Solarzelle: Wie wird aus Sonnenlicht Strom?

Die Funktionsweise einer Solarzelle beruht auf dem photovoltaischen Effekt. Dieser beschreibt in einem Festkörper die direkte Umwandlung von sichtbarer Solarstrahlung in elektrische Energie durch Absorption von Licht.

Dafür müssen die folgenden drei Bedingungen erfüllt sein:

1. Die Strahlung muss eingefangen werden (Absorption).
2. Die Lichtabsorption muss zur Anregung beweglicher negativer und positiver Ladungsträger führen.
3. Die Ladungen müssen getrennt werden.

Die Bedingungen 1 und 2 werden von halbleitenden Materialien erfüllt wie z.B. von Silizium oder Galliumarsenid (GaAs). Zur Ladungstrennung wird ein Übergang zwischen zwei verschiedenen Halbleitern benötigt – der sogenannte "p-n-Übergang".

Einer der bekanntesten Halbleiter ist Silizium, dessen Elektronenhülle vier Elektronen in seiner äußersten Schale besitzt. Legt man eine Spannung an einen reinen Siliziumkristall an, so tragen nur wenige freie Elektronen zur Stromleitung bei. Die Eigenleitung von Silizium ist relativ schlecht, Silizium zählt daher zu den „Halbleitern“.

In allen wichtigen Anwendungen (Diode, Transistor, Solarzelle) wird der hochrein hergestellte Siliziumkristall mit Elementen der 3. oder 5. Hauptgruppe des Periodensystems bedampft. Durch diese "Dotierung" werden absichtlich "Fremdatome" in den Siliziumkristall "eingebaut".

Die Dotierung mit fünfwertigen Atomen (z.B. Phosphor, Arsen) führt zu einem N-Halbleiter. Von den 5 Valenzelektronen können nur 4 eine Bindung zum benachbarten Silizium eingehen, das 5. "freie" Elektron steht für die Leitung des elektrischen Stromes zur Verfügung.

Die Dotierung mit dreiwertigen Atomen (z.B. Bor, Indium) führt hingegen zu einem P-Halbleiter. Nun fehlt ein Bindungselektron, es entsteht ein "Loch" oder "Defektelektron". Freie Elektronen können die "Löcher" für die Stromleitung nutzen. Daher erhöhen beide Dotierungsarten die Leitfähigkeit des Kristalls.

Die Ursache des elektrischen Stroms sind die durch das einwirkende Licht entstandenen freien Elektronen, die aufgrund eines inneren elektrischen Feldes auf die Oberseite der Solarzelle diffundieren und von dort über den äußeren Stromkreis auf die Unterseite gelangen.

Um dies zu ermöglichen, muss das Sonnenlicht durch die N-Schicht hindurch scheinen können. Daher ist diese Schicht nur 1 Mikrometer (1 µm = 0,001 mm) dick. Die Elektronen müssen aus der N-Schicht zum Verbraucher gelangen. Zu diesem Zweck sind schmale Metallkontakte auf der Oberseite der Solarzelle angebracht, sogenannte "Kontaktfinger".

Die P-Schicht besitzt einen flächigen Metallkontakt, von dem das restliche Sonnenlicht zurück reflektiert wird und der den Pluspol bildet.

Eine Solarzelle liefert eine Spannung von ca. 0,6 Volt. Um größere, technisch nutzbare Spannungen zu erhalten, muss man viele Solarzellen hintereinanderschalten. Solarmodule, wie man sie auf Hausdächern sieht, bestehen daher z.B. aus 60, 72 oder 96 in Reihe geschalteten Solarzellen.

Wird der Solarzelle Ladung entnommen, sinkt die Spannung. Der genaue Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstärke wird in der U-I-Kennlinie (Strom-Spannung-Kennlinie) einer Solarzelle dargestellt.

Die maximale Leistung wird nur in einem bestimmten Punkt, d.h. bei einer ganz bestimmten Spannung und Stromstärke erreicht, dieser Punkt heißt MPP = Maximum Power Point.

Ein weiterer wichtiger Parameter zur Charakterisierung von Solarzellen ist der Füllfaktor F, der sich bestimmt aus dem Quotienten der Leistung am MPP (Rechteckfläche) und der Rechteckfläche aus offener Klemmspannung UL und Kurzschlussstrom IK.

