photovoltaik kinderbildDie Bezeichnung des Wortes Photovoltaik steht für die Zusammensetzung des griechischen Wortes für Licht sowie dem Namen des Physikers Allessandro Volta.

Das Wort Photovoltaik bezeichnet die direkte Umwandlung des Sonnenlichts in elektrische Energie.

Die Umwandlung erfolgt mittels der Solarzellen. Auf dem bereits im Jahre 1839 von Alexander Bequerel entdecktem Photoeffekt beruht der Vorgang der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. Unter dem Begriff Photoeffekt ist die Freisetzung positiver und negativer Ladungsträger in einem Festkörper durch Einstrahlung von Licht bezeichnet.

Photovoltaik – so funktioniert die Solarzelle

Eine Solarzelle wird aus verschiedenen Halbleitermaterialien gefertigt. Es handelt sich dabei um Stoffe, welche unter der Zufuhr von Wärme oder Licht elektrisch leitfähig werden. Bei tieferen Temperaturen wirken Halbleitermaterialien isolierend. Insbesondere Silizium (Si) zeichnet sich als Halbleitermaterial aus, denn Silizium besitzt den Vorteil in ausreichenden Mengen vorhanden zu sein. Als zweithäufigstes Element der Erdrinde zeichnet sich Silizium aus.

Insgesamt 95% aller auf der Welt produzierten Zellen für die Solarstromgewinnung werden aus Silizium gefertigt. Die Verarbeitung von Silizium lässt sich im Gegensatz zu anderen Halbleitermaterialien umweltverträglich gestalten.

Herstelleung der Solarzellen

Während der Herstellung wird das Halbleitermaterial zunächst „dotiert“. Dotieren ist dabei als Solches zu verstehen, dass die chemischen Elemente des Siliziums definiert eingebracht werden. Mit ihnen kann wahlweise ein positiver Ladungsträgerüberschuss (p-leitende Halbleiterschicht) oder ein negativer Ladungsträgerüberschuss (n-leitende Halbleiterschicht) erzielt werden. Bildet man zwei unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten, entsteht an der Grenze oberen Schicht der p-n-Übergang.

Genau an dieser oberen Grenzschicht baut sich im Inneren ein elektrisches Feld auf. Dieses elektrische Feld führt dazu, dass es zu einer Ladungstrennung bei direktem Lichteinfall führt. Die elektrische Spannung wird mittels Metallkontakten abgegriffen. Wird dieser äußere Kreis geschlossen, beispielsweise durch einen elektrischen Verbraucher, fließt Gleichstrom.

Die Zellen einer Solarzelle, welche aus Silizium gefertigt wurde, sind etwa 10 Zentimeter x 10 Zentimeter groß, bisweilen können es auch 15 Zentimeter x 15 Zentimeter sein. Die aufgebrachte, durchsichtige Antireflexschicht dient in erster Linie zum Schutz der Zelle. Allerdings bringt die Antireflexschicht auch weitere Vorteile mit sich. Der Reflexionsverlust an der Oberfläche der Zelle wird beispielsweise vermindert.

Tipp: Lesen Sie auch unseren Artikel zur Funktion der Solaranlagen.

Photovoltaik – Eigenschaften der Solarzelle

Die abgreifbare Spannung an einer Solarzelle ist in erster Linie abhängig vom Material des verbauten Halbleiters. 0,5 Volt beträgt sie beispielsweise bei Verwendung des Halbleitermaterials von Silizium. Nur schwach abhängig von der Lichteinstrahlung ist die Klemmspannung. Bei einer höheren Beleuchtungsstärke hingegen steigt die Stromstärke an. Einen Wert von schätzungsweise 2 Ampere erreicht eine 100 cm² große Siliziumzelle bei einer maximalen Stromstärke von einer Bestrahlung mit 1000 Watt pro Quadratmeter.

Die jeweilige Leistung einer Solarzelle hingegen ist abhängig von der Temperatur. Während höhere Temperaturen der Zelle zu einem niedrigerem Leistungsspektrum und einem damit verbunden schlechteren Wirkungsgrad führen, sorgen tiefere Temperaturen der Zelle zu einem höheren Leistungsspektrum und einem damit verbundenem guten Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad gibt jeweils an, wie viel der eingestrahlten Lichtmenge in nutzbare Energie umgewandelt werden kann.

