Solarzelle

Solarzellen sind elektrische Bauelemente, die Lichtenergie (in der Regel Sonnenlicht) in elektrische Energie umwandeln. Dies geschieht unter Ausnutzung des photoelektrischen Effektes (Fotovoltaik).


Grundlagen

Derzeit gibt es zwei Grundmaterialien, aus denen Solarzellen gefertigt werden:

* Halbleiter
* organische Materialien

Derzeitig sind kommerziell erhältliche Solarzellen aus Halbleitermaterialien, davon zu einem Hauptanteil aus Silizium; es zeigen sich aber in den letzten Jahren starke Tendenzen hin zu III-V-Halbleitermaterialien. Polymere Solarzellen befinden sich noch in der Forschung und sind kaum im Handel erhältlich, weshalb sich die meisten Angaben auf Halbleitersolarzellen beziehen.

Halbleitersolarzellen werden zur Energiegewinnung meist zu großen Solarmodulen verschaltet. Die Zellen werden dafür mit Leiterbahnen an Vorder- und Rückseite in Reihe geschaltet. Dadurch addiert sich die Spannung der Einzelzellen, und es können dünnere Drähte für die Verschaltung verwendet werden als bei einer Parallelschaltung. Als Schutz vor einem Lawinendurchbruch in den Bauelementen werden zusätzlich Schutz-Dioden (Bypass-Dioden) parallel zu den Zellen eingebaut, die von Abschattung betroffene Zellen überbrücken können. Solaranlagen werden darüber hinaus vermehrt mit einer mechanischen Nachführung ausgestattet. Die Solaranlage wird dadurch elektrisch dem Sonnenstand angepasst, um die Ausbeute an elektrischer Energie aus der Sonnenenergie zu erhöhen.

Funktionsprinzip

Solarzellen aus Halbleitermaterialien sind im Prinzip wie großflächige Photodioden aufgebaut. Sie werden jedoch nicht als Strahlungsdetektor, sondern als Stromquelle betrieben.
Die Besonderheit von Halbleitern ist die, dass sie durch zugeführte Energie (Wärme oder Licht) freie Ladungsträger erzeugen (Elektronen und Löcher, siehe Generation). Um aus diesen Ladungen einen elektrischen Strom zu erzeugen, ist ein internes elektrisches Feld nötig, um die erzeugten Ladungsträger in unterschiedliche Richtungen zu lenken.
Dieses interne elektrische Feld wird durch einen P-n-Übergang erzeugt. Da Licht in Materialien gewöhnlich exponentiell schwächer wird, muss dieser Übergang möglichst nahe an der Oberfläche liegen, und die Übergangszone mit dem elektrischen Feld sollte möglichst weit in das Material hineinreichen. Diese Übergangszone (Raumladungszone) wird durch gezielte Dotierung des Material eingestellt (siehe Halbleitertechnologie). Um das gewünschte Profil zu erzeugen wird gewöhnlich die dünne Oberflächenschicht stark n-dotiert, die dicke Schicht darunter schwach p-dotiert. Dies hat eine weitreichende Raumladungszone zur Folge. Wenn in dieser Übergangszone nun Photonen einfallen und Elektronen-Loch-Paare erzeugen, so werden durch das elektrische Feld die Löcher zum untenliegenden p-Material beschleunigt und umgekehrt die Elektronen zum n-Kontakt auf der (sonnenzugewandten) Oberseite. Ein Teil der Ladungsträger rekombiniert auf dieser Strecke und geht in Wärme verloren, der übrige Strom (Photostrom) kann von einem Verbraucher „abgegriffen“ bzw. mit einem Wechselrichter die Spannung in das Hochspannungsnetz eingespeist werden. Die elektrische Spannung bei maximaler Leistung (Maximum Power Point, Leistungsanpassung) liegt bei den gebräuchlichsten Zellen (kristalline Siliziumzellen) bei etwa 0,5 V.

Die Struktur von Solarzellen wird weiterhin so angepasst, dass möglichst viel Licht eingefangen und in der aktiven Zone verwendet werden kann. Dazu werden die Frontseiten-Kontakte möglichst dünn und transparent gehalten, auf der Oberseite wird eine Antireflexionsschicht aufgetragen (Verringerung des Reflexionsgrades), und beide Seiten werden aufgeraut. Wegen des Vorteils einer rauhen Oberfläche wurden ursprünglich fehlerhaft gefertigte Siliziummaterialien (Fehler beim Schleifprozeß o.Ä.) als Solarzellen verkauft. Die Antireflexionsschicht sorgt für die typisch bläuliche Farbe von Solarzellen. Unbeschichtete Solarzellen haben hingegen eine gräuliche bis schwarze Farbe.

