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[[Datei:Polycristalline-silicon-wafer 20060626 568.jpg|miniatur|Polykristalline [[Silizium]]-Solarzellen in einem Solarmodul]]
'''Naturales quaestiones''' ist ein Werk über Erscheinungen und Fragen der Natur, das [[Seneca]] 62 n. Chr. bis 63 n. Chr. verfasst hat<ref>Otto und Eva Schönberger: Naturales quaestiones, Nachwort, Die Entstehung der Naturales quaestiones</ref>. Seneca zeigt sich dabei als Sammler der Erkenntnisse zahlreicher, hauptsächlich griechischer Autoren. Der Stoff ist - folgend der Einteilung der Kosmologie in Himmelskunde, Meteorologie und Erdkunde - auf Themen der Meteorologie eingeschränkt. Seneca ist damit in der Tradition älterer Autoren, wie [[Aristoteles]] und [[Poseidonios]]<ref>Franz Peter Waiblinger: ''Senecas Naturales Quaestiones'', II. Der Gegenstand der ''Naturales Quaestiones'' und seine traditionelle Struktur</ref>.
Eine '''Solarzelle''' oder '''photovoltaische Zelle''' ist ein [[elektrisches Bauelement]], das kurzwellige [[Strahlungsenergie]], in der Regel [[Sonnenlicht]], direkt in [[elektrische Energie]] [[Energiewandlung|wandelt]]. Die Anwendung der Solarzelle ist die [[Photovoltaik]] und wurde ursprünglich für die [[Sahara]] entwickelt. Die physikalische Grundlage der Umwandlung ist der [[Photoelektrischer Effekt#Photovoltaischer Effekt|photovoltaische Effekt]], der ein Sonderfall des inneren [[Photoelektrischer Effekt|photoelektrischen Effekts]] ist.
==Aufbau und Gesamtgestaltung==

Das Werk zerfällt in 8 Enzelbücher, die unterschiedlichen Themen gewidmet sind. Das Einzelbuch gliedert sich im allgemeinen in ein Vorwort, den Hauptteil mit den stoffbezogenen Thesen und einen Schlussteil. In allen Büchern außer dem verstümmelten Buch IVb und Buch VII wendet er sich an seinen Freund [[Lucilius Junior]]. Das Vorwort und Schlussteil enthalten meistens philosophisch-ethische Ausführungen, so dass eine einzigartige Mischung naturwissenschaftlicher und ethischer Themen vorliegt.</br>In den naturwissenschaftlichen Hauptteilen übermittel Seneca jeweils die Ausführungen mehrerer Autoren. Er bewertet sie auch und legt dar, welcher der häufig sehr kontroversen Theorien er sich anschließt.
Solarzellen unterscheiden sich dadurch grundsätzlich von anderen Arten der [[Regenerative Energie|regenerativen Elektrizitätserzeugung]], bei denen lediglich die Antriebsenergie für den [[Generator]] nichtkonventionell erzeugt wird.
==Quellen==

Seneca nennt circa 40 Namen von Gewährsmännern. Es handelt sich dabei um Philosophen und Naturwissenschaftler, aber auch um 'Forschungsreisende', deren Berichte er zitiert. So berichtet z.B. Euthymenes von Massilia von seiner Reise auf dem Atlantischen Ozean <ref>L. Annaeus Seneca: ''Naturales quaestiones'', IV a, (22)</ref>. Viele Namen werden nur einmal genannt. Wichtige Quellen mit mehreren Nennungen sind [[Anaxagoras]] (6 Nennungen), [[Aristoteles]] (13), [[Kallisthenes]] (6), [[Poseidonius]] (10) und [[Theophrast]] (9)<ref>Paul Oltramare: ''Sénèque: Questiones Naturelles'', Index des noms propres</ref>.</br>Häufig bekennt sich Seneca allgemein zu der Lehre der [[Stoiker]], der er anhängt.</br>''In hac sententia sunt plerique nostrorum...'' wird übersetzt mit</br>''Dieser Ansicht sind die meisten Stoiker...''<ref>Übersetzung Otto und Eva Schönburger</ref>.<br/>Aber mit der Angabe ''antiqui'' werden auch ältere Philosophen genannt.</br>Auch lateinische Autoren werden, wenn auch selten, rezipiert. Im Windbuch (V, 16) nennt Seneca [[Varro]]. Die lateinischen Namen der Winde in diesem Kapitel (''vulturus'', ''subsolanus'', etc) lassen auch eine lateinische Quelle wahrscheinlich sein. Seneca spricht [[Papirius Fabianus]], der die ''causarum naturalium libri'' geschrieben hatte<ref>Franz Peter Waiblinger: ''Senecas Naturales Quaestiones'', II, 3)</ref>, bei seiner Sintflutschilderung (III, 27, (3)) an.</br>Trotzdem bleiben einerseits weite Textbereiche, die mit einem allgemeinen ''manche meinen'' oder ''man erzählt auch'' angeführt werden. Andererseits stellt Seneca auch ausdrücklich seine eigene Meinung dar, stellt sich etwa mit:</br>''Ego nostris non assentior'', ''Ich stimme unserer Schule hier nicht bei''<ref>L. Annaeus Seneca: ''Naturales quaestiones, VII, 22, (1)</ref></br>in Gegensatz zu der Schule der Stoiker.</br>Trotz dieser Vielfalt der Quellen ist auch angenommen worden, dass sich Seneca hauptsächlich auf Poseidonius gestützt habe, insbesondere in Buch VII<ref>Albert Rehm: ''Das siebente Buch der Naturale Quaestiones des Seneca un die Kometentheorie de Poseidonois''</ref>.
Manchmal werden auch Elemente eines [[Sonnenkollektor]]s als Solarzelle bezeichnet. Sie erzeugen aber keinen elektrischen Strom, sondern Prozesswärme und ersetzen beispielsweise Warmwasser-[[Boiler]].
==Inhalt der einzelnen Bücher==

