Solarzelle
Solarzellen sind eine Anwendung der Photovoltaik. Sie wandeln Lichtenergie in Gleichstrom unter Ausnutzung des photovoltaischen Effekts um. Sie funktionieren vom Prinzip her wie Photodioden und benötigen einen p-n-Übergang für die Ladungstrennung. Durch das Auftreffen von Photonen wird eine elektrische Spannung erzeugt, die durch Anschließen eines elektrischen Verbrauchers an der Solarzelle einen Strom fließen läßt. Die Spannung einer Solarzelle liegt bei den gebräuchlisten Zellen (kristalline Siliziumzellen) bei ca. 0,5 Volt. Um besser verwendbare Spannungen zu erreichen, werden in einem Solarmodul (auch Photovoltaikmodul) mehrere Solarzellen miteinander verschaltet. Die Zellen werden meist aus so genannten Wafern hergestellt, wie sie in der Computerindustrie üblich sind.
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Solarzellen können nach verschiedenen Verfahren hergestellt werden.
Das Grundmaterial Silizium ist das zweithäufigste Element, das in der Erdekruste vorkommt. Es liegt meist als Quarzsand vor. Aus diesem kann in einer Art Hochofenprozess Rohsilizium mit Verunreinigungen von ca. 1 % hergestellt werden. Dieser Prozess ist sehr energieaufwändig. Dennoch können die heute verwendeten Solarzellen die für ihre Produktion erforderliche Energiemenge innerhalb von 1,5 bis 7 Jahren (je nach Bauart) wieder erzeugen, haben also eine positive Energiebilanz. Aus dem Rohsilizium wird dann über einen mehrstufigen Prozess polykristallines Reinstsilizium hergestellt. Die bis heute (2003) hier angewendeten Verfahren sind für die Elektronikindustrie optimiert und bieten für die geforderte Reinheit von Solarsilizium, die wesentlich niedriger liegt als bei Elektronikanwendungen benötigt, noch deutlichesKostenreduktionspotential. Hier wird zur Zeit intensiv geforscht.
Das nun vorhandene Reinstsilizium kann auf sehr unterschiedliche Arten
weiterverarbeitet werden. Für polykristalline Zellen kommen größtenteils das
Gießverfahren, das Bridgman-Verfahren und das Bandzieh-Verfahren
(EFG-Verfahren) zum Einsatz. Monokristalline Zellen werden
fast immer nach dem Czochralski-Verfahren hergestellt. Bei allen Verfahren
gilt, dass die Dotierung mit Bor (s.u.) schon beim Herstellen der
Blöcke bzw. Säulen vorgenommen wird.
Das Gießverfahren dient zur Herstellung von polykristallinem Silizium. Das
Reinstsilizium wird in einem Tiegel mit Hilfe einer Induktionsheizung
aufgeschmolzen und dann langsam in eine quadratische Wanne gegossen, in der es
nun langsam erstarrt. Die Kantenlänge der Wanne beträgt ca. 50 cm, die Höhe
der erstarrten Schmelze ca. 30 cm. Der große Block wird in mehrere Säulen von
ca. 30 cm Länge zerteilt, es kann mit einer Ausbeute von ca. 70 % gerechnet
werden.
Das Bridgman-Verfahren dient ebenfalls zur Herstellung von polykristallinem
Silizium. Das Reinstsilizium wird hier ebenfalls in einem Tiegel mit Hilfe
einer Induktionsheizung aufgeschmolzen. Die langsame Abkühlung der Schmelze,
bei der sich große Zonen gleichgerichteter Kristallgitter ausbilden, findet
hier im gleichen Tiegel statt. Die geheizte Zone wird langsam von unten nach
oben im Tiegel angehoben, so dass sich oben bis zum Schluss flüssiges Silizium
befindet, während vom Tiegelboden her das Erstarren erfolgt. Hier sind die
Kantenlängen etwas größer als beim Gießverfahren (ca. 60 bis 70 cm), die Höhe
des Blocks beträgt ca. 20 bis 25 cm. Der große Block wird ebenfalls in mehrere
Säulen von ca. 20 bis 25 cm Länge zerteilt, bei einer Ausbeute von ca. 60 %.
