Solarzellen – Photovoltaik

Das Wort Photovoltaik setzt sich zusammen aus dem griechischen Wort für Licht und dem Namen des Physikers Alessandro Volta. Photovoltaik bezeichnet die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie mittels Solarzellen. Der Umwandlungsvorgang beruht auf dem bereits 1839 von Alexander Becquerel entdeckten Photoeffekt. Darunter versteht man die Freisetzung von positiven und negativen Ladungsträgern in einem Festkörper durch Lichteinstrahlung. Diesen Effekt nutzen Solarzellen.

Wie funktioniert eine Solarzelle?

Solarzellen für die Photovoltaik bestehen aus einem Halbleiter. Halbleiter sind Elemente, die unter Zufuhr von Licht oder Wärme elektrisch leitfähig werden, während sie bei tiefen Temperaturen isolierend wirken.

Etwa 90 % aller auf der Welt produzierten Solarzellen bestehen aus Silizium (Si). Silizium bietet den Vorteil, dass es als zweithäufigstes Element der Erdrinde in ausreichenden Mengen vorhanden und die Verarbeitung des Materials umweltverträglich ist.

Zur Herstellung einer Solarzelle wird das Halbleitermaterial “dotiert”. Damit ist das definierte Einbringen von chemischen Elementen gemeint, mit denen man entweder einen positiven Ladungsträgerüberschuss (p-leitende Halbleiterschicht) oder einen negativen Ladungsträgerüberschuss (n-leitende Halbleiterschicht) im Halbleitermaterial erzielen kann. Werden zwei unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten gebildet, entsteht an der Grenzschicht ein sogenannter pn-Übergang.

An diesem Übergang baut sich ein inneres elektrisches Feld auf, das zu einer Ladungstrennung der bei Lichteinfall freigesetzten Ladungsträger führt. Über Metallkontakte kann eine elektrische Spannung abgegriffen werden. Sobald sich der äußere Kreis schließt, indem ein elektrischer Verbraucher angeschlossen wird, fließt ein Gleichstrom. Standard-Siliziumzellen sind 156 mm x 156 mm groß und hauchdünn. Eine durchsichtige Antireflexschicht schützt die Zelle und vermindert die Reflexionsverluste an der Zelloberfläche.

Eigenschaften einer Solarzelle

Die von Solarzellen erzeugte Spannung ist abhängig vom Halbleitermaterial. Bei Silizium beträgt sie je nach Betriebstemperatur zwischen 0,5 bis 0,7 V. Die Klemmenspannung ist nur schwach von der Lichteinstrahlung abhängig, während die Stromstärke bei höherer Beleuchtungsstärke ansteigt. Bei einer 156 mm x 156 mm großen Siliziumzelle erreicht die maximale Stromstärke unter Bestrahlung von 1000 W/m² etwa einen Wert von 5,5 A.

Die Leistung (Produkt aus Strom und Spannung) einer Solarzelle ist allerdings temperaturabhängig. Silizium-Solarzellen haben einen negativen Temperaturkoeffizienten. Mit steigender Temperatur sinkt der Wirkungsgrad, weil ein kleinerer Teil der eingestrahlten Lichtmenge in nutzbare elektrische Energie umgewandelt wird.

Typen von Silizium-Solarzellen

Je nach Kristallart unterscheidet man drei Zelltypen: monokristallin, polykristallin und amorph. Zur Herstellung von monokristallinen Siliziumzellen benötigt man hochreines Halbleitermaterial. Aus einer Siliziumschmelze werden einkristalline Stäbe gezogen und anschließend in dünne Scheiben (Wafer) gesägt. Durch dieses Herstellungsverfahren erreicht man die höchsten Wirkungsgrade.

Kostengünstiger ist die Herstellung von polykristallinen Zellen. Dabei wird flüssiges Silizium in Blöcke gegossen, die anschließend in Wafer gesägt werden. Bei der Erstarrung des Materials bilden sich unterschiedlich große Kristallstrukturen aus, an deren Grenzen Defekte auftreten. Diese Kristalldefekte haben einen geringeren Wirkungsgrad der Solarzelle zur Folge.

Um Material und damit Kosten zu sparen, werden die Wafer so dünn wie möglich gesägt. Sie sind in der Regel nur noch 0,18 mm (180 µm) dick, also kaum dicker als ein menschliches Haar (50 bis 100 µm).