===Buch I - Meteorbuch===
== Einteilung ==
Seneca behandelt verschiedene Lichterscheinungen, die hauptsächlich durch das Sonnenlicht in Wolken, Wassertropfen usw hervorgerufen werden. Zentral steht die Schilderung des Regenbogens und Theorien seiner Entstehung.</br>Diese naturwissenschaftlichen Beobachtungen werden durch die Praefatio, in der die Beschränktheit des Menschen im Vergleich zu Natur und Gottheit thematisiert wird, und ein moralisierendes Schlusswort eingerahmt. Hier schildert Seneca ausführlich den Gebrauch von Spiegeln bei erotischen Szenen, wobei er auch den Namen des von ihm zutiefst verachteten Mitbürgers nicht zurückhält.
[[Datei:Solar_Panels.jpg|thumb|right|Solar-Panel]]
===Buch II - Gewitterbuch===
[[Datei:Black light test of Dawns solar cells.jpg|thumb|Schwarzlichttest der GaAs triple-junction Solarzellen der Raumsonde [[Dawn (Raumsonde)|Dawn]]<ref>Orbital Sciences Corporation (Hrsg.): ''[http://www.orbital.com/NewsInfo/Publications/Dawn_fact.pdf Dawn. Investigating the "Dawn" of Our Solar System (fact sheet)].'' 2009 (englisch).</ref>]]
Thema des Buches sind die Beschreibung von und Theorien zur Entstehung von Blitz und Donner.</br>In den vorwortartigen Eingangskapiteln (1-11) stellt Seneca seine Einteilung der Materie und der Welt vor, sowie eine Schilderung der Eigenschaften der Luft. Abgeschlossen wird das Buch wieder durch moralische Überlegungen. Diesmal setzt sich Seneca mit der Todesangst auseinander. Ab Kapitel 31 führt Seneca von der für die Antike unerklärlichen physikalischen Eigenschaft des Blitzes, Silber zu schmelzen und dabei das umgebende Holzkästchen unversehrt zu lassen, zu der Blitzmantik über. Dabei vergleicht er den etruskischen Standpunkt mit dem
Solarzellen kann man nach verschiedenen Kriterien einordnen. Das gängigste Kriterium ist die Materialdicke. Hier wird nach Dickschicht- und Dünnschichtzellen unterschieden.
Standpunkt der Stoa<ref>Nicolaus Gross: ''Senecas Naturales Quaestiones'', 2.2 Das Gewitterbuch</ref>.

===Buch III - Wasserbuch===
Ein weiteres Kriterium ist das Material: Es werden zum Beispiel die [[Halbleiter]]materialien CdTe, [[GaAs]] oder CuInSe eingesetzt, weltweit am häufigsten jedoch [[Silizium]].
Wieder rahmen ein Vorwort (naturwissenschaftliches Schreiben wird gegenüber der historischen Berichterstattung positiv gewertet)und ein Epilog (eine eindrucksvolle Schilderung der Sintflut) die naturwissenschaftlichen Ausführungen ein. Behandelt werden verschiedene Theorien der Entstehung der Flüsse, des Grundwassers und der Eigenschaften des Wassers.

===Buch IVa - Nilbuch===
Die Kristallstruktur kann kristallin ([[Monokristallin|mono-]]/[[Polykristall|polykristallin]]) oder [[Amorphes Material|amorph]] sein.
Nach Praefatio und einer Schilderung des Nils überliefert Seneca 4 der damals bekannten Theorien der Ätiologie der Nilschwelle<ref>Nicolaus Gross: ''Senecas Naturales Questiones'', 2.4. Das Nilbuch</ref>:</br>- Schneeschmelze im Äthiopischen Gebirge ([[Anaxagoras]])</br>- [[Etesien]] stauen den Nil ([[Thales]], [[Euthymenes]] geht überdies davon aus, dass der Nil mit dem Altantik verbunden ist)</br>- Jahreszeitlicher Temperaturwechsel in unterirdischen Wasseradern ([[Oinopides]] von Chios)</br>- Ausgleich der Feuchtigkeit durch unterirdisches Röhrensystem ([[Diogenes von Apollonia]])</br>Seneca lehnt alle Theorien ab und ist damit im Einklang mit dem gegenwärtigen Wissensstand. Bevor er eine Theorie zitiert, die er billigt, bricht das Buch ab.

===Buch IVb - Wolkenbuch===
Neben Halbleitermaterialien gibt es auch neue Ansätze zum Material, wie [[organische Solarzelle]]n und [[Grätzel-Zelle|Farbstoffsolarzellen]].
Der Anfang des Buches ist verlohren. Es setzt mit einer Schilderung des Hagels und des Schnees ein. Ganz entschieden lehnt Seneca in Kapitel 6 die abergläubische Vorstellung ab, durch ein Blutopfer Hagel abwenden zu können.</br>In Kapitel 8 bis 12 bildet er Theorien über den Temperaturanstieg bei steigender Lufthöhe und die damit zusammenhängende Schneebildung.</br>Das Buch klingt mit einer harschen Kritik des luxuriösen Lebensstils, durch den Eis und Schnee zur Kühlung von Speisen und Getränken gebraucht - missbraucht - werden, aus.