Bei EFG-Verfahren (Edge-defined Film-fed Growth) läßt man aus Reinstsilizium
achteckige Röhren von ca. 5,6 m Länge nach unten wachsen. Die Kantenlänge der einzelnen Seiten beträgt 10 cm, die Wandstärke 280 µm. Nach
Fertigstellung der Röhre wird diese entlang der Kanten mit NdYAG-Lasern
geschnitten und in einem bestimmten Raster dann über die Breite der jeweiligen Seite. Daraus ergibt sich die Möglichkeit der Herstellung von Zellen mit unterschiedlichen Kantenlängen (zum Beispiel 10 x 15 cm oder 10 x 10 cm). Es
wird eine Ausbeute von ca. 80 % des Ausgangsmaterials erzielt. Bei den so
erzeugten Zellen handelt es sich ebenfalls um polykristallines Material,
welche sich vom Aussehen her deutlich von den gesägten Zellen unterscheidet. Unter anderem ist die Oberfläche der Zellen welliger. Dieses Verfahren wird auch Bandzieh-Verfahren genannt.
Das Czochralski-Verfahren wird für die Herstellung von langen monokristallinen Säulen genutzt. Vor der Herstellung der Zellen wird die
entstandene zylindrische Säule noch quadratisch zurechtgeschnitten.
Das Zonenschmelzverfahren dient auch der Herstellung monokristalliner
Siliziumsäulen. Die bei diesem Verfahren erzielte Reinheit ist im Normalfall höher als für die Solartechnik benötigt und auch mit sehr hohen Kosten verbunden. Deshalb wird diese Technik für die Solartechnik eher selten benutzt.
Die jeweiligen Säulen werden nun mit einem Drahtsägeverfahren in lauter
einzelne Scheiben, die so genannten Wafer, gesägt. Dabei entsteht aus einem
großen Teil des Siliziums Sägestaub, der allerdings gereinigt und wieder
eingeschmolzen werden kann. Die Dicke der entstehenden Scheiben liegt bei
ca. 0,25 bis 0,3 mm.
Eine weitere Quelle für Wafer ist der Ausschuss an Rohlingen für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen der Computerindustrie. Sind die Rohlinge dort nicht zur Weiterverarbeitung nicht geeignet, können sie teilweise noch als Solarzelle verwendet werden.
Die monokristallinen Zellen zeichnen sich durch eine homogene Oberfläche aus,
während bei den polykristallinen Zellen gut die einzelnen Zonen mit
verschiedener Kristallorientierung unterschieden werden können. Sie bilden ein
eisblumenartiges Muster auf der Oberfläche. Zu diesem Zeitpunkt sind Vorder-
und Rückseite der Zelle noch nicht festgelegt.
Die gesägten Wafer müssen nun noch mehrere chemischen Bäder durchlaufen, damit
die Sägeschäden behoben werden und sich eine Oberfläche ausbildet, die
besonders gut geeignet ist, Licht einzufangen. Hier gibt es verschiedene,
herstellerspezifische Konzepte.
Im Normalfall sind die Wafer schon mit einer Grunddotierung mit Bor
versehen. Diese bewirkt, dass es überschüssige freie Löcher
(positive Ladungen) gibt, das heißt, es können Elektronen eingefangen
werden. Dies wird auch p-Dotierung genannt. Auf dem Weg zur fertigen
Solarzelle mit p-n-Übergang muss nun die Oberfläche noch eine n-Dotierung bekommen, was durch Prozessierung der Zelle in einem Ofen in einer Phosphor-Atmosphäre geschieht. Die Phosphoratome schaffen eine Zone mit Elektronenüberschuss auf der Zelloberfläche die ca. 1 µm tief ist.
Als nächster Schritt werden die Zellen mit einer Antireflexionsschicht aus SiNx
oder TiO2 versehen.
Danach erfolgt die Bedruckung der Zelle mit den notwendigen Lötzonen und der
Struktur, welche für den besseren Abgriff des generierten elektrischen Stroms
sorgt. Die Vorderseite erhält meist zwei breitere Streifen, auf denen später
die Bändchen zum Verbinden mehrerer Zellen befestigt werden. Außerdem wird ein
sehr dünnes, elektrisch gut leitendes Raster aufgebracht, was einerseits den
Lichteinfall so wenig wie möglich behindern soll, andererseits die
Ladungsträger so schnell wie möglich einsammeln soll, damit der ohmsche
Widerstand so gering wie möglich ist. Die Rückseite wird meist vollflächig mit
einem gut leitenden Material beschichtet.
