die monokristalliner Zellen, daher ist ihr Wirkungsgrad etwas geringer (13-16%) – dafür sind sie merklich preiswerter.
  • Monokristalline Solarzellen werden aus in Ingots gezüchteten Einkristallen gesägten Wafern hergestellt – sie sind teuer, für ihre Herstellung wird mehr Energie benötigt, ihre energetische Amortisation (die Zeit, bis der Energie-Output der Photovoltaikanlage den Energie-Bedarf ihrer Herstellung übersteigt) dauert daher länger, dafür liegt ihr Wirkungsgrad (bei 24-17%) höher.
  • Amorphe Solarzellen (a-morph, griech., “ungestalt”) sind nichtkristallin; sie werden in mikrodünnen Filmen (Dünnschicht) auf Folien oder Glas aufgedampft – durch die Materialeinsparung sind sie erheblich günstiger, aber auch weniger wirksam als kristalline Solarzellen (Wirkungsgrad bei 6-9%); dafür leisten sie sehr gute Dienste in Situationen mit wenig Licht, bei teilweiser Abschattung oder Streulicht und bei höherer Betriebstemperatur.
  • Ferner sind zu nennen die feinstrukturierten mikrokristallinen Solarzellen, die vereinzelt bereits in Dünnschichtmodulen eingesetzt werden (Wirkungsgrad ab 10%, noch nicht sehr verbreitet); bifacial Solarzellen, die sowohl direkte Solareinstrahlung als auch indirektes Streulicht auffangen können; und Mehrfachsolarzellen wie die Tandem- oder Tripel-Zelle des Fraunhofer Instituts ISE, in denen mehrere Schichten übereinander liegen, von denen jede einzelne jeweils ein eigenes Lichtspektrum absorbiert (vgl. Stichwort “Tandem-Solarzelle”): der Wirkungsgrad liegt hier in Laborversuchen bei knapp über 40% – allerdings hat diese Zelle die Industriereife noch nicht erreicht (Stand 2011).
• Eine weitere Unterscheidung: Nach Material; kristalline Solarzellen werden hergestellt aus (dotiertem) Silizium, aus Gallium-Arsenid (sehr aufwendig, vorwiegend in der Raumfahrt und beim Satellitenbau verwendet), Dünnschicht-Solarzellen aus Cadmiumtellurid, Kupfer-Indium-Disulfid bzw. Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (Wirkungsgrade in Modulen um 10-12%); außerdem ist noch die Grätzelzelle interessant – eine Solarzelle, die mit organischen Farbstoffen arbeitet, und einen Wirkungsgrad von 10% aufweist; allerdings ist ihre Lebensdauer begrenzt.

Zur individuellen Berechnung

Dünnschichtmodule und kristalline Solarzellen unterscheiden sich übrigens auch in der Degradation, dem alterungsbedingten Wirkungsverlust der Zelle: Garantieren Hersteller von kristallinen Solarzellen einen Wirkverlust von höchstens 20% nach 20 Jahren (in der Praxis liegen die Werte etwa bei der Hälfte), so ist bei Dünnschichtmodulen in den ersten Betriebsmonaten ein rasanter Wirkverlust zu verzeichnen – nach dieser initialen Phase allerdings stabilisiert sich der Wirkungsgrad der Zelle, und die Degradation ist vergleichbar der von Dickschichtzellen. Die Herstellerangaben bei Dünnschichtmodulen berechnen den initialen Wirkverlust in der Regel mit ein.

Weitere Artikel, die Sie interessieren könnten: Silizium
Wafer
Abschreibung Photovoltaik
Einspeisevergütung

Solarzellen in der Wertschöpfungskette

In der photovoltaischen Wertschöpfungskette vom Quarzsand über polykristallines Silizium, Ingots und Wafer zum Photovoltaikmodul und Photovoltaiksystem bezeichnen Solarzellen den Schritt vom Vorprodukt Silizium (oder vergleichbare Halbleiter) zum auslieferungsfähigen Endprodukt (Photovoltaik­anlage): Während der nicht zugeschnittene Wafer noch ein Zwischenprodukt ist, vergleichbar einem unbehauenen Stein, kann eine einzelne Solarzelle bereits selbständig als – kleinerer – arbeitsfähiger Solarrezeptor ausgeliefert werden.

Zur individuellen Berechnung

A | B | C | D | E | F | G | H | I | J | K | L | M | N | O | P | Q | R | S | T | U | V | W | Z