Traditionelle Solarzellen

Das traditionellste Grundmaterial für Halbleitersolarzellen ist Silizium. Wurde noch früher eher Abfallmaterialien für die Herstellung für Solarzellen verwendet, wird inzwischen ein großer Anteil speziell gefertigter Materialien eingesetzt. Silizium ist allgemein für die Halbleitertechnik nahezu ideal. Es ist preiswert, es lässt sich hochrein und einkristallin herstellen und als n- und p-Halbleiter dotieren. Einfache Oxidation ermöglicht die Herstellung dünner Isolationsschichten. Jedoch ist die Ausprägung seiner Bandlücke als indirekter Halbleiter für optische Wechselwirkung wenig geeignet. Siliziumbasierte kristalline Solarzellen müssen eine Schichtdicke von mindestens 100 µm und mehr aufweisen, um Licht ausreichend stark zu absorbieren. Bei Dünnschichtzellen direkter Halbleiter, wie z. B. Galliumarsenid oder auch Silizium mit stark gestörter Kristallstruktur (siehe unten), genügen 10 µm.

Je nach Kristallaufbau unterscheidet man bei Silizium folgende Typen:

* Monokristalline Zellen werden aus sog. Wafern (einkristalline Siliziumscheiben) hergestellt, wie sie auch für die Halbleiterherstellung verwendet werden. Sie sind sehr teuer und finden vor allem in der Raumfahrt (Stromversorgung von Satelliten und Raumfahrzeugen) Verwendung.
* Multikristalline Zellen bestehen aus Scheiben, die nicht überall die gleiche Kristallorientierung aufweisen. Sie können z. B. durch Gießverfahren (s. u.) hergestellt werden und sind preiswerter und in Photovoltaik-Anlagen am meisten verbreitet.
* Amorphe Solarzellen bestehen aus einer dünnen, nicht-kristallinen (amorphen) Siliziumschicht und werden daher auch als Dünnschichtzellen bezeichnet. Sie können z. B. durch Aufdampfen hergestellt werden und sind sehr preiswert, haben im Sonnenlicht einen nur geringen Wirkungsgrad, bieten jedoch Vorteile bei wenig Licht. Zu finden sind die amorphen Zellen beispielsweise auf Taschenrechnern oder Uhren.
* Mikrokristalline Zellen sind Dünnschichtzellen mit mikrokristalliner Struktur. Sie weisen einen höheren Wirkungsgrad als amorphe Zellen auf und sind nicht so dick wie die gängigen polykristallinen Zellen. Sie werden teilweise für Photovoltaikanlagen verwendet, sind jedoch noch nicht sehr weit verbreitet.
* Tandem-Zellen sind übereinandergeschichtete Solarzellen, meist eine Kombination von polykristallinen und amorphen Zellen. Die einzelnen Schichten bestehen aus unterschiedlichem Material und sind so auf einen anderen Wellenlängenbereich des Lichtes abgestimmt. Dadurch kann ein breiteres Ausnützen des Lichtspektrums der Sonne haben diese Zellen einen besseren Wirkungsgrad als einfache Solarzellen. Sie werden teilweise auf Fotovoltaikanlagen verwendet, sind jedoch noch relativ teuer. Eine deutliche Verbilligung wird durch eine Kombinations mit Linsensystemen erzielt, so genannten Konzentratorsystemen.

Herstellung der Siliziumkristallsäulen

Traditionelle Solarzellen können nach verschiedenen Verfahren hergestellt werden.

Das Grundmaterial Silizium ist das zweithäufigste chemische Element, das in der Erdkruste vorkommt. Es liegt in Form von Silikaten oder als Quarz vor. Aus Quarzsand kann in einem Hochofenprozess Rohsilizium mit Verunreinigungen von circa 1 % hergestellt werden. Dieser Prozess ist sehr energieaufwändig. Dennoch können die heute verwendeten Solarzellen die für ihre Produktion erforderliche Energiemenge innerhalb von 1,5 bis 7 Jahren (je nach Bauart) wieder erzeugen, haben also eine positive Energiebilanz. Aus dem Rohsilizium wird dann über einen mehrstufigen Prozess polykristallines Reinstsilizium hergestellt. Die bis heute (2003) hier angewendeten Verfahren sind für die Elektronikindustrie optimiert und bieten für die geforderte Reinheit von Solarsilizium, die wesentlich niedriger liegt als für Elektronikanwendungen benötigt, noch deutliches Kostenreduktionspotential. Hier wird zur Zeit intensiv geforscht.

