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 Materialien, die unter Zufuhr von Licht oder Wärme elektrisch leitfähig sind, während sie bei tiefen Temperaturen isolierend wirken. Halbleiter haben ein mit Elektronen vollbesetzes Valenzband. Daher können sich diese Elektronen nicht bewegen und das Material leitet nicht. Erst wenn Elektronen energetisch angeregt werden, können sie in das Leitungsband gelangen. Gleichzeitig entstehen Löcher im Valenzband und dadurch wird das Material zum Stromleiter. Die Anregung kann durch Wärme oder Licht erfolgen. Da spezifische Bandlücke des Materials gibt dabei vor, welche Lichtfrequenz nötig ist, um die Elektronen anregen zu können.

Etwa 90 % aller auf der Welt produzierten Solarzellen bestehen aus dem Halbleiter Silizium (Si). Silizium bietet den Vorteil, dass es als zweithäufigstes Element der Erdrinde in ausreichenden Mengen vorhanden und die Verarbeitung des Materials umweltverträglich ist. Zudem hat es eine Bandlücke im Infrarotbereich und kann daher gut das sichtbare Licht zur Anregung von Elektronen nutzen

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 man eine elektrische Spannung abgreifen. Sobald sich der äußere Kreis schließt, indem man einen elektrischen Verbraucher anschließt, fließt ein Gleichstrom. 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 dann nur ein kleinerer Teil der eingestrahlten Lichtmenge in nutzbare elektrische Energie umgewandelt wird.

Natürliche Grenzen des Wirkungsgrades

Unterschiedliche Verlustmechanismen setzen dem Wirkungsgrad einer Solarzelle. 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. Daher gibt es eine theoretische Grenze des Wirkungsgrades. Bei monokristallinen Siliziumzellen liegt dieser bei 29,4 %.

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.

TOPCon-Solarzellen

Bis vor etwa drei Jahren dominierten p-Typ PERC-Solarzellen den Markt. Eine p-leitende, mit dem Element Bor dotierte Halbleiterschicht bildete die Basis. Mittlerweile haben sich jedoch sogenannte TOPCon-Solarzellen als Standard durchgesetzt. Der Umstieg von der PERC-Technologie auf TOPCon ging sehr schnell, weil die Prozessschritte sehr ähnlich sind und die Hersteller bestehende Solarzellen-Fertigungslinien relativ schnell und einfach umrüsten konnten.

Die TOPCon-Technologie hatte das Freiburger Solarforschungsinstitut Fraunhofer ISE im Jahr 2013 erstmals vorgestellt. Es handelt sich um n-Typ Solarzellen, die auf einer mit Phosphor dotierten, n-leitenden Halbleiterschicht basieren. Der Vorteil der n-Typ Solarzellen ist ein höherer Wirkungsgrad. In p-Typ Solarzellen kommt es zu einer lichtinduzierten Degradation, die im Wesentlichen auf Bor-Sauerstoff-Komplexe zurückzuführen ist und die die Zellspannung herabsetzt. Diese lichtinduzierte Degradation ist bei n-Typ Solarzellen kaum vorhanden. Zudem soll auch die Lebensdauer länger sein als bei p-Typ-Zellen.

Neben der n-leitenden Halbleiterschicht weist die TOPCon-Technologie eine weitere Besonderheit auf. TOPCon steht für „Tunneling through oxide layer passivation contact”. In diesen Solarzellen befindet sich auf der Rückseite eine ultradünne Siliziumoxidschicht, durch die Ladungsträger nur durch den quantenmechanischen Tunneleffekt hindurchtunneln können. Diese Oxidschicht bewirkt eine Passivierung der Rückseite und verhindert, dass an der Oberfläche des n-Halbleiters eine Rekombination der Ladungsträger auftritt, die dadurch für die Gewinnung von Solarstrom verloren gehen würden.