Unterschiedlichen Zelltypen von Photovoltaik

Um der Frage auf den Grund zu gehen, welche Zelltypen es gibt muss man zunächst wissen, dass man die Zelltypen generell in monokristallin, polykristallin und amorph unterscheidet.

Hochreines Halbleitermaterial wird zur Herstellung von monokristallinen Siliziumzellen benötigt. Dazu werden aus der Siliziumschmelze einkristalline Stäbe gezogen. Diese werden im Anschluss in hauchdünne Scheiben gesägt. Diese Art der Herstellung garantiert einen relativ hohen Wirkungsgrad der einzelnen Zelle.

Kostensparender hingegen ist die Herstellung von polykristallinen Zellen. Das flüssige Silizium wird dazu in Blöcke gegossen. Diese werden im Anschluss in Scheiben gesägt. Während des Erstarrungsvorgangs des Materials bilden sich unterschiedlich große Strukturen der Kristalle aus. An den Grenzen dieser Kristallstrukturen können Defekte auftreten. Zur Folge haben diese Defekte  einen geringeren Wirkungsgrad der Solarzelle.

Sofern die Siliziumschicht auf Glas oder anderen substrathaltigen Materialien abgeschieden wird, spricht man von einer Dünnschichtzelle oder amorphen Zelle. Die Dicke der Schicht beträgt dabei weniger als 1 µm. Man kann sich ausrechnen, dass die Produktionskosten in diesem Bereich allein wegen der besonders niedrigen Materialkosten noch niedriger sind, als die Kosten der Herstellung polykristalliner Zellen. Der Wirkungsgrad amorpher Zellen liegt dementsprechend noch weiter unter denen der polykristallinen oder monokristallinen Zellen. Verwendung finden amorphe Zellen insbesondere im Kleinleistungsbereich. Dazu zählen beispielsweise Elemente der Fassade, Uhren sowie Taschenrechner.

Photovoltaik – Von der Entstehung der Zelle bis zum fertigen Solarmodul

Einzelne Solarzellen werden zu größeren Einheiten miteinander verbunden und verschaltet. So kann gewährleistet werden, dass für die unterschiedlichsten Anwendungsgebiete immer die geeignete Spannung oder Leistung bereitgestellt werden kann. Eine höhere Spannung erreicht man mit Hilfe einer Serienschaltung. Schaltet man die einzelnen Solarzellen parallel ist eine höhere Stromleistung das Ergebnis.

Eingebettet werden die miteinander verschalteten Solarzellen zumeist in transparenten Ethylen-Vinyl-Acetat-Modulen. Der Rahmen der Module wird wahlweise aus Aluminium oder Edelstahl gefertigt. Frontseitig wird das Modul transparent, häufig mit Glas, abgedeckt.

Photovoltaik – Die natürliche Grenzen des Wirkungsgrades

Gearbeitet wird derzeit an der Optimierung der Produktionsprozesse und gleichzeitig an der Erhöhung der Wirkungsgrade. Man strebt mit dieser Optimierung die Verbilligung und stetige Verbesserung der Solarzellen an. Allerdings setzten verschiedene Mechanismen des Verlusts diesem Vorhaben immer wieder Grenzen.

Die derzeit auf dem Markt befindlichen Halbleitermaterialien oder Halbleiterkombinationen sind immer nur für bestimmte Spektralbereiche bestimmt. Dabei stellt der Winkel des einfallenden Lichts den entscheidenden Faktor dar. Ein hoher Anteil der von der Strahlung ausgehenden Energie bleibt also völlig ungenutzt. Die wichtigen Lichtquanten (Photonen) verfügen nicht über ausreichend Energie um die Ladungsträger aktivieren zu können. Andererseits kann ein hoher Anteil an überschüssiger Photonen-Energie nicht in elektrische Energie umgewandelt werden, sondern in ausschließlich in Wärme.

Nicht gering ist auch der optische Verlust, welcher sich aus der Abschattung der Zellmodule sowie durch die Kontaktierung oder Reflexion einfallender Lichtstrahlung ergibt. Elektrische Widerstandsverluste im Halbleiter und den Leistungen des Anschlusses zählen zu den derzeitigen Verlustmechanismen. Als nicht unerheblich zählt auch der Verlust durch den störenden Einfluss von Verunreinigungen im Material, Defekten in den Kristallen oder störenden Effekten auf der Oberfläche.

Zahlreiche Verlustmechanismen können jedoch nicht weiter optimiert werden, da diese durch die physikalische Beschaffenheit vorgegeben ist.

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