Die Zusammensetzung einer Solarzelle
Zuletzt aktualisiert am 5. Februar 2023 von Lars Weidmann
Die Sonnenstrahlung wird von einer Photovoltaikzelle, einem Halbleiterbauelement, in Gleichstrom umgewandelt. Da die Sonne im Allgemeinen die Strahlungsquelle ist, werden sie oft als Solarzellen bezeichnet. Einzelne PV-Zellen dienen als Bausteine für Module, die wiederum als Bausteine für Arrays und komplette PV-Systeme dienen.
Der Begriff “Photovoltaik” ist eine Kombination aus dem griechischen Wort “phos” für “Licht” und “Spannung”, benannt nach dem italienischen Physiker Alessandro Volta.
Halbleitermaterialien
Halbleitermaterialien werden für die Herstellung von PV-Zellen verwendet. Ein Halbleiter ist eine Substanz, die sowohl isolierende als auch leitende Eigenschaften hat. Bei sehr niedrigen Temperaturen verhalten sich Halbleiter wie Isolatoren, und ihre Leitfähigkeit nimmt mit steigender Temperatur zu. Bei normalen Temperaturen liegt die elektrische Leitfähigkeit eines Halbleiters zwischen der eines Isolators und eines Leiters. Einige Halbleiter erzeugen auch eine Spannung oder zeigen eine Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit, wenn sie Licht ausgesetzt werden.
Die meisten PV-Zellen verwenden Siliziumvariationen, die durch Dotierung verändert werden, um sie zu geeigneten Halbleitern zu machen. Unter Dotierung versteht man die Veränderung der elektrischen Eigenschaften von Halbleitern durch Zugabe kleiner Mengen von Verunreinigungen. Vier Valenzelektronen (Außenelektronen) in reinem kristallinem Silizium verbinden sich mit den Außenelektronen anderer Siliziumatome und bilden eine kristalline Struktur. Wenn Boratome mit drei Valenzelektronen zu Siliziumkristallen hinzugefügt werden, nehmen die Boratome den Platz einiger Siliziumatome ein. In der kristallinen Struktur, in der sich Bor mit Silizium verbindet, gibt es eine Elektronenlücke, da ein viertes Elektron fehlt. Diese Lücke wird auch als Loch bezeichnet, da sie durch andere Elektronen gefüllt werden kann. Dieses Fehlen einer negativen Ladung wird als positiver Ladungsträger bezeichnet. Ein p-Typ-Halbleiter ist ein Halbleiter, der Elektronenlücken aufweist.
Wenn man Silizium Phosphor hinzufügt, der fünf Valenzelektronen hat, erhält man ein zusätzliches Elektron an der Stelle, an der der Phosphor an das Silizium gebunden ist. Da dieses Elektron nur lose an das Phosphoratom gebunden ist, kann es leicht dazu gebracht werden, das Material zu durchqueren. Es wird als negativer Ladungsträger betrachtet. Ein n-Typ-Halbleiter ist ein Halbleiter, der freie Elektronen hat.
Der photovoltaische Effekt
Der photovoltaische Effekt ist der grundlegende physikalische Mechanismus, durch den eine PV-Zelle Licht in Strom umwandelt. Wenn ein Material Photonen mit einer Energie oberhalb eines bestimmten Schwellenwerts absorbiert, bewirkt der photovoltaische Effekt, dass sich Elektronen innerhalb des Materials bewegen. Ein Photon ist eine Einheit der elektromagnetischen Strahlung. Photonen haben je nach ihrer Wellenlänge eine unterschiedliche Energie, wobei kürzere Wellenlängen eine höhere Energie haben. Lichtphotonen übertragen ihre Energie auf Elektronen an der Oberfläche eines Materials. Zusätzliche Elektronen, die genug Energie haben, um aus ihren Atomen auszutreten, werden als elektrischer Strom weitergeleitet.
Eine photovoltaische Zelle ist ein p-n-Übergang auf einem dünnen, flachen Wafer. Ein p-n-Übergang ist ein Schnittpunkt zwischen benachbarten Schichten aus p- und n-Halbleitermaterialien. Wenn ein p-n-Übergang beleuchtet wird, übertragen hochenergetische Photonen, die am Übergang absorbiert werden, ihre Energie auf Elektronen im Material, wodurch die Elektronen in einen höheren Energiezustand übergehen. Die Elektronen gewinnen an potenzieller Energie und sind in der Lage, nützliche Arbeit zu verrichten, bis sie in einen niedrigeren Energiezustand zurückkehren.
Viele der Photonen, die eine PV-Zelle erreichen, haben eine höhere Energie als die, die erforderlich ist, um die Elektronen in einen leitenden Zustand zu versetzen. Durch die zusätzliche Energie wird Wärme in die kristalline Struktur der Zelle eingebracht.
Wenn diese Elektronen angeregt werden, können sie zu anderen Atomen wandern und Hohlräume oder Löcher zurücklassen. Die Löcher können sich ähnlich verhalten wie die Elektronen, sie scheinen sich zu bewegen, wenn ein benachbartes Elektron ein Loch füllt, aber sie sind mit einer positiven Ladung verbunden. Ein elektrisches Feld, das durch den p-n-Übergang erzeugt wird, verhindert, dass die Elektronen und Löcher sofort rekombinieren, da dies keine Arbeit verrichten würde. Die Elektronen werden von der p-Typ-Schicht in Richtung der oberen Oberfläche der Zelle abgestoßen, und die Löcher werden von der n-Typ-Schicht in Richtung der unteren Oberfläche abgestoßen. Dadurch entsteht ein Unterschied im elektrischen Potenzial (Spannung) zwischen der oberen und der unteren Oberfläche.
Die Metallkontakte auf der oberen Oberfläche der Zelle fangen freie Elektronen ein, während die Löcher zur unteren Oberfläche wandern. Die Elektronen müssen von der Oberseite zur Unterseite wandern, um mit den Löchern zu rekombinieren. Dies wird erreicht, indem die Oberflächen mit Lasten und Leitern verbunden werden. Die Elektronen fließen durch die Ladungen und verrichten dabei elektrische Arbeit, erreichen dann die Rückseite der Zelle und rekombinieren mit den Löchern.
Dieser Prozess, bei dem Elektronen und Löcher durch Photonenenergie getrennt werden und Arbeit verrichten, bevor sie rekombinieren, findet kontinuierlich statt, während die PV-Zellen dem Licht ausgesetzt sind. Es gibt keine andere Möglichkeit, ein PV-Gerät auszuschalten, als die Oberfläche vollständig mit einem undurchsichtigen Material zu bedecken, so dass kein Licht die Zellen erreicht.
Materialien der Zellen
PV-Zellen können aus einer Vielzahl von Halbleitermaterialien hergestellt werden, wobei kristallines Silizium bei weitem am häufigsten verwendet wird. Das Ausgangsmaterial für die Herstellung von Siliziumzellen ist mindestens 99,99 % reines Polysilizium, ein Produkt, das aus Quarz und Quarzsand gewonnen wird. Bei der Herstellung von PV-Zellen können verschiedene Polysiliziumqualitäten verwendet werden, die von Halbleitern bis hin zu metallurgischen Qualitäten reichen und sich auf die Qualität und den Wirkungsgrad der produzierten Zellen auswirken.
Im Vergleich zu konkurrierenden Materialien bieten Zellen aus kristallinem Silizium (c-Si) das beste Preis-Leistungs-Verhältnis, und es werden viele der gleichen Rohstoffe und Verfahren wie in der Halbleiterindustrie verwendet. Es werden jedoch erhebliche Forschungsanstrengungen unternommen, um neue Materialtechnologien für PV-Zellen zu entwickeln und auch die Leistung zu verbessern und die Kosten der bestehenden Technologien zu senken.
| Material | Typische kommerzielle Effizienz | Beste Laboratorieneffizienz |
|---|---|---|
| Multijunction Gallium Arsenid (GaAs), Konzentrator | 38 bis 40 | 43,5 |
| Multijunction Gallium Arsenid (GaAs), nicht-Konzentrator | 28 bis 32 | 34,1 |
| Monokristallines Silizium | 15 bis 18 | 27,6 |
| Polykristallines Silizium | 11,5 bis 14 | 20,4 |
| Copper Indium Gallium Selenid (CIGS) | 12 bis 14 | 20,3 |
| Cadiumtellurid (CdTe) | 9 bis 11 | 17,3 |
| Amorphous Silizium (a-Si) | 8 bis 9 | 12,5 |
| Dye-sensibilisiert (Grätzel) | 8 bis 10 | 11,8 |
| Polymer organisch | 2 bis 4 | 10,0 |
Galliumarsenid (GaAs)-Zellen sind effizienter als c-Si-Zellen, aber die hohen Kosten und die Toxizität der GaAs-Materialien haben ihre Verwendung auf Raumfahrtanwendungen beschränkt. Gallium kann auch mit Indium, Phosphor und Aluminium legiert werden, um Halbleiter zu schaffen, die auf verschiedene Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung reagieren. Diese Eigenschaft wird für die Herstellung von Mehrfachzellen genutzt, die hocheffiziente Zellen erzeugen, die für konzentrierende PV-Anwendungen attraktiv sind. Eine Mehrfachzelle ist eine Zelle, die den Wirkungsgrad durch die Verwendung von Schichten einzelner Zellen maximiert, die jeweils auf verschiedene Wellenlängen der Sonnenenergie reagieren. Die oberste Schicht fängt die kurzwelligste Strahlung ein, während die langwelligeren Komponenten die unteren Schichten passieren und von ihnen absorbiert werden.
Dünnschicht-PV-Geräte sind modulbasierte Ansätze für das Zelldesign. Ein Dünnschichtmodul ist ein PV-Gerät auf Modulebene, bei dem das gesamte Substrat mit dünnen Schichten aus Halbleitermaterial mittels chemischer Gasphasenabscheidung beschichtet und anschließend mit einem Laser beschriftet wird, um die einzelnen Zellen abzugrenzen und elektrische Verbindungen zwischen den Zellen herzustellen. Zu den konkurrierenden Dünnschichttechnologien gehören heute amorphes Silizium (a-Si), Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) und Cadmiumtellurid (CdTe). Dünnschichtmodule sind in der Herstellung kostengünstiger und verbrauchen erheblich weniger Rohmaterial als Module aus kristallinem Silizium, aber die meisten sind weniger effizient als kristallines Silizium und haben möglicherweise eine geringere Lebensdauer.
Eine photoelektrochemische Zelle ist eine Zelle, die auf chemischen Prozessen beruht, um Strom aus Licht zu erzeugen, anstatt Halbleiter zu verwenden. Zu den photoelektrochemischen Zellen gehören farbstoffsensibilisierte Zellen (Grätzelzellen) und Polymerzellen (Kunststoffzellen), die manchmal auch als organische Zellen bezeichnet werden. Die Wirkungsgrade dieser Zellen sind noch gering, und Korrosion durch Wassereinwirkung ist ein großes Problem, aber diese Technologie ist weiterhin vielversprechend.