HJT-Zelltechnologie

Neben der TOPCon-Technologie kann auch die Heterojunction-Technologie (HJT) Solarzellen mit sehr hohen Wirkungsgraden bereitstellen. Bei der HJT kombiniert man die Vorteile der kristallinen Silizium-Technologie mit der Dünnschichttechnologie, die auf amorphem Silizium basiert. Auch HJT-Solarzellen enthalten als Grundkomponente eine n-leitenden Halbleiterschicht, die man auf beiden Seiten mit amorphen Siliziumschichten beschichtet. Dabei sorgen sogenannte intrinsische amorphe Silizium-Dünnschichten für die Reduzierung der Rekombination. HJT-Solarzellen bezeichnet man daher auch als „Heterojunction with Intrinsic Thin Layer“ mit der Abkürzung HIT. Wegen der geringen Leitfähigkeit des amorphen Siliziums sind HJT-Zellen auf beiden Seiten mit einer Schicht aus transparentem und leitfähigem Oxid (TCO) versehen, wobei es sich meist um Indiumzinnoxid handelt.

HJT-Solarzellen unterscheiden sich in der Herstellung grundlegend von PERC- oder TOPCon-Zellen. Es sind weniger Prozessschritte nötig, aber dennoch sind die Kosten höher. Da für HJT-Zellen neue Fertigungslinien erforderlich sind, bietet diese Technologie auch Potenzial für neue Hersteller. Als Vorteile der HJT-Technologie gelten die Möglichkeit, großformatige Zellen herzustellen. Auch die Degradation soll durch die TCO-Schicht sehr gering sein. Zudem ist der Temperaturkoeffizient gering und die Solarzellen haben bei höheren Temperaturen weniger Leistungsverlust.

Rückkontakt-Solarzellen

Während sich TOPCon als Standard etabliert hat und Hersteller wie Meyer Burger in Sachsen-Anhalt HJT-Zellen schon länger kommerziell fertigen, sind Rückkontakt-Solarzellen noch relativ neu und gelten als der kommende technologische Fortschritt der Photovoltaik-Industrie. Die chinesischen Hersteller Longi und Aiko stellen bereits kommerzielle Rückkontakt-Solarzellen her.

Sowohl TOPCon-Solarzellen als auch HJT-Solarzellen können mit der Rückkontakt-Technologie (englisch Back Contact, BC) kombiniert werden. Die Kombination von TOPCon und BC ist unter der Bezeichnung TBC geläufig, HJT und BC kürzt die Branche als HBC ab. Auch p-Typ Solarzellen können als Rückkontaktzelle ausgestaltet sein wie die HPBC-Zelle des chinesischen Herstellers Longi. HPBC steht für „Hybrid Passivated Back Contact Cell“. Longi hält auch den Rekordwirkungsgrad für eine HBC-Solarzelle, die auf einem mit Gallium dotierten Silizium-Wafer basiert, mit 27,81 %.

Anders als bei herkömmlichen Solarzellen findet die Kontaktierung bei Rückkontaktzellen nicht auf der Vorder- und Rückseite statt, sondern ausschließlich auf der Rückseite. Dazu müssen auf der Rückseite von n-Typ BC-Zellen ineinandergreifende Elektroden und p-dotierte Schichten aufgebracht werden. Dieser Aufbau hat laut dem Whitepaper BC Technology, das die chinesischen Hersteller Longi und Aiko gemeinsam mit dem TÜV Rheinland und chinesischen Institutionen 2025 verfasst haben, gleich mehrere Vorteile. Der Verzicht auf Metallkontakte auf der Vorderseite vergrößert die aktive Fläche und die Effizienz der Lichtabsorption steigt um 3 bis 5 Prozent. Auch die Lichtreflexion auf der Vorderseite sinkt um 1,5 Prozent, weil die pyramidal strukturierte Oberfläche der Solarzelle vollflächig erhalten bleibt. Auch die parasitäre Absorption von Photonen fällt geringer aus. Zudem sinkt die Rekombination stark und die Lebensdauer der Ladungsträger steigt. Auch die Zuverlässigkeit der BC-Zellen soll besser sein als die von herkömmlichen Solarzellen.

Zudem ersetzt in der Massenproduktion ein Laserstrukturierungsprozess die Fotolithografie-Technologie. Das ermöglicht eine Steigerung der Produktionskapazität und verkürzt Prozessschritte. Die Autoren des Whitepapers gegen davon aus, dass es zu einem raschen Rückgang der Kosten für die Massenproduktion von BC-Zellen kommen wird und der weltweite Marktanteil dieser Technologie bis zu Jahr 2030 mehr als 60 % beträgt.

