Solarzellen Aufbau

Solarzellen als Schlüsselkomponenten von Solarmodulen sind wichtig, wenn es darum geht, die Funktion von Photovoltaikanlagen zu verstehen. Der Aufbau von Solarzellen ist entscheidend für die Effizienz und Leistungsfähigkeit der PV-Anlage. In diesem Artikel werfen wir einen genaueren Blick auf die grundlegende Struktur und verschiedene Arten von Solarzellen und beleuchten, wie sie dazu beitragen, Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln.

• Moderne Solarzellen sind aus mehreren Schichten aufgebaut.
• Ihre Hauptbestandteile sind Halbleiter, insbesondere Silizium.
• Der eigentliche Stromfluss in Solarzellen erfolgt am p-n-Übergang.
• Kristalline Solarzellen erreichen Wirkungsgrade von 20 % und mehr.
• Dünnschicht-Zellen haben geringe Wirkungsgrade, aber eine bessere Energieeffizienz
• Eine besondere Effizienzsteigerung ist durch das Stapeln verschiedener Halbleitermaterialien (Mehrfachzellen) möglich
• Innovative Aufbauten wie bei Perowskit-Zellen erreichen bis zu 40 % Wirkungsgrad.

Die Solarzelle bildet das Herzstück eines jeden Solarpanels bzw. Solarmoduls. Solarzellen sind in der Regel 15x15 cm groß und haben eine dunkelblaue, schwarz erscheinende Farbe, bei einer „Dicke“ von knapp 0,3 mm.

Ein durchschnittliches Panel ist aus etwa 60 solcher Zellen aufgebaut, wobei die Größenvariationen von klein bis deutlich groß reichen. Die einzelnen Zellen sind miteinander verschaltet.

Eigenschaften:

• Ein charakteristisches Merkmal der Solarzelle ist ihre photoelektrische Aktivität.
• Diese Eigenschaft ermöglicht es der Zelle, Lichtenergie der Sonne in elektrische Energie umzuwandeln.
• Der Prozess erfolgt dabei völlig emissionsfrei, ohne Abfallprodukte zu erzeugen.

Solarzellen bestehen in der Regel aus Halbleitern, insbesondere Silizium. Dieses Material findet vor allem in den Photovoltaikmodulen auf Dächern Anwendung.

Die Wahl kann zwischen monokristallinen und polykristallinen Solarzellen getroffen werden, was aber unterschiedliche Eigenschaften und Effizienzniveaus bedeutet.

Die Funktion einer Solarzelle lässt sich am besten durch ihren Querschnitt verstehen, der verschiedene Schichten umfasst und die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie ermöglicht.

Absorptions- und Emissionsschicht:

• Die oberste Schicht besteht aus einem Material, das Photonen des Sonnenlichts absorbiert, typischerweise ein Halbleiter wie Silizium.
• Durch die Absorption von Photonen gelangt das Material in einen angeregten Zustand und gibt Elektronen ab.

p-n-Übergang:

• Unter der Absorptionsschicht befindet sich der p-n-Übergang, der eine Verbindung zwischen zwei Halbleiterschichten darstellt: der p-dotierten (positiv geladenen) und der n-dotierten (negativ geladenen) Schicht.
• Beim Bestrahlen mit Licht werden Elektronen von der n-dotierten Schicht in die p-dotierte Schicht befördert.

Elektronenbewegung und Stromfluss:

• Durch diese Bewegung von Elektronen entsteht ein elektrisches Potenzial, das einen Stromfluss zwischen den Schichten ermöglicht.
• Dieser erzeugte elektrische Strom kann nun extern abgegriffen und genutzt werden.

Elektrischer Anschluss:

• An den Seiten der Solarzelle befinden sich elektrische Anschlüsse, über die der erzeugte Strom abgeführt wird.
• Die serielle oder parallele Verbindung mehrerer Solarzellen ermöglicht die Erzeugung höherer Spannungen und Ströme in Solarmodulen.

Zusammengefasst wandelt die Solarzelle Lichtenergie in elektrische Energie um, indem sie Photonen absorbiert, Elektronen in Bewegung setzt und einen Stromfluss durch den p-n-Übergang erzeugt. Dieser erzeugte Strom kann dann als nutzbare elektrische Energie in elektrische Geräte oder ins Stromnetz eingespeist werden.

Es gibt verschiedene Arten von Solarzellen, die in ihrer Bauweise und Leistungsfähigkeit variieren. Am häufigsten werden nach aktuellem Stand Dickschichtzellen eingesetzt.