Nach der Prozessierung werden die Zellen nach optischen und elektrischen
Merkmalen klassifiziert, sortiert und für die Modulproduktion ausgeliefert.
Die Dünnschichtzellen werden im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Zellen
meist durch Abscheiden aus der Gasphase direkt auf einem Trägermaterial
aufgebracht. Dies kann Glas, Metallblech, Kunststoff oder auch ein anderes
Material sein. Der Materialeinsatz ist sehr gering, während die Kombinationen
der Halbleiter so gewählt sind, dass trotzdem ein recht hoher Wirkungsgrad
entsteht. Noch sind die Wirkungsgrade für großtechnische Anwendung niedriger
als bei der konventionellen Technik und die Haltbarkeit der Zellen im
Dauereinsatz muss erst noch bewiesen werden. Die Hoffnung ist, dass durch
technologische Fortschritte, den geringen Materialeinsatz und das große Feld
der möglichen Trägermaterialien in Zukunft eine kostengünstige Herstellung
möglich ist, so dass diese Technik auf lange Sicht die sehr kostenintensive
Dickschichttechnik ersetzen kann. Mögliche Materialien sind zum Beispiel
amorphes Silizium (a-Si), Gallium-Arsenid (GaAs), Cadmium-Tellurid (CdTe) oder
Kupfer-Indium-Gallium-Schwefel-Selen-Verbindungen (CIS, oder CIGS, wobei hier
S für Schwefel oder Selen stehen kann, je nach Zelltyp)
Dieser Zelltyp ist auch bekannt als Grätzel-Zelle. Bei diesem Zelltyp wird der Strom anders als bei den bisher aufgeführten Zellen über die Lichtabsorption eines Farbstoffes gewonnen. Es wird organischer Farbstoff (zum Beispiel der Blattfarbstoff Chlorophyll) als Lichtakzeptor verwendet. Die Funktionsweise der Zelle ist noch nicht im Detail geklärt, die kommerzielle Anwendung gilt als recht sicher, ist aber produktionstechnisch noch nicht in Sicht.
Hierbei handelt es sich eigentlich um einen Kollektor für
Solarstrahlung, eine Beschreibung findet sich beim Thema Solarmodul
(die Geschichte der Solarzelle beginnt ca. 1954 - wer weiß mehr ...?)
Bis gegen Ende der 90er Jahre des zwanzigsten Jahrhunderts waren Zellen mit
ca. 100 mm Kantenlänge (im Fachjargon auch Vier-Zoll-Zellen genannt) die
üblichste Baugröße. Danach wurden auch Fünf-Zoll-Zellen verstärkt eingeführt
und seit etwa 2002 sind auch Sechs-Zoll-Zellen (Kantenlänge ca. 150 mm) für
Standardmodule eine gängige Größe.
Zu Beginn der Kommerzialisierung der Solartechnik wurden häufig runde
Zellen eingesetzt, deren Ursprung von den meist runden Siliziumsäulen der
Computerindustrie herrührt. Inzwischen ist diese Zellenform relativ selten und
es werden quadratische Zellen, oder fast quadratische mit mehr oder weniger
abgeschrägten Ecken, eingesetzt.
Durch Sägen der fertig prozessierten Zellen entstehen für spezielle
Anwendungen im Kleingerätebereich auch Zellen mit kleineren Kantenlängen. Sie
liefern annähernd die gleiche Spannung wie die großen Zellen, jedoch
entsprechend der kleineren Fläche auch einen kleineren Strom.
Im EFG-Verfahren werden auch Zellen hergestellt, bei denen die Seiten des
entstehenden Rechtecks nicht die gleichen Längen haben.
