Photovoltaik: Die Funktion

Einführung in die Funktion der Photovoltaik

Das Wort Photovoltaik leitet sich aus dem griechischen Wort für "Licht" (φῶς, phos, im Genitiv: φωτός, photos) sowie aus der Einheit für die elektrische Spannung "Volt" (abgeleitet vom Namen des Physikers Alessandro Volta) ab. Es bezeichnet den photoelektrischen Effekt der bereits im Jahre 1839 von dem Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckt wurde. Man versteht darunter die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie mittels Solarzellen. Im Detail: Die Freisetzung von positiven und negativen Ladungsträgern in einem Festkörper durch Lichteinstrahlung.

Wie funktioniert eine Solarzelle? Von der Zelle zum Modul
Eigenschaften einer Solarzelle Natürliche Grenzen beim Wirkungsgrad
Unterschiedliche Zelltypen Weitere Zellarten

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.
Über 95 % 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.

 Aufbau einer kristallinen Solarzelle

Prinzipieller Aufbau und Funktionsweise einer kristallinen Solarzelle
(1) Ladungstrennung
(2) Rekombination
(3) ungenutzte Photonen-Energie (z.B. Transmission)
(4) Reflexion und Abschattung durch Frontkontakte

 

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.

Siliziumzellen sind etwa 10 cm ´ 10 cm groß (seit kurzem auch 15 cm ´ 15 cm). Eine durchsichtige Antireflexschicht dient zum Schutz der Zelle und zur Verminderung von Reflexionsverlusten an der Zelloberfläche.

 

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 100 cm² großen Siliziumzelle erreicht die maximale Stromstärke unter Bestrahlung von 1.000 W/m² etwa einen Wert von 2 A .

 Strom-Spannungs-Kennlinie

Strom-Spannungs-Kennlinie einer Si-Solarzelle

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.

 

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 noch weit 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 24 14 bis 17  
  Polykristallines
Silizium
etwa 18 13 bis 15  
  Amorphes
Silizium
etwa 13 5 bis 7  

 

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 Ethylen-Vinyl-Acetat eingebettet, mit einem Rahmen aus Aluminium oder Edelstahl versehen und frontseitig transparent mit Glas abgedeckt.
Die typischen Nennleistungen solcher Solarmodule liegen zwischen 10 Wpeak und 100 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 in der Regel 10 Jahren recht hoch und bezeugen den hohen Qualitätsstandard und die hohe Lebenserwartung heutiger Produkte.

 

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 anderer 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.

 Wirkungsgrade verschiedener                             Solarzellen

Maximale theoretische Wirkungsgrade verschiedener Solarzellen bei Standardbedingungen

 

Folgende Energiebilanz zeigt am Beispiel einer kristallinen Siliziumsolarzelle die einzelnen Verlustanteile:

100 %
-2,5 %
-20 %
-30 %
-15 %
-10 %
-6 %
-0,5 %

 eingestrahlte Sonnenenergie
 Reflexion und Abschattung durch Frontkontakte
 zu geringe Photonen-Energie der langwelligen Strahlung
 überschüssige Photonen-Energie der kurzwelligen Strahlung
 Rekombination
 Potenzialgefälle in der Zelle insbesondere in der Raumladungszone
 Kennliniencharakteristik (FF-Verluste)
 Serienwiderstand (Stromwärmeverluste)

= 16 % nutzbare elektrische Energie

Energiebilanz einer kristallinen Solarzelle

 

 

Weitere Zellarten

Oberflächenstrukturierung zur Verminderung von Reflexionsverlusten: Zum Beispiel Aufbau der Zelloberfläche in Pyramidenstruktur, damit einfallendes Licht mehrfach auf die Oberfläche trifft. Neue Materialien: Zum Beispiel Galliumarsenid (GaAs), Cadmiumtellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-Diselenid (CuInSe2).
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.
MIS-Inversionsschicht-Zellen: Das innere elektrische Feld wird nicht durch einen p-n-Übergang erzeugt, sondern durch den Übergang einer dünnen Oxidschicht zu einem Halbleiter.
Grätzel-Zelle (Farbstoffzellen): Elektrochemische Flüssigkeitszelle mit Titandioxid als Elektrolyten und einem Farbstoff zur Verbesserung der Lichtabsorption.
Nanostrukturierte Zellen: Zukünftig werden vermehrt nanostrukturierte Solarzellen auf den Markt kommen. Weltweit wird an mehreren Nanotechnologien mit anorganischen und organischen Materialien geforscht.

Text und Abbildungen mit freundlicher Genehmigung der
Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie e.V.

 

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