Wenn eine Siliziumschicht aus der Gasphase auf Glas oder einem anderen Trägermaterial abgeschieden wird, entsteht amorphes Silizium. Weil Silizium das Sonnenlicht sehr gut absorbiert, genügt schon eine hauchdünne Schicht, um Strom zu erzeugen. Die Siliziumschicht ist dünner als 1 µm (Zum Vergleich: ein menschliches Haar ist rund 50 µm dick), sodass die Produktionskosten der Silizium-Dünnschichtmodule vor allem wegen der geringeren Materialkosten niedriger sind. Die Wirkungsgrade amorpher Siliziumzellen liegen allerdings deutlich unter denen der anderen beiden Zelltypen. Anwendung finden derartige Zellen vor allem im Kleinleistungsbereich (Uhren, Taschenrechner) oder als Fassadenelemente.

Dünnschichtmodule

Um Dünnschicht-Solarzellen herzustellen, kommt eine ganze Reihe von chemischen Elementen in Frage, die in einer bestimmten Kombination Photovoltaik-Strom erzeugen können. Kommerziell erfolgreich sind allerdings bisher nur zwei Dünnschichtsolarzellen: Zellen aus Kupferindiumgalliumdiselenid (CIGS-Zellen) und Zellen aus Cadmiumtellurid (CdTe-Zellen). Die Dünnschichttechnologie hat den großen Vorteil, dass man die Solarzellen schon während des Fertigungsprozesses zu einem kompletten Photovoltaikmodul verschalten kann. Die Fertigung im Durchlaufverfahren ist jedoch sehr anspruchsvoll. Im Gegensatz zur kristallinen Technologie zeichnet sich die Dünnschichttechnologie dadurch aus, dass die Wirkungsgrade der Photovoltaik-Module deutlich geringer sind als die Wirkungsgrade der im Labor hergestellten Solarzellen (siehe Tabelle).

Photovoltaik – Von der Solarzelle zum Modul

Kristalline Silizium-Solarzellen werden einzeln hergestellt. Weil sie physikalisch bedingt nur eine Spannung von maximal etwa 0,7 V erreichen, muss eine große Anzahl durch hauchdünne Leiterbahnen elektrisch in Reihe verschaltet und zu einem Modul vereinigt werden. Ein handelsübliches Photovoltaik-Modul mit 72 Zellen liefert eine maximale Spannung von 46 V und einen maximalen Strom von 5,2 A. Am Arbeitspunkt (bei 36 V und 4,5 A) erreicht dieses PV-Modul eine Spitzenleistung (Peak-Leistung) von 165 Watt-peak (Wp). Um die Installation großer Photovoltaik-Anlagen zu vereinfachen, liefert die Industrie auch wesentlich größere PV-Module. Inzwischen werden bereits Module mit mehr als 500 Wp Leistung angeboten.

Die miteinander verschalteten Solarzellen werden in transparenten Kunststoff (Ethylenvinylacetat, EVA) eingebettet und frontseitig mit Glas abgedeckt. Die Rückseite eines Photovoltaik-Moduls besteht meist aus einer witterungsfesten Kunststoffverbundfolie. Als noch langlebiger gelten Glas-Glas-Module, bei denen eine zweite Glasscheibe die Rückseite bildet. Die elektrischen Leiterbahnen werden in einer Anschlussdose auf der Rückseite des Moduls zusammengeführt, das nun einsatzbereit ist und Strom liefert, sobald es von der Sonne beleuchtet wird. Die meisten Module werden zusätzlich gerahmt, um den Rand zu schützen. Der Rahmen besteht in der Regel aus Aluminium.

Die Kenndaten der Solarmodule beziehen sich auf die Standardtestbedingungen von 1000 W/m² Sonneneinstrahlung bei 25 °C Zelltemperatur. Die hierzu von den Photovoltaik-Herstellern angegebenen Garantiezeiten sind mit 10 Jahren oder mehr recht hoch und bezeugen den hohen Qualitätsstandard und die hohe Lebenserwartung heutiger Solarzellen und -module. Darüber hinaus geben die meisten Modulhersteller eine Leistungsgarantie von bis zu 25 Jahren. Typisch ist dabei, dass die Hersteller garantieren, dass das Modul nach zehn Jahren noch 90 % der ursprünglichen Nennleistung erzielt. Für weitere zehn bis fünfzehn Jahre garantieren sie dann mindestens eine Leistung von 80 % der Nennleistung.