Das nun vorhandene Reinstsilizium kann auf sehr unterschiedliche Arten weiterverarbeitet werden. Für multikristalline Zellen kommen größtenteils das Gießverfahren, das Bridgman-Verfahren und das Bandzieh-Verfahren (EFG-Verfahren) zum Einsatz. Monokristalline Zellen werden fast immer nach dem Czochralski-Verfahren hergestellt. Bei allen Verfahren gilt, dass die Dotierung mit Bor (siehe unten) schon beim Herstellen der Blöcke beziehungsweise Säulen vorgenommen wird.

Gießverfahren

Das Gießverfahren dient zur Herstellung von multikristallinem Silizium. Das Reinstsilizium wird in einem Tiegel mit Hilfe einer Induktionsheizung aufgeschmolzen und dann langsam in eine quadratische Wanne gegossen, in der es nun langsam erstarrt. Die Kantenlänge der Wanne beträgt etwa 50 cm, die Höhe der erstarrten Schmelze etwa 30 cm. Der große Block wird in mehrere Säulen von etwa 30 cm Länge zerteilt; dabei kann mit einer Ausbeute von etwa 70 % gerechnet werden.

Ein weiteres Gießverfahren ist der Strangguss, wobei die Masse schon in der am Ende benötigten Dicke auf das Trägermaterial aufgebracht wird. Der Vorteil ist, dass ein Sägevorgang mit seinen Verlusten entfällt.

Bridgman-Verfahren

Das Bridgman-Verfahren dient ebenfalls zur Herstellung von multikristallinem Silizium. Das Reinstsilizium wird hier ebenfalls in einem Tiegel mit Hilfe einer Induktionsheizung aufgeschmolzen. Die langsame Abkühlung der Schmelze, bei der sich große Zonen gleichgerichteter Kristallgitter ausbilden, findet hier im gleichen Tiegel statt. Die geheizte Zone wird langsam von unten nach oben im Tiegel angehoben, so dass sich oben bis zum Schluss flüssiges Silizium befindet, während vom Tiegelboden her das Erstarren erfolgt. Hier sind die Kantenlängen etwas größer als beim Gießverfahren (etwa 60 bis 70 cm), die Höhe des Blocks beträgt etwa 20 bis 25 cm. Der große Block wird ebenfalls in mehrere Säulen von etwa 20 bis 25 cm Länge zerteilt; die Ausbeute beträgt hier etwa 60 %.

Czochralski-Verfahren

Das Czochralski-Verfahren wird für die Herstellung von langen monokristallinen Säulen genutzt. Vor der Herstellung der Zellen wird die entstandene zylindrische Säule noch quadratisch zurechtgeschnitten.

Zonenschmelzverfahren

Das Zonenschmelzverfahren, auch Float-Zone-Verfahren genannt, dient auch der Herstellung monokristalliner Siliziumsäulen. Die bei diesem Verfahren erzielte Reinheit ist im Normalfall höher als für die Solartechnik benötigt und auch mit sehr hohen Kosten verbunden. Deshalb wird diese Technik für die Solartechnik eher selten benutzt.

Herstellung ohne Siliziumkristallsäulen

EFG-Verfahren

Bei EFG-Verfahren (Edge-defined Film-fed Growth) lässt man aus Reinstsilizium achteckige Röhren von etwa 6 bis 7 m Länge nach oben wachsen. Die Kantenlänge der einzelnen Seiten beträgt 10 bzw. 12,5 cm, die Wandstärke 280 µm. Nach Fertigstellung der Röhre wird diese entlang der Kanten mit NdYAG-Lasern geschnitten und in einem bestimmten Raster dann über die Breite der jeweiligen Seite. Daraus ergibt sich die Möglichkeit der Herstellung von Zellen mit unterschiedlichen Kantenlängen (zum Beispiel 12,5 x 15 cm oder 12,5 x 12,5 cm). Es wird eine Ausbeute von etwa 80 % des Ausgangsmaterials erzielt. Bei den so erzeugten Zellen handelt es sich ebenfalls um multikristallines Material, welche sich vom Aussehen her deutlich von den gesägten Zellen unterscheidet. Unter anderem ist die Oberfläche der Zellen welliger. Dieses Verfahren wird auch Bandzieh- oder Octagon-Verfahren genannt.