=== Materialien ===
===Buch V - Windbuch===
Das Buch beginnt ohne Praefation direkt mit einer Definition:</br>''ventus est flues aer</br>Wind ist fließende Luft''</br> In Kapitel 2 bis 6 werden Theorien der Windentstehung (Ausdünstung der Erde, Luftabgabe des verdauenden Erdtiers, Lebenskraft der Luft) vorgestellt. Von Kapitel 7 bis 17 beschreibt Seneca unterschiedliche Winde und entwickelt eine [[Windrose]] mit 4 bzw 12 unterschiedenen Winden.</br>Über eine kurze Schilderung des segensreichen Wirken des Windes leitet Seneca über in eine lange, moralphilosophische Deklamation<ref>Nikolaus Gross: ''Senecas Naturales Quaestiones'' ,2.6.10)</ref> (Kap.18, (10):<br/>''quousque nos mala nostra rapuerunt?parum est intra orbem suum furere''</br>''Wie weit haben uns unsere Übel gebracht? Da reicht es nicht, in der eigenen Welt zu rasen''
# '''Siliziumzellen'''
===Buch VI - Erdbebenbuch===
#* Dickschicht
Ausgehend von dem kürzlichen Erdbeben in Kampanien, das sowohl in Pompeji als auch Herculaneum großen Schaden angerichtet hatte, geht Seneca auf die Angst ein, die ein Erdbeben hervorruft.</br>Ab Kapitel 4 bis 20 werden zahlreiche Erdbebentheorien ausgebreitet, die meisten mit dem Namen eines Philosophen, der sie vertritt. Feuer, Wasser, Luft werden als Ursache genannt, auch mehrere zusammenwirkend. Ab Kapitel 21 entwickelt Seneca seine eigene Meinung: eindringnde Luft, die unterirdischen Hohlräume unter großem Druck vollständig ausfüllt, sei die Ursache.</br>Er berichtet auch interessante Beobachtungen von dem Erdbeben in Kampanien, so in Kapiteln 21, dass Schafe durch die giftigen Dünste gestorben waren und in Kapitel 31, dass die elastischen Lehmmauern letztlich besser standhielten, als die Steinmauern.
#** [[Monokristallin]]e Zellen (c-Si) <br /> großtechnisch Wirkungsgrad über 20 %, [[Leistungsdichte]] 20–50&nbsp;W/kg; gut beherrschte Technik; allerdings erfordert die Herstellung einen sehr hohen Energieeinsatz, der sich negativ auf die [[Energierücklaufzeit]] auswirkt.
===Buch VII - Kometenbuch===
#** [[Polykristall]]ine Zellen, auch ''Multikristalline Zellen'' genannt (poly-Si oder mc-Si)) <br /> inzwischen sind großtechnisch Wirkungsgrade bis 16 % möglich, relativ kurze Energierücklaufzeiten, derzeit die Zelle mit dem günstigsten [[Preis-Leistungs-Verhältnis]] (Stand: September 2008). Experimentelle Zellen erreichen bis zu 18,6 % Wirkungsgrad<ref>Rolf Hug: ''[http://www.solarserver.de/news/news-8597.html Mitsubishi Electric entwickelt anwendungsreife Silizium-Solarzelle mit 18,6 % Wirkungsgrad].'' In: ''Der Solarserver.'' 25. März 2008, Abgerufen am 9. August 2009</ref>.
Seneca hat eine große Anzahl von Theorien zusammengestellt, die er diskutiert und zum Teil widerlegt. Die Meinung der Stoiker, vertreten von [[Zenon]] (Kapitel 20), dass Kometen eine Feuererscheinung ohne Substanz seien, teilt er nicht. Vielmehr neigt er der Theorie des [[Apollonius von Myndos]] (Kapitel 17) zu, dass es sich um Planeten handele, von deren Lauf wir nur einen kleinen Teil sehen.</br>In de letzten Kapiteln bedauert Seneca, dass dem Menschen ein so kleiner Teil der Schöpfung verständlich sei:</br>''neque enim omnia deus homini fecit. quota pars operis tanti nobis committitur?''</br>''Nicht alles nämlich hat die Gottheit für den Menschen geschaffen. Welch kleiner Teil dieses Riesenwekes ist uns zugänglich''</br>und dass der Mensch sich so wenig bemühe, seine Erkenntnis zu erweitern.
#* Dünnschicht
==Überlieferung und Weiterleben==
#** [[Amorphes Silizium]] (a-Si) <br /> höchster Marktanteil bei den Dünnschichtzellen; Modulwirkungsgrade zwischen 5 und 7 %, Leistungsdichte bis ca. 2000&nbsp;W/kg; keine Material-Engpässe selbst bei Produktion im Terawatt-Maßstab
Die ''Naturales quaestiones'' wurden im Mittelalter weit weniger rezipiert als andere naturwissenschaftliche, antike Schriften, wie etwa die ''Meteorologie'' des Aristoteles. Sie wurde auch weit weniger gelesen als andere Schriften Senecas<ref>Franz Peter Waiblinger: ''Senecas Naturales Questiones'', I. Einleitung</ref>.</br>Es wurden cirka 50 Handschriften aus dem 12ten bis 14ten Jahrh. überliefert, die alle dieselbe Textlücke etwa in der Mitte des Textes aufweisen, aber bezüglicher der Anordnung der Bücher in 2 Gruppen zerfallen. Die eine Gruppe gliedert die Bücher: I-II-III-IVa-IVb-V-VI-VII, die andere: IVb-V-VI-VII-I-II-III-IVa