Dickschicht-Solarzellen bestehen im Wesentlichen aus kristallinem Silizium, wobei der Begriff "dick" relativ zu verstehen ist. Die Kristallscheiben (Wafer) weisen eine Höhe von etwa 250 µm auf. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von 50 – 100 µm. Entscheidend ist, dass es sich dabei um steife kristalline Strukturen handelt. Sie können nicht leicht verformt werden, und haben einen hohen Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung.

Aus diesem Grund sind die meisten Solarpaneele auf Dächern als Dickschicht-Module ausgeführt.

Monokristalline Zellen

Monokristalline Solarzellen zeichnen sich durch ihre aus einem einzigen Siliziumkristall bestehende Struktur aus. Diese homogene Beschaffenheit ermöglicht einen Wirkungsgrad im Bereich von 20 bis 22 Prozent.

Vorteile:

• Hoher Wirkungsgrad, da weniger Defekte in der Struktur vorhanden sind.
• Platzsparende Anordnung, ideal für begrenzte Flächen.
• Gute Leistung auch bei schwachem Licht.

Polykristalline Zellen

Polykristalline Solarzellen bestehen aus mehreren Siliziumkristallen, was zu einer körnigen Struktur führt. Mit einem Wirkungsgrad im Bereich von 15 bis 20 Prozent bieten sie eine kostengünstigere Alternative zu monokristallinen Zellen.

Vorteile:

• Geringere Herstellungskosten im Vergleich zu monokristallinen Zellen.
• Robuster gegenüber hohen Temperaturen.
• Gute Gesamtleistung, insbesondere bei direkter Sonneneinstrahlung.

Dünnschicht-Zellen kommen für Projekte mit fragiler Statik in Betracht. Sie bestehen in der Regel aus amorphem Silizium. Im Gegensatz zu kristallinem Silizium liegt es nicht in Einkristallform vor, sondern als aufgedampftes Material, das eine dünnere aktive Schicht bildet. Durch diesen Vorgang sind die Zellen wesentlich dünner und weisen eine flexible Beschaffenheit auf.

Obwohl der Preis dieser Zellen niedriger ist im Vergleich zu Dickschichtmodulen, erreichen sie leider nur deutlich geringere Wirkungsgrade.

Es gibt aber darüber hinaus andere beliebte Materialien, die bei Dünnschichtzellen als Halbleiter verwendet werden. Die prominentesten darunter sind CdTe- und CIS-Zellen:

• CdTe-Dünnschichtzellen verwenden Cadmiumtellurid als Halbleitermaterial. Sie gelten als kostengünstig in der Herstellung, was sie zu einer wirtschaftlich attraktiven Option macht. Bei direkter Sonneneinstrahlung erzielen sie eine gute Energieeffizienz.
• CIS-Dünnschichtzellen setzen auf Kupfer, Indium, Gallium und Selen als Halbleitermaterialien. Sie erreichen CIS-Dünnschichtzellen setzen auf Kupfer, Indium, Gallium und Selen als Halbleitermaterialien. Außerdem ermöglicht die Materialzusammensetzung eine breite Palette von Farboptionen, für ästhetisch ansprechende Anwendungen.

Vorteile von Dünnschichtzellen:

• Geringerer Materialverbrauch, was zu kostengünstigeren Herstellungskosten führt.
• Flexibel und leicht, was vielfältige Anwendungsmöglichkeiten ermöglicht.
• Gute Leistung auch bei diffusem Licht.
• Kürzere Energie-Rücklaufzeit aufgrund effizienterer Herstellung.

Die steigende Nachfrage nach Photovoltaiklösungen und ihre essenzielle Rolle in der zukünftigen Energieversorgung treiben die Entwicklung hin zu noch effizienteren, kostengünstigeren und widerstandsfähigeren Solarzellentechnologien voran. Aktuelle Forschungsergebnisse verdeutlichen das immense Potenzial der Photovoltaik.

Tandem-Solarzellen, auch als Stapel- oder Mehrfachsolarzellen bekannt, bestehen aus zwei oder mehr Solarzellen. Sie können aus verschiedenen Materialien hergestellt werden, die übereinandergeschichtet sind.

Es gibt zwei Haupttypen:

• mechanisch gestapelte, bei denen die Materialien voneinander getrennt sind
• monolithische, bei denen alle Solarzellen auf demselben Substrat aufgebaut sind

Zur Funktionsweise der Tandem-Solarzelle lässt sich sagen:

• Die oberste Teil-Solarzelle absorbiert kurzwelliges Licht
• die darunter angeordneten Schichten längerwelliges Licht.

Dabei gilt: Jede Schicht ist im Aufbau der Mehrfachsolarzelle darauf ausgelegt, einen spezifischen Bereich des Lichtspektrums zu absorbieren. Durch diese Anordnung können Tandem-Solarzellen einen breiteren Bereich des Sonnenlichts effizient nutzen und so höhere Wirkungsgrade erzielen.