String-Ribbon

Weiterhin gibt es noch ein Verfahren der US-amerikanischen Firma Evergreen Solar, bei dem die Wafer zwischen zwei Fäden direkt aus der Silizium-Schmelze gezogen werden. Hierbei entsteht weniger Abfall (wie Späne etc., die normalerweise direkt entsorgt werden) als bei den herkömmlichen Verfahren.

Schichttransfer-Verfahren

Beim Schichttransfer-Verfahren wird eine nur ca. 20 µm dünne Schicht aus einkristallinem Silizium direkt flach auf einem Substrat gezüchtet. Als Trägermaterial eignen sich keramische Substrate oder auch speziell oberflächenbehandeltes Silizium, wodurch das Ablösen des entstandenen Wafers und die Wiederverwendung des Trägers gegeben ist. Die Vorteile dieser Verfahren sind der deutlich geringere Siliziumbedarf durch die geringe Dicke und der Wegfall der Sägeverluste. Der Sägevorgang als zusätzlicher Prozessschritt entfällt. Der erreichbare Wirkungsgrad ist hoch und liegt im Bereich von monokristallinen Zellen.

Waferherstellung

Die jeweiligen Säulen werden nun mit einem Drahtsägeverfahren in Scheiben, die sogenannten Wafer, gesägt. Dabei entsteht aus einem großen Teil des Siliziums Sägestaub, der derzeit nicht mehr verwendbar ist. Die Dicke der entstehenden Scheiben liegt bei circa 0,18 bis 0,28 mm.

Eine weitere Quelle für Wafer war früher der Ausschuss an Rohlingen für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen der Halbleiterfertigung. Sind die Rohlinge dort zur Weiterverarbeitung nicht geeignet, können sie teilweise noch als Solarzelle verwendet werden. Mit den heutigen (2005) Herstellungsverfahren und dem enorm gestiegenen Bedarf der Solarindustrie hat die Verwendung von Ausschuss heute keine Bedeutung mehr.

Die monokristallinen Zellen zeichnen sich durch eine homogene Oberfläche aus, während bei den multikristallinen Zellen gut die einzelnen Zonen mit verschiedener Kristallorientierung unterschieden werden können. Sie bilden ein eisblumenartiges Muster auf der Oberfläche. Zu diesem Zeitpunkt sind Vorder- und Rückseite der Zelle noch nicht festgelegt.

Waferprozessierung

Die gesägten Wafer durchlaufen nun noch mehrere chemische Bäder, um Sägeschäden zu beheben und eine Oberfläche auszubilden, die geeignet ist, Licht einzufangen. Hier gibt es verschiedene, herstellerspezifische Konzepte.

Im Normalfall sind die Wafer schon mit einer Grunddotierung mit Bor versehen. Diese bewirkt, dass es überschüssige freie Löcher (positive Ladungen) gibt, das heißt, es können Elektronen eingefangen werden. Dies wird auch p-Dotierung genannt. Auf dem Weg zur fertigen Solarzelle mit p-n-Übergang muss nun die Oberfläche noch eine n-Dotierung bekommen, was durch Prozessierung der Zelle in einem Ofen in einer Phosphor-Atmosphäre geschieht. Die Phosphoratome schaffen eine Zone mit Elektronenüberschuss auf der Zelloberfläche, die etwa 1 µm tief ist.

Als nächster Schritt werden die Zellen mit einer transparenten Deckelektrode aus SiNx oder TiO2 versehen.

Danach erfolgt die Bedruckung der Zelle mit den notwendigen Lötzonen und der Struktur, welche für den besseren Abgriff des generierten elektrischen Stroms sorgt. Die Vorderseite erhält meist zwei breitere Streifen, auf denen später die Bändchen zum Verbinden mehrerer Zellen befestigt werden. Außerdem wird ein sehr dünnes, elektrisch gut leitendes Raster aufgebracht, was einerseits den Lichteinfall so wenig wie möglich behindern und andererseits den ohmschen Widerstand der Deckelektrode verringern soll. Die Rückseite wird meist vollflächig mit einem gut leitenden Material beschichtet.

