Solarzellen

Bei einer Solarzelle besteht aus einer etwa 10 × 10 cm große Siliziumfläche, die analog zur Halbleiter-Diode zwei unterschiedlich dotierte Schichten (n- und p-Schicht) besitzt. Durch ein internes elektrisches Feld werden die Ladungspaare getrennt. An der Grenzschicht zwischen der n-Schicht und der p-Schicht entsteht ein Gleichgewichtszustand, bei dem zwischen den Raumladungen eine Diffusionsspannung herrscht. Beide Schichten werden mit Leitern verbunden, über die die Gleichspannung an der Solarzelle abgegriffen werden kann.

An der unteren Fläche befindet sich eine durchgehende Metallschicht. Die Oberfläche ist mit einer "Antireflexschicht" versehen, die dafür sorgt, dass möglichst viel Licht in den Halbleiter eindringt. Er verleiht der Solarzelle das typische dunkel- bis schwarzblaue Aussehen, ein Zeichen dafür, dass wenig Licht reflektiert wird.

Da der größte Teil der Strahlungsenergie der Sonne durch Licht des Wellenlängenbereichs zwischen 0,3 mm und 1,4 mm transportiert wird, können wesentliche Teile des Sonnenspektrums durch die Siliziumsolarzelle genutzt werden. Da durch Wolken der infrarote Bereich des Sonnenspektrums sehr viel weniger als der sichtbare Bereich geschwächt wird, erzeugen Siliziumsolarzellen auch noch bei leicht bedecktem Himmel elektrische Energie.

Derzeit werden weltweit drei Typen von Solarzellen hergestellt:

• Monokristalline Zellen sind am aufwendigsten in der Produktion, weisen aber auch den höchsten Wirkungsgrad mit Werten von 12 bis 16 % auf. Im Laborbetrieb wird bereits ein Wirkungsgrad von 24 % erzielt.
  
• Polykristalline Zellen wandeln die eingestrahlte Energie zu etwa 11 bis 14 % in Strom um.
  
• Bei amorphen Zellen wird das Halbleitermaterial in einer Dicke von nur einem tausendstel Millimeter auf das Trägermaterial aus Glas oder Kunststoff aufgedampft. Sie sind am billigsten in der Herstellung, können allerdings nur einen geringen Teil der eingestrahlten Sonnenenergie umsetzen. Ihr Wirkungsgrad liegt zwischen 2 und 6 %, der Rest der eingestrahlten Energie wird, wie auch bei den beiden anderen Typen, als Verlust in Form von Wärmestrahlung und Konvektion an die Umgebung abgegeben.

Der Rohstoff für die Produktion von Siliziumsolarzellen ist Quarz. Für die meisten Siliziumzellen werden aus der Quarzschmelze zylinderförmige Einkristalle gezogen. Der theoretisch erreichbare Maximalwirkungsgrad liegt für Siliziumzellen bei 40 %; dies hat mit der Tatsache zu tun, dass Sonnenstrahlen im energiearmen Infrarot- und Rotbereich keinen photovoltaischen Effekt bewirken können.

Da der Großteil der Solarmodule in "Inselanlagen" zum Laden von Batterien verwendet wird, hat man die Module auf diese Betriebsart optimiert und normalerweise 36 Zellen in Serie geschaltet.

Polykristalline Module enthalten bis zu 40 Zellen (Leerlaufspannung 20 V), monokristalline Module bis zu 36 Zellen (Leerlaufspannung 15 V). Da bei Erwärmung eines Moduls die Spannung absinkt und bei abnehmender Helligkeit die Stromstärke und die Spannung abnehmen, muss diese Spannungsreserve geschaffen werden, um eine Batteriespannung von 12 Volt keinesfalls zu unterschreiten.

Dem theoretischen Modell kommt die monokristalline Solarzelle am nächsten: sie besteht tatsächlich aus einem einzigen Kristall mit zwei Schichten.

Das Ausgangsmaterial für die Herstellung sind riesige gezüchtete Silizium-Einkristalle von etwa 10 cm Kantenlänge. Deshalb haben Solarzellen das Format 10 × 10 cm, wobei bei monokristallinen Zellen die Ecken abgerundet sind, weil diese Zellen aus runden Scheiben mit 12,7 cm (5") Durchmesser herausgesägt sind. Sie werden in hauchdünne Scheiben gesägt und anschliessend dotiert und kontaktiert. Auf der Zellenvorderseite befindet sich ein fingerförmiger Metallkontakt, auf der Rückseite ein ganzflächiger oder ebenfalls gitterförmiger Metallkontakt. Die Dicke der Zellen liegt zwischen 400 und 600 µm.