Die Kenngrößen einer Solarzelle werden für die so genannten STC-Bedingungen
(Standard Test Conditions) angegeben. Das bedeutet es liegt eine
Einstrahlungstärke von 1000 W/m2 in Modulebene vor, die Temperatur
der Solarzelle beträgt konstant 25°C und es liegt ein Strahlungspektrum AM 1,5
global vor. Diese Bedingungen werden in einer Norm festgelegt (DIN EN 61215,
IEC 1215, DIN EN 60904, IEC 904). Hierbei steht AM 1,5 global für den Begriff
Air Mass, die 1,5 dafür, das die Sonnenstrahlen hierbei das 1,5-fache der
Atmossphärenhöhe durchlaufen, weil sie schräg auftreffen. Dadurch verschiebt
sich auch das Spektrum des auf das Modul treffenden Lichtes. Das "global"
steht für Globalstrahlung, die sich aus dem Diffus- und dem
Direktstrahlungsanteil der Sonne zusammensetzt.
Hierbei ist zu beachten, dass in der Realität insbesondere die Zelltemperatur
bei einer solchen Einstrahlung, die in Deutschland nur an wenigen Tagen
mittags erreicht wird, bei normalem Betrieb wesentlich höher liegt (je nach
Anbringung, Windanströmung etc. kann sie zwischen ca. 30 und 60 °C
liegen). Aus diesem Grund wurde auch eine weitere Bezugsgröße geschaffen,
PNOCT, die Leistung bei normaler Betriebstemperatur (normal
operating cell temperature).
gebräuchliche Abkürzungen für die Bezeichnungen sind
Solarzellen kann man nach vielen verschiedenen Kriterien einordnen. Das
gängiste Kriterium ist die Materialdicke. Hier wird nach Dickschicht- und
Dünnschichtzellen unterschieden. Ein weiteres Kriterium kann das Material
sein. Es gibt viele verschiedene Materialien, zum Beispiel CdTe, GaAs, CuInSe
und andere, das weltweit am häufigsten zum Einsatz kommende Material ist
jedoch Silizium. Silizium kann als Dickschicht- und als Dünnschichtmaterial
zur Anwendung kommen. Noch ein weiteres Kriterium kann die Atomstruktur sein,
hier wird die kristalline und die amorphe Struktur unterschieden. Amorphe
Materialien haben keine einheitliche Gitterstruktur. Um auch hier wieder auf
Silizium zurückzukommen: es gibt kristallines Silizium in
Dünnschichtanwendungen ebenso wie die gewöhnlichen Dickschichtzellen. Ein
weiteres Unterscheidungsmerkmal können spezielle Fertigungstechniken bei der
Prozessierung des Wafers zur Zelle sein, zum Beispiel besondere
Oberflächenstrukturierungen oder besondere Anordnungen der
Zellenkontaktierung. In der Dünnschichttechnik sind zudem noch verschiedenste
Kombinationen von Solarzellen möglich, die sozusagen übereinander gestapelt
werden können. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Gesamtanordnung sehr hoch
werden.
Eine Einteilung nach Materialien:
Herstellung einer Siliziumsolarzelle
Herstellung der Siliziumkristallsäulen
Gießverfahren
Bridgman-Verfahren
EFG-Verfahren
Czochralski-Verfahren
Zonenschmelzverfahren
Waferherstellung
Waferprozessierung
Andere Solarzellentypen
Dünnschichtzellen
Elektrochemische Farbstoff-Solarzelle
Fluoreszens-Zelle
Geschichte
Formen und Größen
Technische Merkmale
Die Kennwerte einer Solarzelle sind
Verschiedene Arten von Solarzellen
hohe Wirkungsgrade (großtechnisch bis zu 20 % Wirkungsgrad erzielbar, gut beherrschte Technik, allerdings erfordert die Herstellung einen sehr hohen Energieeinsatz, der sich deutlich negativ auf die Energierücklaufzeit auswirkt
inzwischen sind großtechnisch wohl Wirkungsgrade bis über 16 % möglich, relativ kurze Energierücklaufzeiten, bisher und wohl auch noch einige Zeit die Zelle mit dem günstigsten Preis-Leistungs-Verhältnis
hohe Wirkungsgrade, sehr temperaturbeständig, geringerer Leistungsabfall bei Erwärmung als kristalline Siliziumzellen, immer noch sehr teuer in der Herstellung, werden häufig in der Raumfahrt eingesetzt
soll großtechnisch sehr günstig herstellbar sein, Wirkungsgrade bisher noch deutlich unter 10 %, Langzeitverhalten noch nicht bekannt,
Hersteller Solarzellen (Auswahl)
Weblinks
