Solarzellen: Strom aus Licht

Solarzellen bestehen aus Halbleitermaterialien. Halbleiter werden unter Zufuhr von Licht oder Wärme elektrisch leitfähig, während sie bei tiefen Temperaturen isolierend wirken. Über 95 Prozent aller auf der Welt produzierten Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium (Si), dem zweithäufigsten Element der Erdrinde. Siliziumzellen sind etwa zehn Zentimeter mal zehn Zentimeter groß. Inzwischen produzieren die Hersteller auch Solarzellen mit 15 Zentimeter Kantenlänge. Eine durchsichtige Antireflexschicht schützt die Zelloberfläche und mindert Reflexionsverluste.

Um eine Solarzelle herzustellen, "dotieren" die Produzenten das Halbleitermaterial. Darunter versteht man das definierte Einbringen von chemischen Elementen, mit denen man entweder einen positiven Ladungsträgerüberschuss (p-leitende Halbleiterschicht) oder einen negativen Ladungsträgerüberschuss (n-leitende Halbleiterschicht) im Halbleitermaterial erzielt.

Aufbau einer Solarzelle (Grafik: Solarpraxis)

Eigenschaften einer Solarzelle

Die an Solarzellen abgreifbare Spannung ist abhängig vom Halbleitermaterial. Bei Silizium beträgt sie etwa 0,5 Volt. Die Klemmenspannung ist nur schwach von der Lichteinstrahlung abhängig, während die Stromstärke bei höherer Beleuchtungsstärke ansteigt. Bei einer 100 Quadratzentimeter großen Siliziumzelle erreicht die maximale Stromstärke bei einer Sonneneinstrahlung von 1.000 Watt pro Quadratmeter etwa einen Wert von drei Ampere.

Die Leistung einer Solarzelle (Produkt aus Strom und Spannung) ist temperaturabhängig. Höhere Zelltemperaturen führen zu niedrigeren Leistungen und damit zu einem schlechteren Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel der eingestrahlten Lichtmenge eine Solarzelle in nutzbare elektrische Energie umwandelt. Bei kristallinen Solarzellen aus Silizium sinkt die Leistung mit steigender Temperatur um etwa 0,5 Prozent pro Kelvin. Die Temperaturabhängigkeit von amorphem Silizium ist halb so groß im Vergleich zu kristallinem Silizium.

Zwei unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten bilden an ihrer Grenzschicht einen so genannten 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 man eine elektrische Spannung abgreifen. Schließt man einen elektrischen Verbraucher an fließt ein Gleichstrom.

Natürliche Grenzen beim Wirkungsgrad

Um die Solarstrom-Technik zu verbilligen, optimieren Industrie und Forschung neben Produktionsprozessen auch die Zellen-Wirkungsgrade. Unterschiedliche Verlustmechanismen setzen diesem Vorhaben aber Grenzen. Grundsätzlich sind die einzelnen Halbleitermaterialien oder -kombinationen nur für bestimmte Spektralbereiche des einfallenden Lichtes geeignet. Einen Teil der Strahlungsenergie können sie nicht nutzen, weil die Lichtquanten (Photonen) zu energiearm sind, um Ladungsträger "aktivieren" zu können. Ein gewisser Anteil an Photonen-Überschussenergie wird in den Zellen nicht in elektrische Energie, sondern in Wärme umgewandelt. Hinzu kommen optische Verluste an der Zelloberfläche: Abschattung durch elektrische Kontakte und Reflexion einfallender Strahlung. Auch elektrische Widerstandsverluste im Halbleiter und in den Anschlussleitungen führen zu Energieverlusten. 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) kann man nicht weiter reduzieren, weil sie aus physikalischen Gründen durch das verwendete Material vorgegeben sind. Dies führt zu einem theoretisch maximalen Wirkungsgrad von beispielsweise etwa 28 Prozent bei kristallinem Silizium.

Dennoch gibt es einige Möglichkeiten, den Wirkungsgrad von Solarzellen zu verbessern. Oberflächenstrukturen, wie zum Beispiel Zelloberflächen in Pyramidenform, können Reflexionsverluste vermindern. Tandem- oder Stapelzellen nutzen ein breiteres Strahlungsspektrum. Dazu ordnet man unterschiedliche Halbleitermaterialien übereinander an. Bei Konzentratorzellen fokussieren Spiegel- und Linsensystemen die Sonnenstrahlung auf die Solarzellen und erhöhen somit die Lichtintensität. Solche Systeme muss man allerdings der Sonne nachführen, um stets die direkte Strahlung auszunutzen.

Solarzellenarten

Je nach Kristallart unterscheidet man drei Typen: monokristalline, polykristalline und amorphe Solarzellen. Um monokristalline Siliziumzellen herstellen zu können, 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, diese anschließend in Scheiben gesägt. Während das Material erstarrt bilden sich unterschiedlich große Kristallstrukturen aus, an deren Grenzen Defekte auftreten. Diese Kristalldefekte führen zu einem gegenüber monokristallinen Solarzellen geringeren Wirkungsgrad.

Polykristalline Solarzelle (Foto: Ersol)

Werden auf Glas, Kunststoff oder Metall Halbleiterschichten abgeschieden, spricht man von amorphen- oder Dünnschichtzellen. In der industriellen Produktion verwendet man dazu Silizium, Kupfer-Indium-Diselenid und Cadmium-Tellurid. Die Schichtdicken betragen weniger als ein Mikrometer. Zum Vergleich: Ein menschliches Haares ist zwischen 50 und 100 Mikrometer dick. Von den Dünnschichtzellen erhofft sich die Branche schon seit langem billigere Produktionskosten, schon allein wegen der geringeren Materialkosten. Allerdings existieren bis heute nur vergleichsweise bescheidene Fertigungs- beziehungsweise Pilotanlagen.

Eine Mischung aus kristalliner und amorpher Solarzelle ist die HIT-Zelle von Sanyo (HIT steht für Heterojunction with Intrinsic Thin layer). Die HIT-Zellen sind im Gegensatz zu den üblicherweise 0,3 Millimeter hohen kristallinen Zellen nur 0,2 Millimeter dick, erreichen aber dennoch Wirkungsgrade von über 17 Prozent. Bei HIT-Zellen handelt es sich um monokristalline Siliziumwafer, die von zwei amorphen Silizium-Schichten umgeben sind. Die höhere Energieausbeute rührt von einem besseren Wirkungsgrad bei hohen Temperaturen und einer besseren Ausnutzung des Einstrahlungsspektrums her.

Von der Zelle zum Modul

Um für den Einsatz geeignete Spannungen beziehungsweise Leistungen anbieten zu können, werden einzelne Solarzellen zu Solarmodulen verschaltet. Eine Serienschaltung der Zellen hat eine höhere Spannung zur Folge, eine Parallelschaltung einen höheren Strom. Die miteinander verschalteten Solarzellen werden meist in transparentem Ethylen-Vinyl-Acetat eingebettet, mit einem Rahmen aus Aluminium oder Edelstahl versehen und frontseitig transparent mit Glas abgedeckt.

Solarmodul-Produktion (Foto: Solar-Fabrik)

Die typischen Nennleistungen solcher Solarmodule liegen zwischen zehn und 100 Watt. Die Kenndaten der Solarmodule beziehen sich auf Standardtestbedingungen von 1.000 Watt pro Quadratmeter Sonneneinstrahlung bei 25 Grad Celsius Zelltemperatur.