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. Zudem arbeiten Forschungsintiute an vielen neuen Varianten. Viele Prototypen sind aber noch weit von der Praxistauglichkeit entfernt. Serienreif wurden bisher nur die Stapelzelle, die Konzentratorzelle und die organische Solarzelle. Perowskit-Solarzellen haben immerhin gute Aussichten, in absehbarer Zeit die Serienreife zu erreichen.

Dünnschicht-Solarzellen

Dünnnschicht-Solarzellen gehören zu den kommerziell verfügbaren Zellen. Um sie 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.

Stapelzellen

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, spricht man von einer Tandemzelle. Auch dreifach gestapelte Zellen (Tripelzellen) sind möglich.

Organische Solarzelle 

In der organischen Solarzelle (OPV) sind Polymere, also spezielle Kohlenwasserstoff-Verbindungen, für die Absorption und Umwandlung des Sonnenlichts verantwortlich. Im Labor erreichen diese Solarzellen ein Wirkungsgrad von etwa 16 %. Organische Solarzellen kann man in Form von Folien herstellen, die man problemlos krümmen kann. Das deutsche Unternehmen ASCA fertigt zum Beispiel organische Photovoltiak-Folien, die über einen positiven Temperaturkoeffizienten verfügen und bei hohen Temperaturen mehr Strom liefern als bei niedirgen.

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 aus Blei, Jod und Chlor besteht.

Perowskit-Solarzellen haben nur eine geringe Stabilität, die jedoch beim Einsatz in Tandemzellen deutlich besser ist. Als Tandempartner kommen verschiedene Solarzelltypen in Frage. Bei der Kombination mit Silizium wird eine kristalline Siliziumzelle 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 sehr nahe. Der koreanische Hersteller Qcells hat 2025 mitgeteilt, dass seine in PV-Modulen verbauten Perowskit-Tandem-Solarzellen Belastungstests nach internationalen Normen bestanden haben. Der Wirkungsgrad dieser Tandemzellen erreicht 28,6 %. Longi hat für Tandem-Solarzellen, die aus Silizium sowie Perowskit bestehen, sogar schon einen Wirkungsgrad von 30,1 % erzielt.

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.

Photovoltaik – Von der Solarzelle zum Modul

Eine einzelne Silizum-Solarzelle liefert physikalisch bedingt nur eine Spannung von etwa 0,7 V. Um nutzbare Spannungen zu erreichen, muss eine große Anzahl von Solarzellen durch hauchdünne Leiterbahnen elektrisch in Reihe verschalten und zu einem Photovoltaik-Modul vereinigen. 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.

Ein 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). Die PV-Industrie bietet mittlerweile Photovoltaik-Module im Leistungsbereich von etwa 400 Wp für die Installation auf Hausdächern an. Solche Solarmodule sind etwa 2 m² groß und wiegen unter 30 kg. Für Solarparks sind größere PV-Module mit mehr als 3 m² Größe und 700 Wp Leistung gedacht.

Viele Photovoltaik-Anbieter verwenden in ihren Modulen Halbzellen. In Halbzellenmodulen sind die Solarzellen in zwei Hälften geteilt. Diese Solarmodule bestehen dann aus doppelt so vielen Solarzellen. Zumeist verschalten die Hersteller die Solarzellen der oberen und unteren Modulhälfte getrennt in Reihe. Beide Hälften werden dann parallel geschaltet. Durch die Halbierung sinkt der Widerstand und es kommt zu weniger Leistungsverlust. Auch bei Teilverschattung bietet diese Modulart Vorteile. Außerdem soll es eine geringe Neigung zu Hotspots geben und die Lichtreflexion zwischen den Solarzellen steigt.

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.

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, Whitepaper BC Technology 2025, China Electricity Council Solar Energy Branch, TÜV Rheinland, China General Certification Center, Aiko, Longi
Jüngste Überarbeitung dieses Beitrages: 22.05.2025, Jens Peter Meyer © SolarServer 2021

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