#** Kristallines Silizium, z.&nbsp;B. mikrokristallines Silizium (µc-Si) <br /> in Kombination mit amorphem Silizium höhere Wirkungsgrade bis 10 %<ref>M. A. Green, K. Emery, D. L. King, Y. Hishikawa, W. Warta: ''Solar Cell Efficiency Tables (Version 28).'' In: ''Prog. Photovolt: Res. Appl.'' 14, 2006, S. 455–461, {{DOI|10.1002/pip.720}}([http://www.iee.ac.cn/fckeditor/UserFiles/File/tyndc/news/19938777886266.pdf PDF], abgerufen am 22. April 2010).</ref>; Herstellung ähnlich zu amorphem Silizium
<ref>M.F.A. Brok: ''L. Annaeus Seneca Naturwissenschaftliche Untersuchungen'', Einleitung</ref>.</br>Erst 1907 verfertigte [[Alfred Gercke]] eine vollständige Textausgabe.
#* ''Si Wire Array'' (Laborstadium) <br /> Durch Bestücken einer Oberfläche mit dünnsten Drähten ist diese neue Solarzelle biegsam und benötigt nur 1 % der Siliziummenge verglichen mit herkömmlichen Solarzellen.<ref>[http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/abs/nmat2635.html Artikel zu Si Wire Arrays in ''Nature Materials''] (engl.)</ref><ref>[http://www.wissenschaft.de/wissenschaft/news/309914 Artikel „Sonnenpower light“ in ''bild der wissenschaft'']</ref>
==Textausgabe und Übersetzung==
# '''[[III-V-Halbleiter]]-Solarzellen'''
*L. Annaeus Seneca: ''Naturales quaestiones''. Übersetzt und herausgegeben von Otto und Eva Schönburger. Stuttgart 1998.
#* [[GaAs]]-Zellen <br /> hohe Wirkungsgrade (im Jahr 2009 bis 41,1 %<ref>{{internetquelle |autor= |hrsg= Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE|url=http://www.pro-physik.de/Phy/leadArticle.do?laid=11414|titel=Weltrekord: 41,1 % Wirkungsgrad für Mehrfachsolarzellen |werk= pro-physik.de|zugriff=2009-08-09}}</ref>), sehr temperaturbeständig, geringerer Leistungsabfall bei Erwärmung als kristalline Siliziumzellen, robust gegenüber UV-Strahlung, sehr teuer in der Herstellung, werden häufig in der [[Raumfahrt]] eingesetzt (Galliumindiumphosphid, (Ga,In)P/Galliumarsenid, GaAs/Germanium, Ge). Tripelzellen ( [[Tandem-Solarzelle|Mehrfachsolarzellen]] mit drei [[monolithisch]] gestapelten p-n-Übergängen) haben den höchsten kommerziell lieferbaren Wirkungsgrad von fast 30 % mit einer Leistungsdichte von 50&nbsp;W/kg (bei 17 % um 1000&nbsp;W/kg).
==Literatur==
# '''[[II-VI-Halbleiter]]-Solarzellen'''
*M.F.A. Brok: ''L.Annaeus Seneca Naturwissenschaftliche Untersuchungen''. Darmstadt 1995.
#* [[CdTe]]-Zellen <br /> sind großtechnisch durch Chemical Bath Deposition oder [[Chemische Gasphasenabscheidung]] sehr günstig herstellbar und finden Verwendung in [[Solarzelle#Dünnschichtzellen|Dünnschichtsolarzellen]]; für eine Laborsolarzelle sind schon etwa 16 % erreicht worden, Modul-Wirkungsgrade inzwischen (2007) bei 10 %, Langzeitverhalten noch nicht bekannt.
*Nicolaus Gross: ''Senecas Naturales Quaestiones''. Stuttgart 1989.
# '''I-III-VI-Halbleiter-Solarzellen'''
*Paul Oltramare: ''Sénèque: Questions Naturelles''. Paris 1973.
#* [[CIS-Solarzelle|CIS-]], [[CIGS-Solarzelle]]n (Chalkopyrite) <br /> steht für Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid bzw. Kupfer-Indium-Disulfid. Dieses Material findet Anwendung in [[Solarzelle#Dünnschichtzellen|Dünnschichtsolarzellen]] – hier ist CIGS das leistungsstärkste Material mit Laborwirkungsgraden von fast 20 %. Der Modul-Wirkungsgrad beträgt 10–12 %.
*[[Franz Peter Waiblinger]]: ''Senecas Naturales Quaestiones. Griechische Wissenschaft und römische Form.'' München 1977.
# '''[[Organische Solarzelle]]n''' <br /> Die [[organische Chemie]] liefert Werkstoffe, die möglicherweise eine kostengünstige Fertigung von Solarzellen erlauben. Bisheriger Nachteil ist ihr deutlich schlechterer [[Wirkungsgrad]] von ca. 6 % <ref> Pressemitteilung Heliatek 20. August 2009 [http://www.heliatek.de/upload/Heliatek_Pressemitteilung_2009_08_31_de.pdf]</ref> und die recht kurze Lebensdauer (max. 5000&nbsp;h) der Zellen.
*[[Albert Rehm]]: ''Das siebente Buch der Naturales Questiones des Seneca und die Kometentheorie des Poseidonios''. München 1921.
# '''Farbstoffzellen''' <br /> oder auch [[Grätzel-Zelle]]n nutzen organische Farbstoffe zur Umwandlung von Licht in elektrische Energie; ein Vorgang, der an die Photosynthese anlehnt. Sind meistens lila. Diese Zellen liefern den besten Wirkungsgrad aller organischen Solarzellen von über 10 %, haben jedoch aufgrund aggressiver Elektrolyte eine begrenzte Lebensdauer.
==Einzelnachweise==
# '''Halbleiter-Elektrolytzellen''' <br /> z.&nbsp;B. Kupferoxid/NaCl-Lösung. Sehr einfach herstellbare Zelle, jedoch in Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit limitiert.
<references/>