Bei kristallinen Solarmodulen beträgt der relativ große Materialeinsatz etwa 250 g Silizium pro 0,5 m2 Modulfläche. Monokristalline Solarzellen erreichen relativ hohe Wirkungsgrade von 15 - 22 %.

Sie haben aber zwei Nachteile: erstens den hohen Preis, zweitens die hohe energetische Rückzahldauer. Dies ist die Zeit, während der die Solarzelle Strom produzieren muss, bis sie die für ihre Herstellung verbrauchte Energie wieder zurückgewonnen hat. Für monokristalline Module liegt die energetische Rückzahldauer bei maximal sieben Jahren. Trotz dieser Nachteile sind die Zellen für anspruchsvollere Anwendungen, etwa für Solarmobile, bestens geeignet.

Polykristalline Solarzellen ähneln in ihrem Aufbau den monokristallinen, bestehen aber aus vielen Kristallen. Auch sie werden aus Kristallblöcken gesägt, diese sind jedoch gegossen und daher heterogen. Die Schwierigkeiten bei der Herstellung der grossen Einkristalle entfallen und die Produktion des gegossenen Siliziums ist wesentlich billiger.

Für die Herstellung von Solarzellen aus polykristallinem Silizium wird Silizium in Würfeln von 20 cm Kantenlänge unter Vakuum gegossen. Durch geeignetes Abkühlen der Würfel nach dem Gießen erreicht man, dass sich relativ große Kristallite von einigen Millimetern bis einigen Zentimetern Durchmesser bilden. Sie sind so ausgerichtet, dass man diese polykristallinen Solarzellen als Parallelschaltung vieler monokristalliner Solarzellen auffassen kann. Diese Würfel werden dann in Säulen mit 10 × 10 cm Querschnitt aufgeteilt und mit Spezialsägen in Scheiben zerteilt.

Die Wirkungsgrade polykristalliner Zellen liegen mit 11 - 15 % etwas tiefer, was sich allerdings preislich ausbezahlt. Für die Herstellung wird bedeutend weniger Energie benötigt. Solarex, führender Hersteller polykristalliner Module, recycelt für die Herstellung ausserdem Siliziumabfälle aus der Halbleiterindustrie.

Als besonders aussichtsreiche Alternative zur konventionellen kristallinen Siliziumtechnologie wird die Fertigung amorpher Siliziumdünnschichtsolarzellen angesehen. Diese sind grundsätzlich anders aufgebaut. Das Silizium liegt hier nicht in kristalliner Form vor, dennoch zeigt es dieselben Eigenschaften wie kristallines Silizium. Das Material wird beim Herstellungsprozess auf eine Trägerplatte aus Glas aufgedampft. Dieser Vorgang ist sehr energiesparend. Zwar sind die Wirkungsgrade mit 5 - 10 % erheblich tiefer als bei kristallinen Modulen, der Strompreis ist jedoch günstiger.

Für Solaranlagen werden amorphe Module bisher selten verwendet. Dies mag daran liegen, dass die aus den Achtzigern stammende Technik noch relativ jung ist. Zu Beginn hatten einige Hersteller Probleme mit der Haltbarkeit ihrer Module; es waren Leistungsabfälle zu verzeichnen. Inzwischen sind auch amorphe Module mit einer 10-Jahres-Leistungsgarantie erhältlich. In grossem Umfang kommen amorphe Zellen jedoch in Taschenrechnern, Armbanduhren und Kleingeräten zum Einsatz.

Die Vorteile der Dünnschichttechnologie sind:

• geringer Materialverbrauch durch hauchdünne (0,3 µm) aufgedampfte Schichten mit einem Materialbedarf von nur 0,6 g Silizium pro 0,5 m2 Modulfläche
  
• Großflächentechnologie mit hoher Produktionsautomatisierung
  
• billige Glasplatten als Trägermaterial
  
• hohe Flexibilität bei der Gestaltung neuer Solarprodukte, auch auf transparenten und/oder gekrümmten Flächen

Als aktives Material wird bevorzugt hydrogenisiertes amorphes Silizium (a-Si:H) eingesetzt. Durch einen mehrstufigen Abschneideprozess werden mit Hilfe von Maskentechnik und Laserschneideverfahren amorphe Siliziumdünnschichtzellen integriert zu großflächigen Dünnschichtsolarmodulen in einem kostengünstigen, kontinuierlichen Produktionsverfahren hergestellt.

