Photovoltaik | Solarzellen

Solaranlagen zur Stromerzeugung | Solarzellen

In Abgrenzung zu Solarthermieanlagen, die zur Bereitstellung von Wärme genutzt werden, wandeln photovoltaische Anlagen die Energie des Lichts direkt in elektrischen Strom um - ohne chemische oder mechanische Zwischenschritte, d.h. ohne schädliche Emissionen, Abfall und Lärm.

Kernkomponente einer Photovoltaikanlage ist die Solarzelle. Solarzellen kommen in unterschiedlichen Anwendungsbereichen und Größenordnungen zum Einsatz. Bei Geräten mit geringem Energiebedarf (Taschenrechner, Uhren) finden Kleinstzellen mit wenigen Milliwatt Leistung Verwendung, zu Solarmodulen zusammengefasst versorgen sie im Kilowatt-Bereich ganze Gebäude mit Strom, als Großanlagen liefern sie elektrische Energie auch in Megawatt-Dimensionen.

Der photovoltaische Effekt

Die direkte Umwandlung von Licht in elektrische Energie (Strom) basiert auf dem photovoltaischen Effekt. Unterschiedlich dotierte und übereinander angeordnete Halbleitermaterialien, in der Regel Slizium, setzen unter Lichteinfluss Ladungen frei, die als Elektronen (Strom) über einen Leiter fließen können.

In Abhängigkeit von Material, Zellendesign, Intensiät der Strahlung und der bestrahlten Fläche wird hierbei zunächst Gleichstrom erzeugt. Da die induzierte Spannung in einer einzelnen Solarzelle (etwa 0,5 V bei Silizium) für die meisten Anwendungsbereiche zu gering ist, werden mehrere Zellen in Reihe geschaltet und zu Modulen zusammengefasst. Die Gesamtheit aller Solarmodule einer PV-Anlage bezeichnet man als Solargenerator.

Typen und Aufbau von Solarzellen

Da ein Großteil der Investitionskosten für eine Solaranlage zur Stromerzeugung auf die Solarmodule entfällt, sollen die gebräuchlichen Solarzellentypen kurz vorgestellt werden. In der Praxis werden überwiegend Solarzellen aus mono- oder polykristallinem Silizium sowie Dünnschichtzellen verwendet, die sich hinsichtlich ihrer Herstellung, Leistung und Verwendungszweck unterscheiden.

Der Herstellung von Solarzellen voran geht die Gewinnung des metallurgischen Siliziums aus dem Rohstoff Siliziumoxid, auch bekannt als Sand bzw. Quarzsand.

Monokristalline Siliziumsolarzellen

Bei der Herstellung von monokristallinen Zellen wird aus einer Siliziumschmelze ein Stab (oder Balken) mit völlig gleichmäßiger Kristallstruktur gezogen. Ein solcher Siliziumstab/-balken besteht aus nur einem einzigen Kristall, daher die Bezeichnung Einkristall bzw. monokristallin. Dieser Balken wird anschließend in dünne Scheiben, so genannte Wafer, zersägt.

Im weiteren Herstellungsprozess findet als nächstes eine Strukturätzung der Oberfläche, und, als wichtigster Fertigungsabschnitt, die Dotierung, statt. Unter Dotierung versteht man das gezielte Einbringen von Fremdatomen in die Silizium-Struktur, die den photvoltaischen Effekt erst ermöglichen.

Monokristalle schneiden hinsichtlich des Wirkungsgrades generell zwar etwas besser ab als ihre polykristallinen "Kolleginnen", wegen des aufwändigeren Fertigungsverfahrens sind sie jedoch entsprechend teurer.

Solarmodule, die mit monokristallinen Solarzellen bestückt sind, erkennt man leicht an ihrer einheitlich bläulich-grauen Oberflächenstruktur.

Poly-/Multikristalline Siliziumsolarzellen

Bei der Herstellung der polykristallinen Solarzellen wird das flüssige Silizium in Stahlformen zu Blöcken gegossen, wobei sich kein regelmäßiger Monokristall bildet, sondern viele (poly-/multi-) kleine, unterschiedlich ausgerichtete Kristalle entstehen. Nach dem Aushärten bewirken diese die charakteristische silbrig-blaue Eisblumenstruktur auf der Oberfläche des Solarmoduls.

Da sich die Grenzbereiche zwischen den einzelnen Kristallen innerhalb der Solarzellen beeinträchtigend auf den freien Fluss der Elektronen auswirken, sind die Wirkungsgrade bei polykristallinen Solarzellen resp. Solarmodulen niedriger als beim Monokristall. Der insgesamt geringere Fertigungsaufwand wirkt sich allerdings kostenreduzierend aus.

Dünnschichtsolarmodule (amorphe Siliziumzellen)

Dünnschichtsolarzellen sind im Vergleich zu konventionellen Siliziumsolarzellen um etwa den Faktor 100 dünner. Während kristalline Zellen mit einer Stärke von etwa 0,3 mm relativ große Mengen des teuren Rohstoffes Silizium benötigen, werden bei Dünnschichtsolarzellen Schichtdicken im Mikrometerbereich realisiert. Folge ist eine Materialeinsparung von rund 90 Prozent.

Bei der Produktion von Dünnschichtsolarzellen wird durch Bedampfen oder Besprühen Silizium auf ein Trägermaterial (z.B. Glas, Kunststoff) aufgebracht. Hierbei bildet sich kein Kristall, sondern eine dünne Schicht ungeordneten (amorphen) Siliziums.

Zunehmend finden auch andere Beschichtungsmaterialien, bspw. Kupfer-Indium-Selenid (CIS) oder Cadmium-Tellurid (CdTe), Verwendung.

Je nach verwendetem Beschichtungsmaterial werden Wirkungsgrade zwischen ca. 8% (amorphes Silizium) bis 12% (CIS) erreicht.

Die Dünnschichtsolarzellen-Technologie zeichnet sich durch deutlich geringeren Material- und Energieeinsatz, folglich kostengünstigere Fertigungsverfahren aus. Langfristig wird hierdurch eine wesentliche Preissenkung bei photovoltaischen Anlagen erwartet.

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