Solarzelle - Aufbau, Wirkungsgrad und Funktion

Wie funktioniert eine Solarzelle?

Die meisten Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium. Damit die Solarzelle das Sonnenlicht überhaupt in Strom umwandeln kann, werden dem Silizium zusätzliche Fremdatome wie zum Beispiel Bor oder Phosphor hinzugefügt, was „dotieren“ genannt wird. Dadurch entstehen zwei Schichten - eine negativ geladene n-Schicht und eine positiv geladene p-Schicht.

Phosphor hat ein Elektron mehr als Silizium und erzeugt einen Elektronenüberschuss. Bor hat ein Atom weniger als Silizium und erzeugt im Kristallgitter eine Art „Elektronenloch".

Die thermische Energie der Sonneneinstrahlung sorgt dafür, dass freie Phosphor Elektronen der n-Schicht gelöst werden und zur p-Schicht wandern. An der Grenze der beiden Schichten entsteht durch die Bewegung der Atome Strom. Dieser Strom wird mithilfe von metallischen Kontakten an der Vorderseite und Rückseite der Solarzelle abgeleitet.

Für Photovoltaikanlagen werden mehrere, meist 60 Solarzellen miteinander gekoppelt. Sie bilden das Solarmodul.

Welchen Strom liefert eine Solarzelle?

Im Durchschnitt liefert eine normale Solarzelle unter optimalen Bedingungen einen Gleichstrom von 30 bis 40 Milliampere pro Quadratzentimeter.

Die Spannung einer typischen Solarzelle aus Silizium liegt bei etwa 0,5 bis 0,6 Volt. Eine Solarzelle mit einer Fläche von 156 mm x 156 mm (ca. 244 Quadratzentimeter) kann einen Strom von etwa 7,3 bis 9,8 Ampere liefern.

Mittels eines Wechselrichters wird der erzeugte Gleichstrom in für den im Haushalt nutzbaren Wechselstrom umgewandelt.

Wie ist eine Solarzelle aufgebaut?

• Vorderseitenkontakt: Die dem Licht zugewandte Vorderseite hat eine Gitterstruktur von Kontakten, die aus Silber oder einer Silber-Kupfer-Legierung bestehen. Der Vorderseitenkontakt ist so gestaltet, dass möglichst viel Licht eingefangen werden kann und bildet den Minuspol der Solarzelle.

• n-dotiertes Silizium: Diese Schicht enthält zusätzlich negativ geladene Atome wie Phosphor. Phosphor hat einen Elektronenüberschuss, wodurch die Siliziumschicht negativ geladen ist.

• Grenzschicht: Der p-n-Übergang bildet die Grenzschicht zwischen der p-dotierten und der n-dotierten Siliziumschicht der Solarzelle. In der Grenzschicht entsteht durch das Wandern der Elektronen ein internes elektrisches Feld.

• p-dotiertes Silizium: Diese Schicht enthält zusätzliche Atome wie Bor, das weniger Elektronen hat als Silizium. Dadurch fehlen in dieser Schicht Elektronen und sie ist positiv geladen.

• Rückseitenkontakt: Die Rückseite besteht aus einer durchgehenden Metallfläche. Der Rückseitenkontakt bildet den Pluspol der Solarzelle.

• Verbraucher: Der in der Zelle fliessende Strom wird an beiden Kontaktseiten der Zelle abgeführt und über ein Stromkabel dann weiter ins Haus transportiert.

Welchen Wirkungsgrad hat eine Solarzelle?

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle beschreibt, wie viel Prozent der auf die Zelle fallende Sonnenenergie in Strom umgewandelt wird. Im Durchschnitt liegt der Wirkungsgrad von Solarzellen bei etwa 5 bis 25 Prozent. Der Wirkungsgrad von Solarzellen hängt von den verwendeten Siliziumkristallen ab. Je reiner das Silizium ist, desto besser ist die Leitfähigkeit und umso höher der Wirkungsgrad.

Neben dem Material, aus dem die Solarzelle besteht, bestimmen auch die Umgebungstemperatur, die Witterungsverhältnisse und das Alter der Zelle den finalen Wirkungsgrad.

Typische Wirkungsgrade von Solarzellen:

Welche Arten von Solarzellen gibt es?

Dickschichtzellen

Dickschichtzellen werden auch als kristalline Solarzellen bezeichnet und bestehen aus 0,18 mm bis 0,28 mm Silizium-Kristallscheiben, sogenannte Wafer, die weiter zur Solarzelle verarbeitet werden. Zu den häufigsten Varianten zählen monokristalline und polykristalline Solarzellen.

Polykristalline Solarzellen

Polykristalline Solarzellen werden aus gegossenen Silizium-Blöcken hergestellt. Beim Abkühlungsprozess der Blöcke bilden die Siliziumkristalle unterschiedliche Grössen. Aus diesen Blöcken werden Wafer geschnitten, die für die Herstellung der Solarzellen verwendet werden. Polykristalline Solarzellen haben einen Wirkungsgrad bei 15 bis 20 Prozent.

Monokristalline Solarzellen

Monokristalline Solarzellen werden aus hochreinen kristallinen Siliziumstäben, sogenannten Ingots, hergestellt. Die Ingots werden anschliessend in dünne Wafer geschnitten und bilden die Basis der Solarzelle. Monokristalline Solarzellen haben einen Wirkungsgrad von bis zu 24 Prozent.