=== Materialverfügbarkeit ===
[[Silizium]], der Grundstoff für die Solarzellen, steht in nahezu unbegrenzter Menge zur Verfügung. Die vor einiger Zeit aufgetretenen Materialengpässe an reinem Silizium, die durch unzureichende Produktionskapazitäten hervorgerufen wurden, konnten durch Erhöhung der Kapazitäten inzwischen beseitigt werden. Deshalb <!-- und aus anderen Gründen, welche?? --> sinken die Preise für Solarzellen stark.<ref>[http://www.spiegel.de/wirtschaft/0,1518,612539,00.html Billig-Solarzellen revolutionieren Strombranche]</ref>.

Bei exotischeren Solarzellenmaterialen wie etwa beim [[Indium]], [[Gallium]], [[Tellur]] und [[Selen]] sieht die Situation grundlegend anders aus. Bei den seltenen Metallen Indium und Gallium überschreitet bereits derzeit der weltweite Verbrauch (Indium etwa 850 Tonnen, bei Gallium etwa 165 Tonnen) die jährliche Produktionsmenge um ein Mehrfaches ([http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/mcs/ USGS Minerals Information]). Besonders nachteilig ist der stark steigende Verbrauch von Indium in Form von Indium-Zinn-Oxid in der [[Flüssigkristallbildschirm|Flüssigkristall]]- und [[OLED]]-Bildschirmherstellung, sowie die Verwendung von Gallium und Indium in der Produktion von [[Leuchtdiode]]n, die sich als energiesparender [[Glühlampe]]nersatz und als Hintergrundbeleuchtung für Flachbildschirme derzeit in der Markteinführung befinden.

Beim Indium wird daher noch in diesem Jahrzehnt mit einem Versiegen der Ressourcen gerechnet, da sich die theoretischen Indiumvorräte auf nur 6000 Tonnen, die ökonomisch abbaubaren Reserven auf sogar nur 2800 Tonnen belaufen.<ref>Markus Christen: ''[http://www.nzz.ch/2005/12/07/ft/articleDBCDJ.html Die stofflichen Grenzen des Wachstums].'' In: ''Neue Zürcher Zeitung.'' 7. Dezember 2005, abgerufen am 22. April 2010.</ref> <ref>Indium Vorräte laut USGS Mineral Commodity Summaries (2006), [http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/indium/indiumcs06.pdf]</ref>

Die Situation bei Selen und beim noch selteneren Tellur, beide Halbmetalle, liegen in geringer Konzentration im Anodenschlamm der [[Kupfer]]elektrolyse vor, erscheint auf den ersten Blick weniger kritisch, da die Kupferproduzenten derzeit nur einen Teil des in Metallelektrolyse anfallenden Anodenschlamms zur Selen- oder Tellurgewinnung einsetzen. Die ökonomisch erschließbaren Selenreserven werden jedoch nur auf 82.000 Tonnen, die Tellurreserven gar auf nur 43.000 Tonnen geschätzt. Dies ist extrem wenig, selbst im Vergleich zu den Reserven des ebenfalls nicht besonders häufigen Buntmetalls Kupfer von 550 Millionen Tonnen.

Problematisch ist, dass viele Produktionsprozesse, in denen Gallium, Indium, Selen und Tellur eingesetzt wird, eine ungünstige Materialökonomie aufweisen.

Recyclingansätze, die etwa beim Kupfer zum normalen Materialkreislauf gehören, greifen bei Gallium, Indium, Selen und Tellur nicht. Die Materialien werden meist in komplexe Vielstoff-Schichtstrukturen eingebunden und dadurch so fein verteilt, dass eine Rückgewinnung auch in Zukunft vermutlich nicht möglich sein wird.

=== Bauformen ===
[[Datei:Solarzelle_SiSpektrum.svg|thumb|right|Ausnutzung der Sonnenstrahlung durch Silizium (mono- und polykristallin)]]
[[Datei:Solarzelle_GaSbSpektrum.svg|thumb|right|Ausnutzung der Sonnenstrahlung durch Galliumantimonid]]
Neben dem Material ist die Bauweise von Bedeutung. Man unterscheidet verschiedene Oberflächenstrukturierungen und Anordnungen der Kontaktierung der transparenten, jedoch hochohmigen Deckelektrode (schmale oder sogar durchsichtige Kontakte).

Weitere Bauformen sind Stapeltechniken durch Materialkombinationen unterschiedlicher Absorptionswellenlängen, wodurch der Wirkungsgrad der Gesamtanordnung erhöht werden kann. Es wird versucht, die Materialien so zu wählen, dass das einfallende Sonnenspektrum maximal ausgenutzt wird.