Die höchsten Wirkungsgrade von 40 % werden derzeit mit Tandem-Solarzellen aus III-V Halbleiterverbindungen erreicht. Die Bezeichnung "III-V" bezieht sich auf die Elemente im Periodensystem, genauer gesagt auf Elemente aus der dritten und fünften Hauptgruppe, wie Gallium, Indium und Stickstoff oder Phosphor.

Eine andere Variante ist die organische Solarzelle, die aus Kohlenwasserstoff-Verbindungen (Kunststoffen) hergestellt wird. Diese weisen eine spezielle Elektronenstruktur auf, wodurch die Materialien, wie beispielsweise Polymer, die Eigenschaften eines amorphen Halbleiters erhalten. Dieser befindet sich also anstelle des Siliziums, wie beim Aufbau kristalliner Solarzellen, zwischen den beiden Elektroden der Zelle.

Die Vorteile:

• Das Material bleibt flexibel, transparent und lässt sich besonders leicht handhaben.
• Der Herstellung wird als besonders energieeffizient eingestuft.

Nachteile:

• geringer Wirkungsgrad von 17,3 %
• Langzeitstabilität bei Sonneneinstrahlung nicht gegeben

Neue Konzepte für Solarzellen setzen auch auf Materialien wie Perowskite. Diese haben eine kristalline Struktur und charakteristische Eigenschaften, die die Wirkungsgrade von Solarzellen steigern, indem sie auch langwelliges Licht absorbieren. Der gesamte Aufbau von Perowskit-Solarzellen ist darauf ausgerichtet, die Absorption von Licht in der Perowskit-Schicht zu maximieren und gleichzeitig den effizienten Transport von Elektronen und Löchern zu ermöglichen.

• Substrat: Die unterste Schicht bildet das Substrat, auf dem die gesamte Solarzelle aufgebaut wird. Dieses Substrat dient als Träger für die weiteren Schichten und kann aus verschiedenen Materialien bestehen, um eine stabile Basis zu bieten.
• Elektronentransportmaterial (ETM): Direkt über dem Substrat befindet sich das Elektronentransportmaterial. Dieses Material ermöglicht den Transport von Elektronen zu der Elektrode, die den elektrischen Strom ableitet. Häufig verwendete Materialien in dieser Schicht sind Titandioxid (TiO2) oder Zinnoxid (SnO2).
• Perowskit-Schicht: Die eigentliche aktive Schicht ist die Perowskit-Schicht, die lichtabsorbierend ist und für die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie verantwortlich ist. Perowskit ist ein Kristallmaterial, das oft aus organischen und anorganischen Komponenten besteht. Die spezifische Formel kann variieren, aber ein bekanntes Beispiel ist Methylammoniumbleiiodid (CH3NH3PbI3).
• Lochtransportmaterial (HTM): Über der Perowskit-Schicht befindet sich das Lochtransportmaterial, das den Transport von positiv geladenen "Löchern" (Defektelektronen) fördert. Übliche Materialien für diese Schicht sind organische Moleküle wie Spiro-OMeTAD (Spiro-MeOTAD).
• Kontaktschicht und Elektroden: Die oberste Schicht besteht aus einer transparenten leitenden Schicht, die Licht passieren lässt, aber dennoch elektrische Leitfähigkeit bietet. Auf dieser Schicht werden Elektroden platziert, um den erzeugten Strom abzuleiten.

Die beeindruckende Effizienz von Perowskiten Herausforderung ihrer Witterungsempfindlichkeit, was derzeit zu schneller Alterung und raschen Leistungsverlusten führt. Auch das enthaltene giftige Blei in der Perowskitschicht stellt ein Problem dar.

Trotz dieser Hürden zeigen diese Entwicklungen eine vielversprechende Zukunftsperspektive für die Solarzellentechnologie.

PERC-Solarzellen folgen dem Aufbau typischer monokristalliner Solarzellen, wobei der entscheidende Unterschied in einer zusätzlichen Reflexionsschicht auf der Rückseite besteht. Diese Schicht reflektiert bisher ungenutztes Licht, insbesondere langwelliges Licht, was zu einer erhöhten Effizienz führt.

Besonders in den Morgen- und Abendstunden zeigen PERC-Solarzellen einen hohen Wirkungsgrad. Allerdings geht dies mit einer höheren Degradation einher, was bedeutet, dass sie im Laufe ihrer Lebensdauer schneller an Leistung verlieren als herkömmliche Solarzellen.

* Grafik: U. S. Energy Information Administration, Patryk Tomasik, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons