Das Wort Photovoltaik ist eine Zusammensetzung aus dem griechischen Wort für Licht und dem Namen des Physikers Alessandro Volta. Es bezeichnet die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie mittels Solarzellen. Der Umwandlungsvorgang beruht auf dem bereits 1839 von Alexander Bequerel entdeckten Photoeffekt. Unter dem Photoeffekt versteht man die Freisetzung von positiven und negativen Ladungsträgern in einem Festkörper durch Lichteinstrahlung. Welche Typen und Eigenschaften von Solarzellen gibt es?

Wie funktioniert eine Solarzelle?

Solarzellen bestehen aus verschiedenen Halbleitermaterialien. Halbleiter sind Stoffe, 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 dem Halbleitermaterial 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 p-n-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. Wird der äußere Kreis geschlossen, das heißt ein elektrischer Verbraucher angeschlossen, fließt ein Gleichstrom. Standard-Siliziumzellen sind heute 156 mm x 156 mm groß. Eine durchsichtige Antireflexschicht dient zum Schutz der Zelle und zur Verminderung von Reflexionsverlusten an der Zelloberfläche.

Prinzipieller Aufbau einer kristallinen Solarzelle

Eigenschaften einer Solarzelle

Die an Solarzellen abgreifbare Spannung ist abhängig vom Halbleitermaterial. Bei Silizium beträgt sie etwa 0,5 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 1.000 W/m² etwa einen Wert von 5,5 A.

Die Leistung (Produkt aus Strom und Spannung) einer Solarzelle ist temperaturabhängig. Höhere Zelltemperaturen führen zu niedrigeren Leistungen und damit zu einem schlechteren Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad gibt an, wieviel der eingestrahlten Lichtmenge in nutzbare elektrische Energie umgewandelt wird.

Die Grafik beschreibt die Eigenschaft einer Solarzelle in der Strom-Spannungskennlinie.
Prinzipielle Strom-Spannungs-Kennlinie einer Si-Solarzelle

Unterschiedliche Zelltypen

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 gesägt. Dieses Herstellungsverfahren garantiert relativ hohe Wirkungsgrade.

Kostengünstiger ist die Herstellung von polykristallinen Zellen. Dabei wird flüssiges Silizium in Blöcke gegossen, die anschließend in Scheiben 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.

Wird auf Glas oder anderes Substratmaterial eine Siliziumschicht abgeschieden, spricht man von amorphen- oder Dünnschichtzellen. Die Schichtdicken betragen weniger als 1 µm (Dicke eines menschlichen Haares: 50-100 µm), so dass die Produktionskosten allein wegen der geringeren Materialkosten niedriger sind. Die Wirkungsgrade amorpher Zellen liegen allerdings unter denen der anderen beiden Zelltypen. Anwendung finden sie vor allem im Kleinleistungsbereich (Uhren, Taschenrechner) oder als Fassadenelemente.

Material Wirkungsgrad in %
Labor
Wirkungsgrad in %
Produktion
Monokristallines Silizium etwa 26 24
Polykristallines Silizium etwa 22 20
Amorphes Silizium etwa 14 8

Von der Zelle zum Modul

Um für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche geeignete Spannungen bzw. Leistungen bereitstellen zu können, werden einzelne Solarzellen zu größeren Einheiten miteinander verschaltet. Eine Serienschaltung der Zellen hat eine höhere Spannung zur Folge, eine Parallelschaltung einen höheren Strom. Die miteinander verschalteten Solarzellen werden meist in transparentem Ethylenvinylacetat eingebettet, mit einem Rahmen aus Aluminium oder Edelstahl versehen und frontseitig transparent mit Glas abgedeckt. Die Rückseite besteht aus einer witterungsfesten Kunststoffverbundfolie. Einen solchen Aufbau nennt man Photovoltaik-Modul. Solche PV-Module sind universell für netzgekoppelte Photovoltaik-Anlagen, aber auch für netzunabhängige Solaranlagen einsetzbar.