Wie viel des Sonnenlichts von der Solarzelle letztlich in Strom umgewandelt wird, wird durch den Wirkungsgrad beschrieben. Dieser liegt bei einer "normalen" Solarzelle bei ca. 18 – 21 % und wird durch verschiedene sogenannte "Verlustmechanismen" begrenzt.

Die meisten Solarzellen werden aus Silizium hergestellt, dem zweithäufigsten Element der Erde. In der Natur kommt dies hauptsächlich als Quarzsand (Siliziumdioxid) vor. Monokristalline und multikristalline Solarzellen stellen mit zusammen mehr als 90% den weitaus größten Marktanteil dar.

Dünnschichtsolarzellen ("Thin-film solar cell") besitzen nur noch einen Marktanteil von rund 5%, wobei Module aus amorphem Silizium davon den größten Anteil von an Dünnschichtsolarzellen an der weltweiten PV-Produktion ausmachen.

Monokristalline Silizium-Zellen bestehen aus einer dünnen Scheibe ("Wafer") eines hochreinen Silizium-Kristallblocks (Ingot). Sie besitzen

• einen höheren Wirkungsgrad im Vergleich zu polykristallinen Solarzellen, was auf den höheren Reinheitsgrad des Siliziums zurückzuführen ist,
• zeigen eine bessere Leistung bei hohen Temperaturen als polykristalline Solarzellen und
• haben ein schlankeres und ansprechenderes Aussehen als polykristalline Solarzellen.

Allerdings sind monokristalline Solarzellen aufgrund des höheren Reinheitsgrads des Siliziums und des komplexeren Herstellungsprozesses teurer als polykristalline Solarzellen.

Poly- bzw. multikristalline Solarzellen werden aus gereinigtem und anschließend geschmolzenem Silizium hergestellt. Dann wird das geschmolzene Silizium in Tiegel umgefüllt (Gießverfahren) oder direkt im Tiegel erhitzt (Bridgeman-Verfahren). Da hierbei mehrere Kristalle entstehen, nennt man sie polykristallin.

Polykristalline Solarzellen bzw. Module sind aufgrund dieser Herstellungsweise günstiger als monokristalline Solarzellen, haben aber einen geringeren Wirkungsgrad, was auf den geringeren Reinheitsgrad des Siliziums zurückzuführen ist.

Charakteristisch an Dünnschicht-Solarzellen ist, dass ihre Materialien lediglich auf ein Trägermaterial aufgedampft werden. Dünnschicht-Solarzellen können daher aus amorphem Silizium oder Verbindungen aus Kupfer, Indium (oder Gallium) und Selen (oder Schwefel) – sogenannte CIS- oder CIGS-Solarzellen - bestehen

Da einfache Dünnschichtzellen nur immer einen bestimmten Wellenlängenbereich des Lichts absorbieren, werden sie auch gestapelt. Diese sogenannten "Stapelsolarzellen" haben den Vorteil, dass dann jede Schicht einen bestimmten Wellenlängenbereich des Lichts aufnimmt.

Dünnschichtsolarzellen allgemein haben gegenüber Solarzellen aus kristallinem Silizium den Vorteil, dass die die Solarstrahlung absorbierende Schicht nur wenige tausendstel Millimeter dick sein muss und somit der Materialeinsatz erheblich verringert werden kann. Zugleich kann die Produktion durch großflächiges Beschichten des Trägermaterials weitgehend automatisiert und die Herstellungskosten gesenkt werden.

Organische Solarzellen unterscheiden sich von anorganischen, kristallinen Solarzellen durch die Verwendung von organischen Materialien wie Kohlenwasserstoffverbindungen wie z.B. Polymere. Zum Einsatz kommen dabei Folien oder Leiterbahnen, die flexibler einsetzbar sind als kristalline Module aus Silizium. Sie weisen allerdings (noch) eine deutlich geringere Leistung und eine ebenfalls deutlich kürzere Lebensdauer auf, weshalb sie auch weiter erforscht werden.

* Lizenz: CC BY 3.0

** Lizenz: CC BY-SA 3.0