Dünnschicht Solarzellen

Dünnschichtsolarzellen können aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden, darunter amorphes Silizium, Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) oder Cadmiumtellurid (CdTe). Diese Halbleitermaterialien werden auf Träger aus Glas, Kunststoff oder Metall aufgedampft. Dünnschicht Solarzellen haben einen Wirkungsgrad von 10 bis 13 Prozent und zeichnen sich durch ihre flexiblen Einsatzmöglichkeiten aus.

Mehrfachsolarzellen (Tandem- oder Stapelsolarzellen)

Mehrfahrsolarzellen, auch Tandemsolarzellen oder Stapelsolarzellen genannt, bestehen aus einer Kombination mehrerer Schichten verschiedener Halbleitermaterialien. Jede Schicht absorbiert ein anderes Spektrum des Sonnenlichts. Das macht Mehrfachsolarzellen extrem effizient.

• Gallium-Indium-Phosphid (GaInP) zwischen 300 - 660 Nanometer (sichtbares Licht)

• Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAr) zwischen 600 - 840 Nanometer (nahes Infrarotlicht)

• Silizium zwischen 800 - 1200 Nanometer (längerwelliges Licht)

Organische Solarzellen

Die halbleitenden Materialien von organischen Solarzellen bestehen im Wesentlichen aus Kohlenwasserstoffverbindungen. Daher werden sie auch oft als „Plastik-“ oder „Kunststoffsolarzellen“ bezeichnet.

Organische Solarzellen basieren auf demselben Funktionsprinzip wie alle anderen Solarzellen und können als Kunststoffbeschichtung auf fast jede Oberfläche aufgebracht werden. Sie kommen oft auf Solarplanen, Solarjalousien oder auf gebogenen Solarpaneelen zum Einsatz.

Amorphe Solarzellen

Amorphe Solarzellen sind eine Variante der Dünnschichtzellen mit ungeordnetem Kristallgitter. Typische Einsatzbereiche sind Taschenrechner, Power Banks und Uhren.

Wie werden Solarzellen hergestellt?

1. Rohstoffgewinnung

• Ausgangsmaterial: Quarzsand (enthält fast reines Siliziumdioxid, SiO₂)

• Abbau aus Sand- oder Kiesgruben (sogenannte Lockersedimente)

2. Rohsilizium-Herstellung

• Quarzsand wird in Schmelzöfen bei ~2.000 °C mit Kohlenstoff erhitzt

• Ergebnis: metallurgisches Rohsilizium mit 98 – 99 Prozent Reinheit

3. Reinigung (Siemens-Verfahren)

• Rohsilizium wird mit Salzsäure bei 650 °C zu Trichlorsilan umgesetzt

• Störatome werden durch Destillation abgetrennt

• Wasserstoff wird wieder beigemengt; Silizium scheidet sich an heissen Stäben ab

• Ergebnis: hochreines polykristallines Silizium (solares Silizium)

4. Kristallzucht & Wafer-Schneiden

• Monokristallin: einzelner Kristall wird aus der Schmelze gezogen (Ingot), dann in Wafer gesägt (Czochralski-Verfahren)

• Polykristallin: Silizium wird in Formen gegossen und langsam abgekühlt; viele kleine Kristalle entstehen, dann ebenfalls in Wafer geschnitten

5. Dotierung

• p-Schicht (sonnenabgewandte Seite): Bor wird eingebracht; positiv geladene Schicht

• n-Schicht (sonnenzugewandte Seite): Phosphor wird eingebracht; negativ geladene Schicht

• An der Grenze beider Schichten entsteht der p-n-Übergang

6. Kontaktierung

• Metallische Kontakte werden auf Ober- und Unterseite der Wafer aufgebracht

• Sie leiten den erzeugten Strom ab; fertige Solarzelle

Was kostet eine Solarzelle?

Die Preise für Solarmodule sind in den letzten Jahren deutlich gesunken. In der Schweiz wird der Modulpreis häufig als Preis pro Watt Peak angegeben: Für hochwertige Module werden je nach Produkt und Bezugsquelle grob rund 0.20 bis 0.30 CHF pro Watt Peak genannt. Das entspricht bei einem Standard-Solarmodul mit 400 bis 450 Watt typischerweise rund 90 bis 135 CHF pro Modul.

Welche Einsatzbereiche gibt es für Solarzellen?

• Solaranlage auf Wohngebäuden und Gewerbeimmobilien

• PV-Felder und Solarfelder zur Rücklieferung ins öffentliche Netz.

• Kleine Solarzellen in Taschenrechnern, Uhren und tragbaren Ladegeräten.

• Solarzellen auf Fahrzeugdächern, wie Autos, Bussen und Zügen zur Stromversorgung.

• Solarzellen in der Raumfahrt für die Stromversorgung von Satelliten, Raumsonden und Raumstationen.

• Solarzellen als Gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV) in Bauelementen wie Fenster, Fassaden und Dächern, um ästhetische und funktionale Aspekte mit Energieerzeugung zu verbinden.

• Solargeneratoren und Solarbatterieladegeräte für die Notstromversorgung in Notfällen.

• Solarstrom in Landwirtschaft für den Betrieb von Bewässerungssystemen und Pumpen in landwirtschaftlichen Gebieten.

• Kleine Solarmodule für Strassenbeleuchtungen, Verkehrsschildern und Warnsignalen zur unabhängigen Stromversorgung.

• Solarstrom in der Telekommunikation für die Versorgung von Fernmeldeanlagen.