Mit Solarzellen aus amorphem Silizium erreicht man Stromdichten von 15 mA/cm2 und Leerlaufspannungen von 0,8 Volt. Bei mono- und polykristallinem Silizium liegen die Leerlaufspannungen bei nur 0,43 bis 0,5 Volt.

Der Rohstoff für die Siliziumproduktion ist Quarz. Quarz, der Rohstoff des Computerzeitalters, ist praktisch unbegrenzt verfügbar; etwa 1/3 der Erdrinde besteht aus Silizium in oxidischer Bindung. Der in den Quarzmolekülen gebundene Sauerstoff wird bei hohen Temperaturen chemisch umgewandelt, übrig bleibt der Halbleiter Silizium.

In einem Tiegel aus reinstem Quarzglas wird polykristallines Reinstsilizium geschmolzen. Die Schmelztemperatur von Silizium liegt bei 1'420 C. Nach dem Einschmelzen wird ein Siliziumimpfkristall mit der Schmelzoberfläche in Berührung gebracht.

Der Einkristall ist auf einem senkrecht verschiebbaren, sich drehenden Halter befestigt. Das Silizium erstarrt am Ende des Impfkristalls, der Impfkristall wächst immer weiter mit einer Geschwindigkeit von einigen Zentimetern pro Stunde. Durch langsames Drehen und Herausziehen aus der Schmelze entstehen zylinderförmige Einkristalle mit einem Durchmesser bis zu 200 mm und einem Gewicht bis zu 70 kg.

Solarmodule können unterschiedlich geschaltet werden. Solarzellen mit gleichen Eigenschaften können hintereinander (d.h. seriell) geschaltet werden. In diesem Fall addieren sich die Spannungen, die Ausgangsstromstärke entspricht der einer einzigen Zelle.

Werden gleiche Solarzellen parallel geschaltet, so ist die Ausgangsstromstärke gleich der Summe der einzelnen Ausgangsstromstärken, die Ausgangsspannung entspricht der einer einzigen Solarzelle.

Gleiche Solarzellen können aber auch kombiniert sowohl in Serie als auch parallel geschaltet werden. In diesem Fall addieren sich sowohl Spannung als auch Stromstärke.

Für größere Leistungen werden mehrere Solarmodule zu Solargeneratoren zusammengeschaltet. Bei größeren Anlagen muss eine Bypassdiode die Zerstörung einzelner Module durch so genannte Hot-Spots verhindern.

Wird bei Serienschaltung mehrerer Module ein Modul durch ein Objekt beschattet, so speisen alle übrigen Module das abgeschattete Modul in Rückwärtsrichtung. Dieses Modul arbeitet jetzt als Verbraucher und kann durch den hindurchfließenden Strom übermäßig erwärmt und dadurch zerstört werden.

So eine Schutzeinrichtung vor Hot-Spots kann durch Bypassdioden - sie werden parallel zu einer bestimmten Anzahl von Solarzellen geschaltet - realisiert werden. Wird nun eine Zelle oder ein Modul beschattet, so fließt der Strom durch die Bypassdiode. Im Normalfall ist die Bypassdiode funktionslos.

Die Leistung eines Moduls wird in Watt angegeben und bezieht sich auf einen bestimmten Tageslicht-Helligkeitswert (1'000 W/m2), eine bestimmte Zellentemperatur (25 C) und ein bestimmtes Spektrum (AM 1,5).

Die Leistungsangabe ist jedoch nicht eindeutig, da die Leistung das Produkt aus Spannung und Stromstärke ist: P = U × I.

Liefert ein Modul eine Spannung von 20 V bei einem Strom von 2,25 A, so ist bei Akkubetrieb der Nutzeffekt geringer gegenüber einer Spannung von 15 V bei einem Strom von 3 A, obwohl in beiden Fällen die Leistung 45 Watt beträgt.

Im zweiten Fall ist der in eine Batterie eingespeiste Strom um 33 % größer.
Ein Standardmodul für gemäßigtes Klima ist monokristallin, besteht aus 36 Zellen und liefert 2,4 A bei 14,6 V und bringt eine Leistung von 50 Watt.