Natürliche Grenzen des Wirkungsgrades

Außer an der Optimierung von Produktionsprozessen arbeiten Forschungsinstitute und Photovoltaik-Industrie auch an einer Erhöhung der Wirkungsgrade von Solarzellen, um somit zu einer Verbilligung des Photovoltaik-Stroms zu kommen. Unterschiedliche Verlustmechanismen setzen diesem Vorhaben aber Grenzen. Grundsätzlich sind die einzelnen Halbleitermaterialien oder -kombinationen nur für bestimmte Spektralbereiche des einfallenden Lichtes geeignet. Ein bestimmter Anteil der Strahlungsenergie lässt sich also nicht nutzen, weil die Lichtquanten (Photonen) nicht über ausreichend Energie verfügen, um Ladungsträger aktivieren zu können. Auf der anderen Seite wird ein gewisser Anteil an Photonen-Überschussenergie nicht in elektrische Energie, sondern in Wärme umgewandelt. Hierzu kommen optische Verluste, wie die Abschattung der Zelloberfläche durch die Kontaktierung oder die Reflexion einfallender Strahlung an der Zelloberfläche. Aber auch elektrische Widerstandsverluste im Halbleiter und in den Anschlussleitungen sind als Verlustmechanismen zu nennen. Der störende Einfluss von Materialverunreinigungen, Oberflächeneffekten und Kristalldefekten wirkt sich ebenfalls aus.

Einzelne Verlustmechanismen (Photonen mit zu geringer Energie werden nicht absorbiert, Photonen-Überschussenergie wird in Wärme umgewandelt) können nicht weiter optimiert werden, weil sie aus physikalischen Gründen durch das verwendete Material vorgegeben sind. Die theoretische Grenze des Wirkungsgrades monokristalliner Siliziumzellen liegt bei 29,4 %. Die besten Laborzellen sind davon nicht mehr weit entfernt.

Alternativen zur Silizium-Solarzelle

Neben den Standard-Solarzellen aus Silizium bietet der Markt aber auch Solarzellen aus anderen Halbleitermaterialien sowie Solarzellen mit komplexeren Aufbauten an. Das Spektrum der Solarzellentypen, an den Forschungsinstitute arbeiten, ist sehr breit gefächert, aber die meisten Prototypen sind noch weit von der Praxistauglichkeit entfernt. Serienreif wurden bisher nur die HIT-Zelle, die Stapelzelle und die Konzentratorzelle. Die Farbstoffsolarzelle, die organische Solarzelle und die Perowskit-Solarzelle haben immerhin gute Aussichten, in absehbarer Zeit die Serienreife zu erreichen.

Varianten von Solarzellen

HIT-Zelle: Durch die Kombination aus kristallinem und amorphem Silizium lässt sich der Wirkungsgrad steigern. Dadurch entsteht zum Beispiel die sogenannte HIT-Zelle. Der kristalline Silizium-Wafer wird doppelseitig mit amorphem Silizium beschichtet. Mit dieser Technologie wurde bereits ein Wirkungsgrad von mehr als 25 % erreicht.

Stapelzelle: Der Wirkungsgrad lässt sich auch dadurch steigern, dass man das Sonnenspektrum besser ausnutzt. Wenn man zwei Zellen aus Halbleitermaterialien, die jeweils auf einen bestimmten Spektralbereich optimiert sind, übereinander anordnet, dann verbreitert sich das Absorptionsspektrum. Wenn zwei stromerzeugende Schichten gestapelt werden, sporicht man von einer Tandemzelle. Auch dreifach gestapelte Zellen (Tripelzellen) sind möglich. Mit einer Tripelzelle, die aus drei unterschiedlich präparierten amorphen Siliziumschichten angefertigt wurde, wurde im Labor bereits ein Wirkungsgrad von 14,6 % erreicht. Auch die Leistung von Solarzellen aus Galliumarsenid (GaAs), die im Labor bereits 29 % Wirkungsgrad erreicht haben, kann im Verbund mit anderen Materialien (u.a. Galliumindiumphosphid, GaInP) erheblich gesteigert werden. Eine solche Stapelzelle kann einen Wirkungsgrad von 38 % erreichen. Die Herstellung ist aber so aufwendig, dass eine kommerzielle Nutzung noch nicht absehbar ist.

Farbstoffsolarzelle: Die Farbstoffsolarzelle beruht nicht auf Vorgängen der Festkörperphysik (wie die kristalline oder amorphe Siliziumsolarzelle), sondern auf einem elektrochemischen Prozess. Das Sonnenlicht wird durch einen organischen Farbstoff absorbiert, zum Beispiel durch den bekannten Farbstoff Chlorophyll, der die Pflanzenblätter grün färbt. Die Farbstoffsolarzelle ist also eigentlich aus der Bionik abgeleitet. Sie zeichnet sich durch einen relativ einfachen Herstellungsprozess und den Einsatz von preisgünstigen Materialien aus. Im Labor erreicht diese Zelle ein Wirkungsgrad von 12 %, Minimodule kommen auf 9 %. Weil die Zelle einen flüssigen Elektrolyten enthält, führen hohe Temperaturen häufig zu Gasbildung und Undichtigkeiten. Die Stromerzeugung wird schon nach kurzer Zeit instabil.

Organische Solarzelle: In der organischen Solarzelle sind Polymere, also spezielle Kohlenwasserstoff-Verbindungen, für die Absorption und Umwandlung des Sonnenlichts verantwortlich. Im Labor erreichen diese Solarzellen ein Wirkungsgrad von etwa 11 %, und auch an Minimodulen haben Wissenschaftler:innen bereits fast 10 % gemessen. Von der Marktreife sind diese Solarzellen noch weit entfernt.

Perowskit-Solarzelle: Die Perowskit-Solarzelle galt lange Zeit als exotisch, weil sie nur wenig mit den anderen Solarzellentypen gemein hat. Der Name Perowskit bezieht sich auf das im Ural abgebaute Mineral Kalziumtitanat (CaTiO3). Die Perowskit-Solarzellen weisen die besondere Kristallstruktur dieses Minerals auf. Sie bestehen jedoch aus anderen Elementen, zum einen aus einem organischen Bestandteil, der sich aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Stickstoff zusammensetzt, und zum anderen aus einem anorganischen Anteil, der sich aus Blei, Jod und Chlor zusammensetzt. Diese organisch-anorganische Hybridzelle zeichnet sich durch einen Wirkungsgrad aus, der im Labor innerhalb weniger Jahre von 3,9 auf 22 % gestiegen ist.
Weil auch diese Solarzelle nur eine geringe Stabilität hat, gilt vor allem eine Tandemzelle als besonders aussichtsreich. Eine kristalline Siliziumzelle wird mit einer Perowskit-Zelle beschichtet und erreicht vor allem deshalb einen sehr hohen Wirkungsgrad, weil das Absorptionsspektrum verbreitert wird. Während das kristalline Silizium das langweilige Licht absorbiert (rotes und infrarotes Licht), wandelt die Perowskit-Zelle den kurzwelligen Teil des sichtbaren Lichtes (blau und grün) in Solarstrom um. Diese Tandemzelle ist der Markteinführung schon wesentlich näher gekommen als die Farbstoffsolarzelle oder die Organische Zelle.

Konzentratorzelle: Die Leistung aller Solarzellen, unabhängig von ihrer Beschaffenheit, lässt sich durch Konzentration des Sonnenlichts deutlich steigern. Wenige Zentimeter oberhalb der Solarzelle ist eine Fresnel-Linse angebracht, die das Sonnenlicht auf die Solarzelle fokussiert. Damit sich die Solarzelle immer im Brennpunkt befindet, muss die Konzentratorzelle ständig der Sonne nachgeführt werden. Um die Nachführung zu vereinfachen, werden hunderte von Konzentratorzellen zu einem Modul vereinigt, das auf einem beweglichen Gestell montiert wird. Der erhöhte technische Aufwand ist mit entsprechend höheren Kosten verbunden, was sich allerdings in der Regel nicht durch den Mehrertrag amortisiert.

Markt für Photovoltaik-Solarzellen

Kristalline Solarzellen, sei es monokristallin oder polykristallin, beherrschen noch immer den Photovoltaik-Weltmarkt. Weil sich auch mit diesen klassischen Solarzellen noch nennenswerte Wirkungsgradsteigerungen erzielen lassen, wird sich an dieser Marktsituation auf absehbare Zeit voraussichtlich nichts ändern.

Abbildungen und Textpassagen mit freundlicher Genehmigung der Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie e.V., weitere Quelle: Konrad Mertens: Photovoltaik – Lehrbuch zu Grundlagen, Technologie und Praxis, 5. Auflage 2020.
Jüngste Überarbeitung dieses Beitrags: Dr. Detlef Koenemann, © SolarServer 2021

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