Nach der Prozessierung werden die Zellen nach optischen und elektrischen Merkmalen klassifiziert, sortiert und für die Fertigung von Solarmodulen zusammengestellt.

Andere Solarzellentypen

Dünnschichtzellen

Dünnschichtzellen gibt es in verschiedenen Variationen, je nach Substrat und aufgedampften Materialien. Die Palette der physischen Eigenschaften und die Spannweite der Wirkungsgrade ist entsprechend groß. Dünnschichtzellen unterscheiden sich von den traditionellen Solarzellen vor allem in ihrer Produktion, es gibt jedoch auch physikalische Differenzen, anderes Verhalten und eine erst wenig bekannte Theorie für die Funktionsabläufe.

Direkte Halbleiter absorbieren Sonnenlicht bereits in Schichtdicken von nur 10µm. Verglichen mit traditionellen Solarzellen aus indirekten Halbleitern sind Zellen aus direkten Halbleitern wesentlich dünner. Diese Dünnschichtzellen werden meist durch Abscheiden aus der Gasphase direkt auf einem Trägermaterial aufgebracht. Dies kann Glas, Metallblech, Kunststoff oder auch ein anderes Material sein. Der aufwändige, im vorigen Kapitel beschriebene Prozess des Zerschneiden von Siliziumblöcken kann also umgangen werden. Mögliche Materialien für Dünnschichtzellen sind amorphes Silizium (a-Si:H), mikrokristallines Silizium (µc-Si:H), Gallium-Arsenid (GaAs), Cadmium-Tellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-(Gallium)-Schwefel-Selen-Verbindungen, sogenannte CIS-Zellen bzw. CIGS-Zellen, wobei hier S für Schwefel oder Selen stehen kann, je nach Zelltyp.

Dünnschichtmodule sollten präzise für deren jeweilige Anwendung ausgewählt werden. Für die Produktion von Strom im großen Stil ist ein hoher Wirkungsgrad erwünscht; auch dafür gibt es mittlerweilen Dünschichtmodule. Wirkungsgrade im Bereich von 20% (19,2 % mit CIS-Solarzellen, siehe 1 (Januar 2006)) sind durchaus möglich. CIS-Dünnfilmmodule erreichen inzwischen die gleichen Wirkungsgrade wie Module aus multikristallinem Silizium (11-12 %, siehe 2). Outdoor-Tests zeigen stabile Wirkungsgrade über mehr als zehn Jahre.

Eine der Stärken der Dünnschichtmodule besteht darin, dass sie nicht auf ein rigides Substrat wie Glas oder Alu angewiesen sind. Bei aufrollbaren Solarzellen für den Wanderrucksack oder eingenäht in Kleider wird ein tieferer Wirkungsgrad in Kauf genommen; der Gewichtsfaktor ist wichtiger als die optimale Lichtumwandlung.

Eine weitere Stärke der Dünnschichtmodulen ist, dass sie einfacher und grossflächiger produziert werden können. Ein Beispiel eines solchen Produktionsverfahrens ist CSG, „Crystalline Silicon on Glass“; es vereint die Vorteile von kristallinem Silizium als Zellenmaterial mit den geringen Kosten der Dünnfilmtechnik. Dabei wird eine weniger als zwei Mikrometer dünne Siliziumschicht direkt auf einen Glasträger aufgebracht; die kristalline Struktur wird nach einer Wärmebehandlung erreicht. Das Aufbringen der Stromführung erfolgt mittels Laser- und Tintenstrahldrucktechnik. Derzeit (2005) ist in Deutschland eine Fabrikationsanlage im Bau. Die Auslieferung der ersten Module wird für 2006 erwartet. (Quelle: CSG Solar)

Konzentratorzellen

Bei diesem Zellentyp wird Halbleiterfläche eingespart, indem das Sonnenlicht auf einen kleinen Bereich konzentriert wird. Dies erreicht man gewöhnlich durch Linsen, die im Vergleich zu Halbleitern sehr billig in der Herstellung sind. Häufig verwendete Materialien für Konzentratorsolarzellen sind III-V-Halbleiter, häufig in Tandem- oder Dreischicht-Bauweise. Konzentratorsolarzellen benötigen darüber hinaus wegen der Optik eine mechanische Nachführung an den Sonnenstand.

