Funktionsprinzip der Photovoltaik

Die heute auf dem Markt erhältlichen Solarzellen sind aus Silizium hergestellt. Silizium ist als Rohstoff auf der Erde in beliebigen Mengen billig verfügbar und findet als Halbleiter in der Elektronik breite Anwendung. Für die Herstellung der Solarzellen benötigt man jedoch hochreines Silizium; der Reinigungsprozess ist aufwendig und treibt die Kosten in die Höhe.

Eine Solarzelle besteht im Prinzip aus zwei kristallinen Siliziumschichten. Diese Schichten werden positiv bzw. negativ dotiert, das bedeutet mit einer genau festgelegten Anzahl Fremdatome gezielt "verunreinigt".

Für die positive Dotierung verwendet man Bor, für die negative Phosphor. So entstehen eine positiv und eine negativ geladene Schicht und dazwischen ein sogenannter p-n-Übergang. Treffen nun energiereiche Photonen des Sonnenlichts auf Siliziumatome im Grenzbereich der Schichten, dann lösen sie damit Elektronen aus der Si-Elektronenhülle aus ihrer Bindung und bewirken eine Teilung der Ladungsträger: die Elektronen springen in die n-Zone, in der p-Zone entsteht ein "Loch". Dieser Vorgang heisst photovoltaischer Effekt.

Am positiven und negativen Pol der Zelle, die mit den entsprechenden Schichten verbunden sind, lassen sich die geteilten Ladungen in Form von elektrischem Gleichstrom abzapfen.

Die maximale Spannung beträgt dabei pro Zelle immer etwa 0.6 Volt; sie gilt für unendlichen Lastwiderstand und heisst daher auch Leerlaufspannung (ohne Strom). Die maximale Stromstärke gilt bei Kurzschluss, der bei Solarzellen erlaubt ist, und heisst Kurzschlussstrom (ohne Spannung). Zwischen diesen beiden extremen Betriebszuständen gibt es ein Leistungsoptimum, auch als Pmax oder MPP (Maximum Power Point) bezeichnet.

Bei der Kennlinie einer Solarzelle, wird Pmax durch die maximale Rechtecksfläche dargestellt.

Die Leistung einer Solarzelle ist übrigens von der Zelltemperatur abhängig: je höher die Temperatur, desto geringer der Ertrag. Eine gute Luftkühlung ist also wichtig. Findige Köpfe experimentieren bereits mit kombinierten Kollektor-Zellen: dies sind Solarzellen, die mit Wasser gekühlt werden und so auch gleich Warmwasser produzieren.

Von den revolutionären neuen Solarzellen, welche in der Presse regelmässig angekündigt werden, ist bisher leider noch keine einzige auf dem Markt erhältlich. Dennoch gibt es hoffnungsvolle Ansätze, die eines Tages wahrscheinlich zu Resultaten führen werden.

Im Gerede sind unter anderem die Zellen von Prof. Grätzel an der ETH Lausanne. Diese Zellen bestehen nicht mehr aus Silizium, sondern aus dem billigen Farbstoff Titandioxid und einer Jodlösung, eingeschlossen zwischen zwei Glasplatten. Sie werden aber bisher noch nicht industriell gefertigt. Mit der Grätzel-Zelle könnten die Kosten nach Schätzungen um vier Fünftel reduziert werden.

Andere Ansätze sind oder waren im Gespräch, beispielsweise Solarzellen aus billigen Rohsilizium-Kügelchen (Texas Instruments, Dallas).

Aus Australien schliesslich kommt die erfolgsversprechende Idee der mehrschichtigen Solarzelle. Sie ähnelt einer Überlagerung mehrerer amorpher Zellen und benötigt qualitativ weniger hochwertiges Silizium. Prof. Green an der University of N.S. Wales glaubt, diese Zellen eines Tages zu einem Zwanzigstel des Preises heutiger Zellen herstellen zu können. An der Universität Neuenburg gehen die Forschungen mit den "mikromorphen Zellen" von Prof. A. Shah in eine ähnliche Richtung.

Im allgemeinen sind Sensationsmeldungen über den "Durchbruch" der Photovoltaik aber mit Vorsicht zu geniessen. Denn die Solarzellen sind nicht alles: die anderen Teile einer Solaranlage sowie die Montage und Installation verursachen ebenfalls einen stolzen Anteil der Kosten.

Auf dem Weltmarkt haben sich die grossen Hersteller wie Solarex, Siemens Solar, BP Solar und Kyocera mit ihren qualitativ hochstehenden Solarmodulen einen Namen gemacht. Zur Bestärkung des Vertrauens in die neue Technologie sind für Solarmodule einmalig hohe Garantiefristen üblich: Solarex gewährte für seine MSX-Module als erster Hersteller 20 Jahre Leistungsgarantie (±10%). Für viele Module liegt der Standard bei zehn Jahren. Die Lebensdauer der Module wird allgemein vorsichtig auf etwa 30 Jahre geschätzt.