Solarzellen spielen eine bedeutende Rolle im Kampf gegen den Klimawandel – bereits heute und mehr noch in der Zukunft. Das fossile Zeitalter geht zu Ende. An seine Stelle tritt das Zeitalter der erneuerbaren Energien – dazu zählt vor allem Wind-, Wasser- und Sonnenenergie.
Ein großer Vorteil der direkt aus Sonnenlicht gewonnenen Energie ist der hohe Wirkungsgrad bei der Weiterverwendung. Elektrische Motoren haben einen Wirkungsgrad knapp unter 100%, während Verbrennungskraftmotoren nur im Bereich von 40-50% liegen.
Silizium – das Ausgangsmaterial
Die heute überwiegend eingesetzten Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium. Halbleiter sind Materialien die in ihrer elektrischen Leitfähigkeit zwischen den Metallen (sehr gute Stromleiter) und Nichtleitern (Isolatoren, also sehr schlechte Stromleiter) liegen. Silizium ist in der Erdoberfläche als zweithäufigstes Element anzutreffen und unbegrenzt verfügbar.
Es gibt verschieden aufwändige Herstellungsverfahren, entweder lässt man Siliziumeinkristalle wachsen oder polykristallines Silizium wird gegossen.
Das hochreine Silizium wird mittels Drahtsägeverfahren in schmale Scheiben (Wafer) geschnitten. Weitere Behandlungsschritte – Reinigung, Dotation – folgen.
Die Oberfläche wird mit einer Antireflexschicht beschichtet, damit möglichst wenig Sonnenlicht reflektiert wird. An der Ober- und Unterseite der Solarzellen werden metallisch leitende Bahnen aufgedruckt. Zur guten Stromableitung wird neben diesen Kontaktflächen noch ein sehr dünnes Raster, welches den Lichteinfall möglichst wenig behindert, aufgebracht.
Über das Kommen mancher Leute tröstet uns nichts als die Hoffnung auf ihr Gehen.
Marie von Ebner-Eschenbach
Funktionsprinzip von Solarzellen
Elektrischer Strom ist durch das Fließen von Elektronen gekennzeichnet. In Metallen gibt es viele so genannte freie Elektronen, diese leiten den Strom hervorragend. In Halbleitern, wie Silizium, gibt es keine freien Elektronen. Durch die zugeführte Energie in Form von Licht werden Elektronen im Halbleiter frei – und können Strom leiten.
Durch eine spezielle Behandlung der Siliziumscheiben (dotieren mit Phosphor und Bor) entsteht ein so bezeichneter pn-Übergang. Bei Bestrahlung mit Sonnenlicht wird an seinen Elektroden eine elektrische Spannung, wie bei einer Batterie, abgenommen. Damit können (Strom)Verbraucher versorgt werden.
Einfluss der Wellenlänge des einfallenden Lichtes
Die Wellenlänge des Lichtes wird vom Menschen als Lichtfarbe wahrgenommen. Rot ist langwellig mit niedriger Energie, in Richtung blau wird das Licht kurzwelliger und energiereicher.
Licht hat nach Erkenntnissen der Quantenphysik sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften. Lichtteilchen werden Photonen genannt. Um aus der mit Bor dotierten p-Halbleiterschicht Elektronen zu befreien ist eine bestimmte Energiegröße (Photon bestimmter Energie das ein Elektron befreien kann) notwendig.
Die Theorie dazu veröffentlichte Albert Einstein 1905. Für diese theoretische Glanzleistung, die unter dem Namen Lichtquantenhypothese bekannt ist, wurde ihm der Nobelpreis verliehen.
Das ist der Grund, warum Solarzellen nur in einem bestimmten Bereich des Lichtspektrums arbeiten. Durch die Art der Dotation kann dieser beeinflusst werden.
Der Absorptionskoeffizient des Siliziums ist niedrig. Der theoretisch erreichbare Wirkungsgrad liegt bei 29%. Siliziumzellen nutzen vor allem den nahen infraroten Bereich des Lichts.
Arten von Solarzellen
Silizium Monokristalline Solarzellen
Diese Solarzellen werden aus Scheiben einkristallinen Siliziums gefertigt. Die Herstellung ist teuer, aber sie weisen einen hohen Wirkungsgrad auf.
Silizium Polykristalline Solarzellen
Diese werden aus erstarrten Silizium-Schmelzen erzeugt. Beim Auskristallisieren aus der Schmelze entstehen große ungleiche Kristallstrukturen, die verschieden ausgerichtet sind. Dies führt zu dem fleckigen Glitzern. Der Wirkungsgrad ist niedriger als bei monokristallinen Solarzellen, dafür sind die Herstellungskosten geringer.