Elektrochemische Farbstoff-Solarzelle

Dieser Zelltyp ist auch bekannt als Grätzel-Zelle. Bei diesem Zelltyp wird der Strom anders als bei den bisher aufgeführten Zellen über die Lichtabsorption eines Farbstoffes gewonnen; als Halbleiter kommt Titandioxid zum Einsatz. Als Farbstoffe werden hauptsächlich Komplexe des seltenen Metalls Ruthenium verwendet, zu Demonstrationszwecken können aber selbst organische Farbstoffe, zum Beispiel der Blattfarbstoff Chlorophyll oder Anthocyane (aus Brombeeren) als Lichtakzeptor verwendet werden. (Diese besitzen aber nur eine geringe Lebensdauer.) Die Funktionsweise der Zelle ist noch nicht im Detail geklärt; die kommerzielle Anwendung gilt als recht sicher, ist aber produktionstechnisch noch nicht in Sicht.

Fluoreszenz-Zelle

Hierbei handelt es sich um Solarzellen, die zunächst in einer Platte durch Fluoreszenz Licht geringerer Wellenlänge erzeugen, um dieses an den Plattenkanten zu wandeln.

Geschichte

Hauptartikel: Geschichte der Fotovoltaik

Schon 1839 erkannte Alexandre Edmond Becquerel, dass eine Batterie, die von der Sonne beschienen wird, eine größere Leistung hervorbrachte als eine ohne Sonnenbestrahlung. Er nutzte den Potentialunterschied (Säurebad mit belichtetem und unbelichtetem Teil) zwischen einer verdunkelten und einer belichteten Seite einer chemischen Lösung, in die er zwei Platinelektroden eintauchte. Als er nun diese Konstruktion in die Sonne stellte, beobachtete er, dass ein Strom zwischen den zwei Elektroden entstand. So entdeckte er den photovoltaischen Effekt, konnte ihn allerdings noch nicht erklären. 1904 entdeckte der deutsche Physiker Philipp Lenard, dass Lichtstrahlen beim Auftreffen auf bestimmte Metalle Elektronen aus deren Oberfläche herauslösen, und lieferte damit die ersten Erklärungen für den Photoeffekt. Doch er wusste noch nicht genau, warum und bei welchen Metallen dies geschieht. Dennoch erhielt er für seine Entdeckung 1905 den Physiknobelpreis. Den endgültigen Durchbruch schaffte 1905 Albert Einstein, als er mit Hilfe der Quantentheorie die gleichzeitige Existenz des Lichtes sowohl als Welle als auch als Teilchen erklären konnte. Bis dahin glaubte man, dass Licht nur als eine Energie mit unterschiedlicher Wellenlänge auftritt. Doch Einstein stellte in seinen Versuchen, die Photovoltaik zu erklären, fest, dass sich Licht in manchen Situationen genauso wie ein Teilchen verhält, und dass die Energie jedes Lichtteilchens oder Photons nur von der Wellenlänge des Lichts abhängt. Er beschrieb das Licht als eine Ansammlung von Geschossen, die auf das Metall treffen. Wenn diese Geschosse genügend Energie besitzen, wird ein freies Elektron, das sich im Metall befindet und von einem Photon getroffen wird, vom Metall gelöst. Außerdem entdeckte er, dass die maximale Energie, die abgegeben wird, von der Intensität des Lichtes unabhängig ist, und nur von der Energie abhängt, die ein auftreffendes Photon abgibt. Diese Energie hängt wiederum nur von der Wellenlänge und der Frequenz des Lichtes ab. Für seine Arbeit zur Photovoltaik erhielt er 1921 den Nobelpreis für Physik.