Die typischen Nennleistungen solcher Solarmodule liegen zwischen 50 Wpeak und 250 Wpeak. Hochleistungsmodule erreichen auch mehr als 300 Wpeak. Die Kenndaten der Solarmodule beziehen sich auf die Standardtestbedingungen von 1000 W/m² Sonneneinstrahlung bei 25 °C Zelltemperatur. Die von den Herstellern angegebenen Garantiezeiten sind mit 10 Jahren recht hoch und bezeugen den hohen Qualitätsstandard und die hohe Lebenserwartung heutiger Produkte. Darüber hinaus geben die meisten Hersteller 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 garantiert sie dann mindestens eine Leistung von 80 % der Nennleistung.

Natürliche Grenzen beim Wirkungsgrad

Außer an der Optimierung von Produktionsprozessen arbeitet man auch an einer Erhöhung der Wirkungsgrade, um zu einer Verbilligung der Solarzellen 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 kann also nicht genutzt werden, 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. Hinzu kommen optische Verluste, wie die Abschattung der Zelloberfläche durch die Kontaktierung oder die Reflexion einfallender Strahlung an der Zelloberfläche. Auch elektrische Widerstandsverluste im Halbleiter und in den Anschlussleitungen sind als Verlustmechanismen zu nennen. Der störende Einfluss von Materialverunreinigungen, Oberflächeneffekten und Kristalldefekten ist ebenfalls nicht unerheblich.

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. Dies führt zu einem theoretisch maximalen Wirkungsgrad von beispielsweise etwa 28 % bei kristallinem Silizium.

Die Grafik zeigt die Typen und Eigenschaften von Solarzellen in Bezug auf die Bandlücke.
Typen und Eigenschaften von Solarzellen: Maximale theoretische Wirkungsgrade verschiedener Solarzellen.

Alternativen zur Silizium-Solarzelle

Neben den Standard-Solarzellen aus Silizium bietet der Markt heute auch Solarzellen aus anderen Halbleitermaterialien und Solarzellen mit komplexeren Aufbauten an. Forscher entwickelt zudem neue, erfolgsversprechende Zelltypen. Folgende Typen und Eigenschaften von Solarzellen sind vielversprechend.

Dünnschicht-Solarzellen: Dünnschicht-Solarzellen können auch aus Galliumarsenid (GaAs), Cadmiumtellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-(Gallium)-Schwefel-Selen-Verbindungen (CIGS-Solarzellen) bestehen.

Tandem- oder Stapelzellen: Um ein breiteres Strahlungsspektrum nutzen zu können, werden unterschiedliche Halbleitermaterialien, die für verschiedene Spektralbereiche geeignet sind, übereinander angeordnet.

Konzentratorzellen: Durch die Verwendung von Spiegel- und Linsensystemen wird eine höhere Lichtintensität auf die Solarzellen fokussiert. Diese Systeme werden der Sonne nachgeführt, um stets die direkte Strahlung auszunutzen.

Perowskit-Solarzellen: Derzeit noch in der Entwicklung befinden sich Perowskit-Solarzellen. Sie gelten als besonders chancenreich, weil sie günstig herstellbar und wesentlich dünner als Siliziumzellen aufgebaut sind. Außerdem nutzen sie das grüne und blaue Licht des Spektrums und können daher mit Silizium, das eher den roten Spektralbereich abdeckt, zur Tandem-Solarzelle kombiniert werden. Bisher konnte die Forschung aber noch keine ausreichende Lebensdauer von Perowskit-Solarzellen erreichen.

Grätzel-Zelle: Elektrochemische Flüssigkeitszelle mit Titandioxid als Elektrolyten und einem Farbstoff zur Verbesserung der Lichtabsorption. Diese Form der Solarzelle ist bisher nicht über das Forschungsstadium hinweg gekommen.

Organische Solarzellen: Diese Solarzellen bestehen nicht aus anorganischen Halbleitern sondern aus organischen Kohlenwasserstoffverbindungen. Diese speziellen Kunststoffe weisen eine Struktur auf, die ihnen vergleichbare Eigenschaften wie denen von anorganischen Halbleitern verleihen.

Text und Abbildungen mit freundlicher Genehmigung der Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie e.V./ Überarbeitung SolarServer 2019

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