Solarzellen

Aufbau von Solarzellen

Entwicklung der Photovolatik

In der Photovoltaik wird die direkte und indirekte Strahlungsenergie der Sonne genutzt, um daraus über Solarzellen Strom zu erzeugen. Heutzutage wird überwiegend Silizium verwendet, um das Sonnenlicht in Strom umzuwandeln. Die Idee dahinter ist nicht neu, sondern wurde schon 1876 entdeckt. Damals experimentierte man noch mit dem Element Selen und stellte schnell fest, dass der Wirkungsgrad sehr gering ist, nämlich unter 1%. Erst 1953 entdeckte man, dass der Lichteinfall auf Siliziumscheiben auch einen Stromfluss hervorruft. Damit war die Grundlage für die moderne Silizium-Solarzelle wie sie heute überwiegend eingesetzt wird war geschaffen. Inzwischen knapp 90% aller weltweit gefertigten Solarzellen aus Silizium. Diese modernen Zellen schaffen inzwischen einen Wirkungsgrad von über 20%.

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Schon gewusst.

Die Umwandlung von Licht in Strom wurde vor 150 Jahren das erste Mal entdeckt.

Damals erreichte man einen Wirkungsgrad von knapp 1%, heute ist man bei über 20%.

Die Voraussetzung, dass Solarzellen überhaupt Strom erzeugen können, ist die Solarstrahlung, welche von der Sonne ausgeht. Diese ist auf der Erde unterschiedlich intensiv. So ist zum Beispiel die Strahlungsintensität für eine flach auf dem Boden liegende Scheibe in der Nähe des Äquators ungefähr 2.000 kWh/m2/Jahr, in Deutschland nur noch knapp die Hälfte mit 900 -1.000 kWh/m2/Jahr. Die etwas kryptische Einheit am Ende bedeutet grob übersetzt Energie pro Fläche innerhalb von einem Jahr. Der Grund für die Unterschiede in der Strahlungsintensität hängt insbesondere davon ab, dass die Erde gekrümmt ist. Dadurch trifft die gleiche Menge an Strahlung in Deutschland auf eine größere Fläche als am Äquator. Um diesen Umstand auszugleichen werden die Solarmodule deshalb meist leicht angewinkelt und nicht einfach flach auf den Boden gelegt. Ein Winkel von 30 Grad ist dabei ideal. Daher eignen sich schräge Flächen, wie z.B. Häuser sehr gut, um darauf Photovoltaik zu installieren. Auf ebenen Flächen beispielsweise bei freistehenden Anlagen werden diese zum Anwinkeln auf spezielle Gestelle montiert. Zusätzlich richtet man die PV- Module in Richtung der Sonne aus, damit möglichst viel Licht eingefangen wird. Eine Gute Ausrichtung ist entweder nach Süden oder in Ost-West Richtung.

Aufbau einer Solarzelle

Vom Aufbau her kann man sich eine Solarzelle wie ein Sandwich vorstellen. In der Mitte sitzt eine Siliziumscheibe. Diese ist wiederum von zwei Schichten zum Beispiel einer aus Bor, der sogenannten p-Dotierung, und einer aus Phosphor, der sogenannten n-Dotierung, umgeben. Das „p“ bedeutet, hier eine positive Ladungsverschiebung hervorgerufen wird, das „n“ steht für eine negative Ladungsverschiebung. Dadurch ergibt sich eine Ladungstrennung mit negativen Elektronen auf der einen und positiven Ladungsträgern auf der anderen Seite. Umgeben wird das Ganze von einer Antireflexionsschicht auf der Vorderseite und einer Trägerschicht auf der Rückseite. Es entsteht also ein Plus- und ein Minuspol. Hält man die Solarzelle jetzt noch in die Sonne, verbindet diese über einen Draht miteinander und schließt dazwischen eine Glühlampe würde diese, wenn auch nur sehr schwach, leuchten. Je mehr Licht nun auf die Zelle fällt, desto mehr Strom fließt auch und desto heller leuchtet die Lampe.