Die Entdeckung des p-n-Übergangs im Jahre 1949 durch William B. Shockley, Walther H. Brattain und John Bardeen war ein weiterer großer Schritt zur Solarzelle in ihrer heutigen Form. Nach diesen Entdeckungen stand dem Bau einer Solarzelle in ihrer heutigen Form nichts mehr entgegen. Es ist jedoch einem glücklichen Zufall zu verdanken, dass diese erste Solarzelle 1954 in den Laboratorien der amerikanischen Firma Bell gebaut wurde. Die Mitarbeiter der Firma beobachteten, als sie einen Gleichrichter, der mit Hilfe von Silizium arbeitete, untersuchten, dass dieser mehr Strom lieferte, wenn er in der Sonne stand, als wenn er zugedeckt war. Die Firma Bell entwickelte so die ersten Solarzellen. Diese hatten allerdings nur einen Wirkungsgrad von 4 bis 6 Prozent.
1958 wurden erstmals Solarzellen auf Satelliten getestet. Die dort erzielten Ergebnisse waren grandios – bis heute werden Raumflugkörper bis jenseits des Mars durch Solarzellen mit Strom versorgt. Es wurden Wirkungsgrade bis 10,5 % berechnet. Diese Ergebnisse waren jedoch nicht auf die Verhältnisse auf der Erdoberfläche übertragbar, da im Weltraum die natürliche Sonnenstrahlung keinen Tag-Nacht-Rhythmen und keiner Absorption durch Wolkendecken und Atmosphäre unterliegt. Andererseits führen die extremen Strahlungsverhältnisse im Weltraum zu einer stärkeren Degradation der Solarzellen, als es auf der Erde der Fall ist. Seither versuchen Industrie und Forschung, immer größere Wirkungsgrade zu erreichen und zugleich die Degradation und Strahlungsresistenz zu verbessern.
Der theoretische Wirkungsgrad für Silizium-Solarzellen liegt bei 29 % für die Strahlungsverhältnisse in mittleren Breiten. Zu den Wirkungsgraden siehe auch technische Merkmale.

Bis gegen Ende der 1990er Jahre waren Zellen mit etwa 100 mm Kantenlänge (im Fachjargon auch Vier-Zoll-Zellen genannt) die üblichste Baugröße. Danach wurden auch Fünf-Zoll-Zellen verstärkt eingeführt, und seit etwa 2002 sind auch Sechs-Zoll-Zellen (Kantenlänge etwa 150 mm) für Standardmodule eine gängige Größe.

Formen und Größen

Zu Beginn der Kommerzialisierung der Solartechnik wurden häufig runde Zellen eingesetzt, deren Ursprung von den meist runden Siliziumsäulen der Computerindustrie herrührt. Inzwischen ist diese Zellenform relativ selten, und es werden quadratische Zellen oder fast quadratische mit mehr oder weniger abgeschrägten Ecken eingesetzt. Als Standardformate werden derzeit Wafer mit einer Kantenlänge von 125 und 156 mm prozessiert; künftig sollen aber auch Zellen mit einer Kantenlänge von 210 mm Bedeutung erlangen.

Durch Sägen der fertig prozessierten Zellen entstehen für spezielle Anwendungen im Kleingerätebereich auch Zellen mit kleineren Kantenlängen. Sie liefern annähernd die gleiche Spannung wie die großen Zellen, jedoch entsprechend der kleineren Fläche einen kleineren Strom.

Im EFG-Verfahren werden auch Zellen hergestellt, bei denen die Seiten des entstehenden Rechtecks nicht die gleichen Längen haben.

Degradation

Degradation wird die alterungsbedingte Änderung der Parameter von Halbleiterbauteilen verstanden – in diesem Fall der Rückgang des Wirkungsgrades von Solarzellen im Laufe ihres Lebens.

Zeitlich betrachtet man hierbei einen Zeitraum von bis zu 20 Jahren. Der Verlust an Wirkungsgrad liegt etwa im Bereich von 10 % in diesem Zeitraum (20 Jahre). Solarzellen im Weltraum altern wesentlich schneller, da sie einer höheren Strahlung ausgesetzt sind.

Oft geben die Hersteller von Solarzellen eine Mindestgarantie von 80 – 85 % (Peak-Leistung) auf ihre Produkte nach 20 Jahren. Ausgehend von einem Wirkungsgrad von ca. 12 – 17 % (kristalline Zellen) ergeben sich also selbst nach langer Laufzeit (Betrieb) recht maßvolle Verluste, welche die/den Installation/Langzeiteinsatz einer Solaranlage rechtfertigen.

Besonders hohe Degradationsraten sind allerdings im Bereich der amorphen Solarzellen im ersten Betriebsjahr zu erwarten. Ebenso sind geringere Betriebsdauern (Einsatzjahre) zu erwarten. Gerechtfertigt wird ihre Produktion aber durch die recht geringen Kosten der Herstellung.

Technische Merkmale

Die Kenngrößen einer Solarzelle werden für normierte Bedingungen (STC, Standard Test Conditions) angegeben:

* Einstrahlungstärke von 1000 W/m2 in Modulebene,
* Temperatur der Solarzelle 25 °C konstant,
* Strahlungspektrum AM 1,5 global; DIN EN 61215, IEC 1215, DIN EN 60904, IEC 904).