Derzeitig sind kommerziell erhältliche Solarzellen aus [[Halbleitertechnologie|Halbleitermaterialien]], überwiegend aus Silizium. Auch III/V-Halbleitermaterialien werden verwendet (unter anderem an Raumsonden). Wegen ihrer hohen Kosten werden sie für terrestrische Anwendungen in [[Konzentrator]]-Systemen verwendet. [[Polymer]]e Solarzellen befinden sich noch in der Forschung.

Halbleitersolarzellen werden zur Energiegewinnung meist zu großen [[Solarmodul]]en verschaltet. Die Zellen werden dafür mit [[Leiterbahn]]en an Vorder- und Rückseite in [[Reihenschaltung|Reihe]] geschaltet. Dadurch addiert sich die Spannung der Einzelzellen, und es können dünnere Drähte für die Verschaltung verwendet werden als bei einer [[Parallelschaltung]]. Als Schutz vor einem [[Lawinendurchbruch]] in den einzelnen Zellen (etwa bei Teilabschattung) müssen jedoch zusätzlich Schutz-[[Diode]]n (Bypass-Dioden) parallel zu den Zellen eingebaut werden, die von [[Abschattung]] betroffene Zellen überbrücken können.

[[Solaranlage]]n werden manchmal mit einer mechanischen Nachführung ausgestattet. Die Solaranlage wird dadurch elektrisch dem Sonnenstand angepasst, um die Ausbeute an elektrischer Energie aus der Sonnenenergie zu erhöhen.

=== Funktionsprinzip ===
[[Datei:Solarzelle_Funktionsprinzip2.svg|thumb|right|Einfallende [[Photon]]en erzeugen [[Elektron]]en und [[Defektelektron|Löcher]], die im [[Elektrisches Feld|elektrischen Feld]] der [[Raumladungszone]] des [[P-n-Übergang|p-n-Übergangs]] getrennt werden.]]
[[Datei: Solarzelle_Baender.svg|thumb|right|[[Bandstruktur]] einer einfachen [[PIN-Diode|pin]]-[[Dotierung|dotierten]] Siliziumsolarzelle]]

Solarzellen aus Halbleitermaterialien sind im Prinzip wie großflächige [[Photodiode]]n aufgebaut. Sie werden jedoch nicht als [[Strahlungsdetektor]], sondern als [[Stromquelle]] betrieben.

Die Besonderheit von Halbleitern ist, dass sie durch zugeführte [[Energie]] (elektromagnetische Strahlung) freie [[Ladungsträger (Physik)|Ladungsträger]] erzeugen ([[Elektron]]en und [[Defektelektron|Löcher]], siehe [[Rekombination (Physik)#Rekombination im Halbleiter|Generation]]). Um aus diesen Ladungen einen [[Elektrischer Strom|elektrischen Strom]] zu erzeugen, ist ein internes [[elektrisches Feld]] nötig, um die erzeugten Ladungsträger in unterschiedliche Richtungen zu lenken.

Dieses interne elektrische Feld wird durch einen [[p-n-Übergang]] erzeugt. Da Licht in Materialien gewöhnlich exponentiell schwächer wird, muss dieser Übergang möglichst nahe an der Oberfläche liegen, und die Übergangszone mit dem elektrischen Feld sollte möglichst weit in das Material hineinreichen. Diese Übergangszone ([[Raumladungszone]]) wird durch gezielte [[Dotierung]] des Materials eingestellt (siehe [[Halbleitertechnologie]]). Um das gewünschte Profil zu erzeugen, wird gewöhnlich eine dünne Oberflächenschicht stark n-dotiert, die dicke Schicht darunter schwach p-dotiert. Das hat eine weitreichende Raumladungszone zur Folge. Wenn in dieser Übergangszone nun [[Photon]]en einfallen und Elektronen-Loch-Paare erzeugen ([[Photoeffekt]]), so werden durch das elektrische Feld die Löcher zum untenliegenden p-Material beschleunigt und umgekehrt die Elektronen zum n-Kontakt auf der (sonnenzugewandten) Oberseite. Ein Teil der Ladungsträger [[Rekombination (Physik)|rekombiniert]] auf dieser Strecke und geht in Wärme verloren, der übrige Photostrom kann direkt von einem Verbraucher benutzt, in einem [[Akkumulator]] zwischengespeichert oder mit einem netzgeführten [[Wechselrichter]] in das [[Stromnetz]] eingespeist werden. Die elektrische Spannung bei maximaler Leistung ([[Maximum Power Point]], [[Leistungsanpassung]]) liegt bei den gebräuchlichsten Zellen (kristalline Siliziumzellen) bei etwa 0,5&nbsp;V.

Die Struktur von Solarzellen wird des weiteren so angepasst, dass möglichst viel Licht eingefangen wird und in der aktiven Zone Ladungsträger erzeugen kann. Dazu muss die Deckelektrode transparent sein, die Kontakte zu dieser Schicht müssen möglichst schmal sein, auf der Oberseite wird eine [[Antireflexionsschicht]] (zur Verringerung des [[Reflexionsgrad]]es) aufgetragen. Die Antireflexionsschicht sorgt für die typisch bläuliche bis schwarze Farbe von Solarzellen. Unbeschichtete Solarzellen haben dagegen ein silbrig-graues Erscheinungsbild.

