Die Solarzelle

Die Wandlung von Sonnenstrahlung in einen Fluss von Elektronen erfolgt in der Solarzelle, die aus einer dünnen Schicht aus Halbleitermaterial, meistens Silizium, besteht, das unterschiedlichen chemischen Prozessen, darunter der sogenannten "Dotierung", unterzogen wird.

Durch Einbringen von Verunreinigungen, d.h. von Bor- und Phosphoratomen, in die kristalline Struktur des Siliziums entsteht ein elektrisches Feld sowie die notwendige Raumladung zur Bildung von elektrischem Strom, der entsteht, wenn die Zelle, deren zwei Flächen an einen Verbraucher angeschlossen sind, dem Licht ausgesetz sind.

Die nutzbare Energie hängt von den Eigenschaften des für die Zelle verwendeten Materials ab: der Wirkungsgrad (Prozentanteil der in der Sonnenstrahlung enthaltenen Energie, die in elektrische, an den Klemmen verfügbare, Energie gewandelt wird) für die handelsüblichen Silizium-Zellen liegt in der Regel zwischen 13% und 17%, während spezielle Laborexemplare einen Wirkungsgrad von 32,5% erreicht haben.

Eine typische Solarzelle hat eine Gesamtdicke von 0,25 bis 0,35 mm und besteht aus mono- oder polykristallinem Silizium. Sie ist in der Regel quadratisch, verfügt über eine Fläche zwischen 100 und 225 mm² und erzeugt bei einer Strahlung von 1 kW/m² und einer Temperatur von 25°C elektrischen Strom in Höhe von 3 - 4 A und einer Spannung von ca. 0,5 V, bei einer entsprechenden Leistung von 1,5 - 2 Wp.

Das Watt peak

Da die Leistung einer Solarzelle je nach Temperatur und Strahlung unterschiedlich ist, wurden zu Vergleichszwecken Standardbedingungen als Bezugsgrößen festgelegt, die dem Watt peak (Wp) zugrunde liegen, das die Leistung der Zelle bei einer Temperatur von 25°C und bei einer Strahlung von 1.000 W/m² bei einer Luftmasse von AM1,5 angibt.

Neben dem kristallinen Silizium nimmt in letzter Zeit das Interesse mehrerer Herstellerunternehmen für Module mit amorphem Silizium zu. Im Fall von amorphem Silizium kann man eigentlich nicht von Zellen sprechen, da es sich um ungeordnete Siliziumatome handelt (in amorphem Zustand), die auf mitunter sehr große Flächen aufgedampft werden.

Das amorphe Silizium ist bereits seit einigen Jahren auf dem Markt, konnte sich aber bisher aufgrund der bestehenden Zweifel hinsichtlich seiner Degradierung, d.h. eines Leistungsrückgangs im Laufe der Jahre, keinen bedeutenden Marktanteil sichern. Aus diesem Grund wird das amorphe Silizium bis heute noch lediglich bei sogenannten Anwendungen "indoor" eingesetzt, d.h. zur Speisung kleinerer Geräte wie z.B. Taschenrechner, Uhren und anderer Kleingeräte.

Vor kurzem wurde eine Produktionstechnologie entwickelt, mit der mehrere Schichten aus amorphem Silizium hergestellt werden können, die sogenannte "Heteroverbindung", mit der die bisher bestehenden Degradierungsprobleme gelöst zu sein scheinen.

Das herkömmliche amorphe Silizium ist im Vergleich zum mono- oder polykristallinen Silizium weniger kostenaufwendig, da es im Gegensatz zum mono- oder polykristallinen Silizium ohne weitere Produktionsschritte direkt auf auf das Glas gedampft werden kann.

Die "Physik" der Photovoltaik

Die direkte Wandlung der Sonnenenergie in elektrische Energie mit Hilfe von Solarzellen basiert auf dem physischen Phänomen des photovoltaischen Effekts, das heißt auf der Wechselwirkung zwischen der Lichtstrahlung und den Valenzelektronen in Halbleitermaterialien. Welches Material auch immer verwendet wird, der Mechanismus, mit dem die Zelle das Sonnenlicht in elektrische Energie umsetzt, bleibt im Wesentlichen unverändert. Der Einfachheit halber nehmen wir als Beispiel eine herkömmliche Solarzelle aus kristallinem Silizium.