Hierbei steht AM 1,5 global für den Begriff Air Mass, die 1,5 dafür, dass die Sonnenstrahlen hierbei das 1,5-fache der Atmosphärenhöhe durchlaufen, weil sie schräg auftreffen. Dies entspricht sehr gut den sommerlichen Gegebenheiten in Mitteleuropa von Norditalien bis Mittelschweden. Im Winter steht die Sonne in unseren Breiten erheblich tiefer, und ein Wert von AM 4 bis AM 6 ist hier realistischer.

Durch die Absorption in der Atmosphäre verschiebt sich auch das Spektrum des auf das Modul treffenden Lichtes. „Global“ steht für Globalstrahlung, die sich aus dem Diffus- und dem Direktstrahlungsanteil der Sonne zusammensetzt.

Hierbei ist zu beachten, dass in der Realität insbesondere die Zellentemperatur bei einer solchen Einstrahlung, die in Deutschland im Sommer zur Mittagszeit erreicht wird, bei normalem Betrieb wesentlich höher liegt (je nach Anbringung, Windanströmung etc. kann sie zwischen etwa 30 und 60 °C liegen). Eine erhöhte Zellentemperatur bedeutet aber gleichzeitig einen herabgesetzten Wirkungsgrad der Solarzelle. Aus diesem Grund wurde auch eine weitere Bezugsgröße geschaffen, PNOCT, die Leistung bei normaler Betriebstemperatur (normal operating cell temperature).
Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzelle, beleuchtet und unbeleuchtet
vergrößern
Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzelle, beleuchtet und unbeleuchtet

Gebräuchliche Abkürzungen für die Bezeichnungen sind

* SC: Short Circuit – Kurzschluss
* OC: Open Circuit – Leerlauf
* MPP: Maximum Power Point – Betriebspunkt maximaler Leistung
* PR: Performance Ratio Qualitätsfaktor gibt an, welcher Teil des vom Solargenerators erzeugten Stromertrages(unter Nennbedingungen) real zur Verfügung stehen.

Die Kennwerte einer Solarzelle sind

* Leerlaufspannung UOC (auch VOC)
* Kurzschlussstrom ISC
* Spannung im bestmöglichen Betriebspunkt UMPP (auch VMPP)
* Strom im Betriebspunkt mit maximaler Leistung IMPP
* Maximale erzielbare LeistungPMPP
* Füllfaktor FF = \frac{\rm P_{MPP}}{U_{\rm OC}\cdot I_{\rm SC}}
* Koeffizient für die Leistungsänderung mit der Zelltemperatur
* Zellwirkungsgrad \eta = \frac{P_{\rm MPP}}{A\cdot P_{\rm opt}} mit der bestrahlten Fläche A und der Bestrahlungsstärke Popt

Solarzellen können also eine Leistung von sehr grob 160 W/m² abgeben. Eingebaut in ein Modul ist die Leistung pro Fläche geringer, da zwischen den Zellen und zum Modulrand Abstände vorhanden sind.

Wirkungsgrade kommerziell erhältlicher Zellen gehen bis knapp über 20 Prozent (siehe Tabelle). Damit hergestellte Solarmodule erreichen bis etwa 17 Prozent Wirkungsgrad. Der Rekord für im Labor hergestellte Silizium-Solarzellen liegt bei 24,7 Prozent (University of New South Wales, Australien), mit denen Module mit über 22 Prozent Wirkungsgrad hergestellt wurden. Der Preis für diese im Zonenschmelzverfahren hergestellten Zellen liegt bei etwa 200 Euro pro Zelle bei einer Zellfläche von 21,6 cm2, entsprechend einem Preis von 5-10 EUR/W. Für GaAs-Systeme beträgt er das fünf- bis zehnfache.

Die Degradation des Wirkungsgrades (Alterungsverhalten) liegt bei ca. 10 Prozent in 25 Jahren. Hersteller geben beispielsweise Garantien auf mindestens 80 Prozent der Peak-Leistung nach 20 Jahren.

Im Weltraum ist einerseits die Solarkonstante größer als die Globalstrahlung auf der Erde, andererseits altern die Solarzellen schneller. Solarpanele für Satelliten erreichen zur Zeit (2005) einen Wirkungsgrad von fast 25 % bei einer Betriebszeit von 15 Jahren.

 

energie-visions.de © 2016 Frontier Theme