Silizium Dünnschichtzellen
Dieser Zelltyp wird aus amorph aufgedampftem Silizium auf ein Trägermaterial (z.B. Glas) produziert. Der Wirkungsgrad und die Kosten dieser Solarzellen sind sehr niedrig. Der Materialverbrauch ist geringer.
Silizium Tandemzellen
Bei Tandemzellen werden zwei Solarzellen übereinander angeordnet, die in unterschiedlichen Wellenbereichen arbeiten. Durch das breitere Ausnützen des Lichtspektrums erreicht man höhere Wirkungsgrade.
Die oberen Zellen werden dünn und durchscheinend ausgeführt , nicht absorbiertes Licht nutzen die darunter liegenden Zellen. Sie sind teuer.
Perowskit Solarzellen
Neueste Entwicklungen verwenden Solarzellen auf Perowskit-Basis. Diese Technologie eignet sich hervorragend in Kombination mit kristallinen Siliziumzellen. Wirkungsgrade oberhalb 20% sind möglich.
Perowskite sind spezielle Halbleiter, bei denen die spektrale Empfindlichkeit in einem weiten Bereich durch die Zusammensetzung der Materialien eingestellt werden kann.
Perowskit Solarzellen können auch den grünen bis blauen Lichtbereich nutzen.
Mehrfachsolarzellen
Für Mehrfachsolarzellen werden wenige Mikrometer dünne Schichten aus III-V-Halbleitern auf Siliziumsolarzellen aufgedampft. Damit werden mehrere transparente Zellen übereinander angeordnet, die in verschiedenen Wellenlängenbereichen arbeiten.
Die nutzbaren Wellenlängenbereiche dieser Solarzellen liegen bei 300-600nm; 600-840nm und 800-1.200nm. Wirkungsgrade bis 36% sind erreichbar.
Solarzellen mit Nanotechnologie
Nanodraht-Solarzellen bestehen aus einem Substrat aus Silizium, auf der viele winzige Säulen aus Galliumarsenid abgeschieden werden. Diese weisen einen Durchmesser von 50 bis 300 Nanometern und eine Höhe von bis zu 30 Mikrometern auf.
Sie bilden eine Art Wald aus Solarzellen, in die von oben die Sonne hineinscheint. Die aktive Fläche ist viel größer als bei herkömmlichen Solarzellen. Damit erhoffen sich die ForscherInnen eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades.
Wirkungsgrade von Solarzellen
Den Weltrekord für den Wirkungsgrad von Solarzellen erreichte ein Team des US National Renewable Energy Laboratory mit 47,1% .
Grundlage bildete eine Sechsfach-Solarzelle, die auf der Basis von Halbleitermaterialien, die aus den Gruppen III (Bor, Aluminium, Gallium, Indium) und V (Phosphor, Arsen, Antimon, Bismut) des Periodensystems der Elemente stammen, zusammengesetzt wurde.
Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg erreichte einen Wirkungsgrad von 35,1% mit einer monolithischen Mehrfachsolarzelle. Mit einer Siliziumsolarzelle auf Dünnschichtbasis stellte dasselbe Institut mit 24,3% ebenfalls einen neuen Rekord auf.
Mit einer Vierfach-Solarzelle erreichte das Fraunhofer-Forschungsinstitut gar einen Wirkungsgrad von 46%.
| Bauart der Solarzelle | Wirkungsgrad |
| Amorphes Silizium | 8% |
| Polykristallines Silizium | 15-20% |
| Monokristallines Silizium | 20-22% |
| Silizium Dünnschicht | 24,3 |
| Perowskit Tandem Solarzelle | 29% |
| Mehrfachsolarzelle monolithisch | 35% |
| Mehrfachsolarzelle 6-fach Weltrekord | 47% |
Auch wenn derzeit Solarzellen nur mit Wirkungsgraden von 20-25% in der Praxis anwendbar sind, zeigt doch die Forschung eine Richtung hin zur Verdopplung der Wirkungsgrade.
Das ist von Bedeutung, höhere Wirkungsgrade brauchen entsprechend weniger Fläche für die gleiche Energiemenge .
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Teil 1: Photovoltaikanlagen gegen den Klimawandel – Heute und in Zukunft
Teil 2: Photovoltaikanlagen gegen den Klimawandel – Charakteristik von PV