Ein Siliziumatom besitzt in der Regel 14 Elektronen, von denen vier Valenzelektronen sind und damit Wechselwirkungen mit anderen Atomen, sowohl von Silizium als auch von anderen Elementen, eingehen können. Zwei sich nebeneinander befindliche Atome eines reinen Siliziumkristalls haben ein Elektronenpaar gemein, von dem jedes Elektron zu jeweils einem der beiden Atome gehört.

Es besteht folglich eine starke elektrostatische Bindung zwischen einem Elektron und den beiden Atomen, zu deren Bindung es beiträgt. Diese Bindung kann durch das Einwirken von Energie gelöst werden. Bei ausreichender Energiezufuhr wird das Elektron auf einen höheren Energiezustand gehoben (Leitungsband), wo es sich frei bewegen kann und damit zu einem Elektrizitätsfluss beiträgt. Wenn das Elektron auf das Leitungsband übergeht, hinterlässt es ein "Loch", d.h. eine Lücke, in der ein Elektron fehlt. Das Nachbarelektron kann leicht in die Lücke rücken und an seiner Stelle wiederum eine Lücke hinterlassen.
Zur Nutzung der Elektrizität ist es notwendig, durch ein elektrisches Feld innerhalb der Zelle eine ständige Bewegung von Elektronen (und Lücken) zu schaffen, d.h. einen Fluss. Das Feld entsteht durch spezielle physische und chemische Behandlungen, durch die ein Überschuss an positiv geladenen Atomen in einem Teil des Halbleiters entsteht und ein Überschuss an negativ geladenen Atomen im anderen Teil. Dieser Zustand wird durch den Einbau geringer Mengen von (positiv geladenen) Boratomen und (negativ geladenen) Phosphoratomen in das Siliziumgitter erreicht, d.h. durch Dotierung des Halbleiters. Die elektrostatische Anziehungskraft, die zwischen den verschiedenen Atomarten entsteht, erzeugt ein ortsfestes elektrisches Feld, das der Zelle die sogenannte "Diodenstruktur" verleiht, in der die Bewegung des Flusses von freien Ladungsträgern wie Elektronen in eine Richtung behindert und in die andere Richtung gefördert wird. Die Entstehung dieses Phänomens kann an folgendem Beispiel erläutert werden.

In der Schicht, die mit Phosphor dotiert wurde, das fünf Außen- oder Valenzelektronen besitzt gegenüber den vier des Siliziums, liegt eine schwach gebundene negative Ladung vor, die sich aus einem Valenzelektron pro Phosphoratom ergibt.

Auf dieselbe Weise entsteht in einer Schicht, die mit Bor dotiert wurde, das drei Außenelektronen besitzt, eine überschüssige positive Ladung, die sich durch die in den Boratomen entstandenen Löcher ergibt, wenn diese Atome eine Bindung mit dem Silizium eingehen.

Die erste Schicht mit negativer Ladung wird mit n angegeben, die positiv geladene Schicht mit p, während man die Trennungszone als pn-Übergang bezeichnet. Durch Annähern der beiden Schichten entsteht ein Elektronenfluss vom n-Gebiet zum p-Gebiet, der bei Erreichung des elektrostatischen Gleichgewichts einen Überschuss an positiver Ladung im n-Gebiet erzeugt, da die Phosphoratome ein Elektron weniger besitzen, während im p-Gebiet eine negative Ladung vorliegt, die durch die vom n-Gebiet übergegangenen Elektronen entsteht. Auf diese Weise entsteht ein elektrisches Feld innerhalb der Vorrichtung, das die durch die Absorbierung von Licht entstandenen überschüssigen Elektronen von den jeweiligen Löchern trennt und beide in entgegengesetzte Richtungen treibt (die Elektronen zum n-Gebiet und die Löcher zum p-Gebiet), sodass ein externer Kreis den so entstandenen Strom aufnehmen kann.

Wichtig ist dabei, dass sich das "integrierte" Feld so nahe wie möglich bei der Vorrichtung befindet, die das Licht absorbiert. Die Lichtphotonen, die über ausreichende Energie verfügen, sind in der Lage, ein Elektron aus einer Bindung herauszureißen und es in einen freibeweglichen Zustand ins Leitungsband des Materials zu heben. Auf diese Weise entstehen zwei freie Ladungsträger: ein freibewegliches Elektron im Leitungsband und ein freies Loch im Valenzband.
Die von der Solarzelle erzeugte Wandlung von Licht in elektrische Energie erfolgt im Wesentlichen, weil diese freien Ladungsträger, die durch die Lichtenergie entstehen, vom integrierten Feld in entgegengesetzte Richtungen getrieben werden. Nach der Durchquerung des Feldes kehren die Elektronen nicht mehr zurück, da das Feld wie eine Diode wirkt und es ihnen unmöglich macht, die Bewegungsrichtung zu ändern.

Wenn also das Licht auf die Solarzelle auftrifft, werdend die positiven Ladungen verstärkt in den oberen Teil der Zelle gedrängt und die negativen Ladungen in den unteren Teil oder umgekehrt, je nach Art der Zelle. Sind der obere und der untere Teil durch einen Leiter verbunden, durchqueren ihn die freien Ladungsträger, wodurch elektrischer Strom entsteht. Solange die Zelle dem Sonnenlicht ausgesetzt ist, fließt die Elektrizität regelmäßig in Form von Gleichstrom.

Von der gesamten Energie, die als Lichtstrahlen auf die Zelle auftrifft wird nur ein Teil in an den Klemmen verfügbare elektrische Energie umgewandelt. Der Wirkungsgrad für die handelsüblichen Silizium-Zellen liegt in der Regel zwischen 13% und 17%, während spezielle Laborexemplare einen Wirkungsgrad von 32,5% erreicht haben.

Der niedrige Wirkungsgrad ist auf verschiedene Gründe zurückzuführen, die sich in vier Kategorien einteilen lassen:

Reflexion: Nicht alle Photonen, die auf die Zelle auftreffen, gelangen auch in ihr Inneres, da ein Teil von der Zellenoberfläche reflektiert wird und ein anderer Teil auf das Metallgitter der Kontakte auftrifft;
Photonen mit zu hohem oder zu niedrigem Energiegehalt: Um die Bindung zwischen Elektron und Kern aufzubrechen, ist eine bestimmte Energie notwendig, aber nicht alle auftreffenden Photone verfügen über einen ausreichenden Energiegehalt. Andererseits erzeugen zu energiegeladene Photone zwar Paare von Elektronen und Löchern, wandeln aber die überschüssige Energie, die zum Lösen eines Elektrons vom Kern notwendig wäre, in Wärme.
Rekombination: Nicht alle entstandenen Elektron-Loch-Paare werden vom elektrischen Übergang aufgenommen und an die äußere Ladung weitergeleitet, da sie auf ihrem Weg vom Entstehungspunkt zum Übergang auf entgegengesetze Ladungen treffen und neue Bindungen eingehen können;
parasitäre Widerstände: Die im abgebenden Gebiet erzeugten und gesammelten Ladungen müssen nach außen geleitet werden. Die Aufnahme erfolgt an den Metallkontakten, die sich auf der Vorder- und Rückseite der Zelle befinden. Auch wenn bei der Herstellung ein Einlegierungsprozess zwischen dem Silizium und dem Aluminium der Kontakte vollzogen wird, bleibt doch ein gewisser Widerstand an der Schnittstelle, der eine Dissipation hervorruft, die wiederum die an die Ladung übergehende Leistung verringert. Bei polykristallinen Siliziumzellen ist die Wirkung aufgrund des Widerstandes, auf den die Elektronen an den Kristallkorngrenzen treffen, noch geringer. Am geringsten ist sie allerdings bei Zellen aus amorphem Silizium, da der Widerstand durch die ungeordnete Anlage der einzelnen Atome noch höher ist.

Elektrische Kennlinie von Solarzellen

Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei Solarzellen im Wesentlichen um eine großflächige Diode. Trifft Sonnenstrahlung auf die Zelle auf, verhält diese sich wie ein Stromgenerator, dessen Funktionsweise mit Hilfe der Spannung-Strom-Kennlinie beschrieben werden kann:

Im Allgemeinen wird die Kennlinie einer Solarzelle von drei Variablen bestimmt: von der Intensität der Sonnenstrahlung sowie von Temperatur und Fläche der Zelle. Die Intensität der Sonnenstrahlung wirkt sich auf den Wert der Leerlaufspannung nicht wesentlich aus; im Gegensatz dazu verhält sich der Kurzschlussstrom proportional zur Intensität der Strahlung, d.h. er steigt bei steigender Strahlungsintensität.

Die Temperatur wirkt sich nicht wesentlich auf den Wert des Kurzschlussstroms aus. Dagegen besteht eine Verhältnismäßigkeit zwischen Temperatur und Leerlaufspannung, da diese bei steigender Temperatur sinkt. Die Zellenfläche nimmt keinerlei Einfluss auf die Spannung, während Fläche und verfügbarer Strom sich direkt proportional zueinander verhalten.

Bei Kurzschluss erreicht der erzeugte Strom seinen Höchstwert (Isc), während bei Leerlauf die Spannung auf einen Höchstwert ansteigt (Voc). Sowohl bei Leerlauf als auch bei Kurzschluss ist die erzielte Leistung gleich Null, da im Verhältnis P = V x I im ersten Fall der Strom und im zweiten Fall die Spannung gleich Null sind. In den anderen Punkten der Kennlinie steigt die Leistung bei zunehmender Spannung bis auf einen Maximalwert und fällt ab, je mehr sie sich dem Punkt Voc nähert.

	Si mono	Si poly	Si amorph	GaAs	CdTe	CIS (CULNSe2)
Wirkung Zelle	14-17%	12-14%	4-6% individual / 7-10% tándem	32,5% (lab.)	10%	12%
Vorteile	hoher Wirkungsgrad stabile Leistung zuverlässige Technologie	guter Wirkungsgrad günstiges Kosten-/Leistungsverhältnis leichter verarbeitbar	niedrige Kosten geringer Materialverbrauch gute Leistung auch bei diffusem Licht	hohe Temperatur- beständigkeit (o.k. für Konzentratoren)	niedrige Kosten	sehr stabil
Nachteile	kostenintensive Herstellung ungünstige energetische Amortisationszeit	Reinheitsgrad des SI bestimmt Zell-Leistung	bestimmt Zell-Leistung Anfangs-Degradation	enthält Schadstoffe begrenzter Rohstoff	enthält Schadstoffe begrenzter Rohstoff	enthält Schadstoffe

Die Herstellung von Solarzellen

Der Herstellungsprozess von Solarzellen ist je nach Art der anzufertigenden Zelle unterschiedlich.
Die größten Unterschiede ergeben sich bei der Bildung der Siliziumschicht, dem sogenannten "Wafer", die den Hauptbestandteil darstellt. Dieser wird verschiedenen, vor allem chemischen Behandlungen unterzogen, durch die die eigentliche Zelle entsteht.

Monokristalline Wafer werden mit Hilfe der Czochralski-Methode hergestellt, die auf der Kristallisierung eines "Keims" aus hochreinem Material basiert, das in flüssiges Silizium eingetaucht, langsam herausgezogen und abgekühlt wird, sodass ein monokristalliner "Ingot" mit Zylinderform entsteht (mit einem Durchmesser von 13 bis 30 cm und einer Länge von 200 cm). Dieser wird durch die Eingabe von Bor p-dotiert. Die Ingots werden dann in Scheiben mit einer Dicke von 250 bis 350 Mikrometern geschnitten.

Polykristalline Wafer entstehen dagegen durch Schmelzung und folgender Rekristallisierung des Siliziumausschusses der elektronischen Industrie ("scraps"). Aus der Schmelzung entsteht eine "Säule", die längs in Ingots mit Quaderform geschnitten wird. Durch erneutes Querschneiden entstehen Scheiben mit einer Dicke ähnlich der von monokristallinen Zellen (250 - 350 Mikrometer).
Im Vergleich zu monokristallinen Strukturen gewährleisten polykristalline Wafer ebenfalls interessante Leistungen bei geringerem Kostenaufwand.

Damit ein Wafer (mono-oder polykristallin) zu einer realen Solarzelle wird, müssen folgende Bearbeitungsschritte durchgeführt werden:

"Reinigung" in Natriumcarbonat:
Einbringung in das Material von Phosphoratomen (n-Dotierung) zur Schaffung des "p-n-Überganges". Dabei werden die Scheiben langsam durch einen Ofen gezogen, der im Material Orthophosphorsäure "verbreitet", die die benötigten Phosphoratome enthält.
Nach Anbringung einer Antireflexschicht (Titandioxid, TiO2), werden durch Siebdruck oder Elektroplattierung die vorderen elektrischen Kontakte geschaffen (ein Metallgitter, das die elektrischen Ladungen aufnimmt) sowie die hinteren Kontakte (eine durchgehende Fläche, ebenfalls aus Metall)

Schließlich wird die Zelle mittels Simulierung einer Sonneneinstrahlung unter Standardbedingungen (1000 W/m² bei 25°C mit Spektrum AM 1,5) "geprüft", um sie einstufen und mit Zellen, die die selben Kennlinien aufweisen, kombinieren zu können. Dieser Schritt ist besonders wichtig, um zu vermeiden, Module mit sehr verschiedenen Zellen zu schaffen, was zu einem drastischen Leistungsabfall des Solarmoduls führen würde.