Manchmal wird die Vorderseite strukturiert oder aufgeraut. Wegen dieses Vorteils wurden ursprünglich Wafer mit Fehlern beim Schleifprozess o.&nbsp;a. als Ausgangsmaterial für Solarzellen verkauft. [[Schwarzes Silizium]] hat eine aufgeraute, nadelförmige Oberfläche, die sehr geringe Reflexionen aufweist.

Die Antireflexschicht wird bei modernen Solarzellen aus Siliziumnitrid mittels PE-[[Chemische Gasphasenabscheidung|CVD]]-Verfahren hergestellt. Die Schichtdicke beträgt dabei ca. 70&nbsp;nm (Lambda-Viertel bei einer [[Brechzahl]] von 2,0). Darüber hinaus kommen noch Antireflexschichten aus [[Siliziumdioxid]] und [[Titandioxid]], die beispielsweise per AP-CVD-Verfahren aufgebracht werden, zur Anwendung.

Über die Schichtdicke wird auch die Farbe bestimmt ([[Interferenzfarbe]]). Eine möglichst hohe Gleichmäßigkeit der Beschichtungsstärke ist dabei wichtig, da bereits Schwankungen um einige Nanometer in der Schichtstärke den Reflexionsgrad erhöhen. Blaue Reflexion ergibt sich aus der Einstellung der Antireflexschicht auf den roten Teil des Spektrums – der bevorzugten Absorptionswellenlänge des Siliziums. Prinzipiell sind jedoch auch beispielsweise rote, gelbe oder grüne Solarzellen auf diese Weise für spezielle architektonische Anwendungen herstellbar, sie haben jedoch einen schlechteren Wirkungsgrad.

Im Falle von Siliziumnitrid und Siliziumdioxid erfüllt die Antireflexschicht dabei noch die Funktion einer Passivierungsschicht, die die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit herabsetzt. Die an der Oberfläche erzeugten Ladungsträger können dadurch – vereinfacht ausgedrückt – nicht so schnell rekombinieren, und die erzeugte Ladung kann als Spannung abgegriffen werden.

== Typen von Silizium-Solarzellen ==
[[Datei:4inch_poly_solar_cell.jpg|miniatur|Polykristalline Solarzelle]]
[[Datei:Multicrystallinewafer 0001.jpg|miniatur|Ein polykristalliner Wafer]]
[[Datei:Polykristalines Silizium.jpg|miniatur|Polykristallines Silizium]]
Das traditionelle Grundmaterial für Halbleitersolarzellen ist Silizium. Bis in das Jahr 2005 wurde vor allem Restsilizium aus der Chipproduktion verwendet, heute wird zunehmend Silizium speziell für die Solaranwendungen produziert. Silizium ist allgemein für die Halbleitertechnik nahezu ideal. Es ist preiswert, lässt sich hochrein und [[einkristall]]in herstellen und als ''n-'' und ''p-Halbleiter'' dotieren. Einfache Oxidation ermöglicht die Herstellung dünner Isolationsschichten. Jedoch ist die Ausprägung seiner Bandlücke als ''indirekter Halbleiter'' für optische Wechselwirkung wenig geeignet. Siliziumbasierte kristalline Solarzellen müssen eine Schichtdicke von mindestens 100&nbsp;µm und mehr aufweisen, um Licht ausreichend stark zu absorbieren. Bei Dünnschichtzellen ''direkter Halbleiter'', wie z.&nbsp;B. Galliumarsenid oder auch Silizium mit stark gestörter Kristallstruktur (siehe unten) genügen 10&nbsp;µm.

Je nach Kristallaufbau unterscheidet man bei Silizium folgende Typen:
* [[Einkristall|Monokristalline]] Zellen werden aus sogenannten [[Wafer]]n (einkristalline Siliziumscheiben) hergestellt, wie sie auch für die Halbleiterherstellung verwendet werden. Sie sind verhältnismäßig teuer.
* [[Polykristall]]ine Zellen bestehen aus Scheiben, die nicht überall die gleiche [[Kristallorientierung]] aufweisen. Sie können z.&nbsp;B. durch Gießverfahren (s. u.) hergestellt werden und sind preiswerter und in Photovoltaik-Anlagen am meisten verbreitet. Häufig werden diese Zellen auch als polykristalline Solarzellen bezeichnet.
* [[Amorphes Material|Amorphe]] Solarzellen bestehen aus einer dünnen, nichtkristallinen (amorphen) Siliziumschicht und werden daher auch als Dünnschichtzellen bezeichnet. Sie können etwa durch Aufdampfen hergestellt werden und sind preiswert, haben im Sonnenlicht einen nur geringen Wirkungsgrad, bieten jedoch Vorteile bei wenig Licht, Streulicht und bei hoher Betriebstemperatur. Zu finden sind die amorphen Zellen beispielsweise auf Taschenrechnern oder Uhren.
* Mikrokristalline Zellen sind Dünnschichtzellen mit mikrokristalliner Struktur. Sie weisen einen höheren Wirkungsgrad als amorphe Zellen auf und sind nicht so dick wie die gängigen polykristallinen Zellen. Sie werden teilweise für [[Photovoltaikanlage]]n verwendet, sind jedoch noch nicht sehr weit verbreitet.
* [[Tandem-Solarzelle]]n sind übereinandergeschichtete Solarzellen, meist eine Kombination von polykristallinen und amorphen Zellen. Die einzelnen Schichten bestehen aus unterschiedlichem Material und sind so auf einen anderen [[Wellenlänge]]nbereich des Lichtes abgestimmt. Durch ein breiteres Ausnützen des [[Lichtspektrum]]s der [[Sonnenspektrum|Sonne]] haben diese Zellen einen besseren Wirkungsgrad als einfache Solarzellen. Sie werden teilweise bei Photovoltaikanlagen verwendet, sind jedoch noch relativ teuer. Der für das Jahr 2008 geplante Start der Massenfertigung verspricht ein merkliches Kostensenkungspotential.