Verschiedene Arten von Solarzellen

Inzwischen gibt es eine Vielzahl an verschiedenen Solarzellen am Markt die gängigsten darunter sind Monokristalline Zellen, Polykristalline Zellen und Dünnschichtzellen, welche alle auf Silizium aufbauen. Inzwischen rücken aber auch sogenannte organische Solarzellen immer mehr in den Fokus, vor allem durch ihre geringen Produktionskosten und die größere Gestaltungsfreiheit.

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Wirkungsgrad-Ranking von Solarzellentypen
  1. Monokristalline Zellen > 20%

  2. Organische Zellen 17%

  3. Polykristalline Zellen 14%

  4. Dünnschichtzellen 10%

Monokristalline Solarzellen

Monokristalline Solarzellen sind, mit einem Marktanteil von über 85%, die mit Abstand am weitesten verbreitete Zellart. Der Grund für die große Verbreitung liegt vor allem in dem hohen Wirkungsgrad von mittlerweile über 20% und dem guten Schwachlichtverhalten. Dem gegenüber stehen vergleichsweise hohe Produktions- und damit Anschaffungskosten. Diese relativieren sich jedoch im Laufe der Zeit durch die deutlich höhere Stromausbeute und eine bessere Rendite. Monokristalline Zellen werden in einem mehrstufigen Verfahren hergestellt, bei dem man zunächst hochreine Siliziumstäbe aus einer Schmelze herauszieht. Anschließend zersägt man diesen Block in Scheiben, die sogenannten Wafer. Während des Ziehens der Stäbe erstarrt das Silizium zu einem einzigen Kristall mit einem homogenen Kristallgitter. Aus dieser Anordnung ergibt sich der hohe Wirkungsgrad, da es nicht zu einem Energieverlust in den Grenzbereichen verschiedener Kristalle kommt.

Polykristalline Solarzellen

Polykristallinen Solarzellen sind im Gegensatz zu den monokristallinen Zellen deutlich günstiger in der Herstellung, weisen jedoch auch einen erheblich niedrigeren Wirkungsgrad von ca. 14% auf. Die Herstellung dieser Zellen erfolgt durch das Gießen von flüssigem Silizium in Blockformen. Sobald das Silizium erstarrt, bildet sich eine Vielzahl an Kristallen und es entsteht die typische Eisblumenform. Diese Struktur senkt den Wirkungsgrad erheblich, da es an den Grenzbereichen zwischen den Kristallen zu Energieverlusten kommt. Plykristalline und monokristalline Solarzellen gehören beide zu den sogenannten Dickschichtzellen und machen heute gemeinsam einen Marktanteil von ca. 95% aus.

Dünnschichtzellen

Dieser Zelltyp ist eine extrem kostengünstige Option zur Nutzung von Sonnenenergie. Im Gegensatz zu den Dickschichtzellen wird nur sehr wenig hochreines Silizium benötigt, wodurch die Produktionskosten niedriger ausfallen. Bei der Herstellung von Dünnschichtzellen dampft man das Silizium auf ein Trägermaterial, meistens Glas, auf. Die resultierende Schicht ist extrem dünn und wird meist gleich mit einer zweiten Glasplatte hermetisch abgedichtet, sowie direkt zu einem Modul verschaltet. Moderne Dünnschichtzellen kommen auf einen Wirkungsgrad von 5-10 %. Trotz des geringen Wirkungsgrades sind diese Zellarten besonders für spezielle Anwendungsgebiete, wie Fassaden-PV interessant.

Organische Solarzellen

Organische Solarzellen spielen im Moment eine sehr untergeordnete Rolle und befinden sich noch hauptsächlich im Forschungsstadium. Hierzu zählen beispielsweise Zellen aus Polymeren oder Farbstoffzellen. Das Theoretische Potenzial dieser Zellen wird zwar als extrem groß angesehen, jedoch kann davon heute nur ein Bruchteil realisiert werden. Der maximale Wirkungsgrad dieser Zellen wird auf bis zu 95% geschätzt. Zum Vergleich der maximale Wirkungsgrad von monokristallinen Solarzellen liegt bei ungefähr 44%. Allerdings kommen heutige organische Zellen eher auf 17%. Dazu kommt die geringe Lebensdauer von ungefähr 5000h, welche auf die Instabilität der Zellmaterialien unter Sonnenlicht zurückzuführen ist.