=== Herstellung aus Siliziumblöcken oder -stäben ===
Solarzellen können nach verschiedenen Verfahren hergestellt werden.
[[Datei:Monokristalines Silizium für die Waferherstellung.jpg|thumb|right|Silizium-Einkristall zur Waferherstellung, hergestellt nach dem [[Czochralski-Verfahren]]]]
Das Grundmaterial Silizium ist das zweithäufigste [[Chemisches Element|chemische Element]], das in der Erdkruste vorkommt. Es liegt in Form von [[Silikat]]en oder als [[Quarz]] vor. Aus Quarzsand kann in einem [[Hochofenprozess]] Rohsilizium, sogenanntes [[metallurgisches Silizium]], mit Verunreinigungen von circa 1 bis 2 % hergestellt werden. 2005 wurden auf diese Weise 4,7 Mio. Tonnen Silizium hergestellt. Ein Großteil davon geht in die [[Stahlindustrie]] und in die [[Chemische Industrie]]. Nur ein kleiner Anteil des metallurgischen Siliziums wird für die [[Mikroelektronik]] und die Photovoltaik verwendet.
Aus dem Rohsilizium wird dann über einen mehrstufigen auf [[Trichlorsilan]] basierenden Prozess [[polykristall]]ines Reinstsilizium hergestellt.
Der bis heute (2006) hier angewendete [[Siemens-Prozess]] ist ein CVD-Verfahren. Es wurde allerdings für die Mikroelektronik entwickelt und optimiert. Dort werden zum Teil völlig andere Anforderungen an die Qualität des Siliziums gestellt als in der Photovoltaik. Für Solarzellen ist beispielsweise die Reinheit des Wafers in seiner gesamten Stärke wichtig, um eine möglichst lange Ladungsträger-Lebensdauer zu gewährleisten. In der Mikroelektronik müssten dagegen prinzipiell nur die oberen etwa 20 bis 30 µm hochrein sein. Da mittlerweile der Verbrauch an hochreinem Silizium für die Photovoltaik den Verbrauch in der Mikroelektronik übertroffen hat, wird zur Zeit intensiv an speziellen, kostengünstigeren und für die Photovoltaik optimierten Herstellverfahren für Solarsilizium gearbeitet.

Der gesamte Herstellprozess für hochreines Silizium ist zwar sehr energieaufwendig, aber dennoch können die heute verwendeten Solarzellen die für ihre Produktion erforderliche Energiemenge – je nach Bauart – innerhalb von 1,5 bis 5 Jahren wieder kompensieren. Sie haben also eine positive Energiebilanz.

Das Reinstsilizium kann auf unterschiedliche Weise weiterverarbeitet werden. Für [[polykristall]]ine 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]] (siehe unten) schon beim Herstellen der Blöcke ([[Ingot]]s) beziehungsweise Stäbe vorgenommen wird.

==== Blockgussverfahren ====
Dieses Verfahren dient zur Herstellung von polykristallinem Silizium. Das Reinstsilizium wird in einem [[Tiegel]] mit Hilfe einer [[Induktionsheizung]] aufgeschmolzen und dann in eine quadratische Wanne gegossen, in der es möglichst langsam abgekühlt wird. Dabei sollen möglichst große Kristallite in den Blöcken entstehen. Die Kantenlänge der Wanne beträgt etwa 50&nbsp;cm, die Höhe der erstarrten Schmelze etwa 30&nbsp;cm. Der große Block wird in mehrere kleine Blöcke von etwa 30&nbsp;cm Länge zerteilt.

Ein weiteres Gießverfahren ist der Strangguss, wobei die Masse schon in der am Ende benötigten Stärke auf das Trägermaterial aufgebracht wird. Der Vorteil ist, dass ein Sägevorgang mit seinen Verlusten entfällt.

==== Bridgman-Verfahren ====
Das Bridgman-Verfahren dient zur Herstellung von polykristallinem Silizium<ref>[http://www.renewable-energy-concepts.com/german/sonnenenergie/solaranlage-solartechnik/solarzellen-herstellung/bridgeman-verfahren-silizium.html Silizium Herstellung - Bridgman-Verfahren] Infoseite auf renewable-energy-concepts.com, abgerufen am 17. April 2010</ref> und ist nach [[Percy Williams Bridgman]] benannt. Es ist nicht zu verwechseln mit der [[Bridgman-Stockbarger-Methode]], die zur Herstellung von Monokristallen dient. Das Reinstsilizium wird hier ebenfalls in einem Tiegel mit Hilfe einer Induktionsheizung bei über 1400&nbsp;°C aufgeschmolzen. Die langsame Abkühlung der [[Schmelze]], bei der sich große Zonen einheitlicher [[Kristall]]e 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 (zumeist Standardgröße 690&nbsp;mm)<ref>[http://www.swisswafers.ch/d/about_us/growing.htm Kristallzucht] Infoseite der Firma Swiss Wafers, abgerufen am 17. April 2010</ref>, die Höhe des Blocks beträgt etwa 20 bis 25&nbsp;cm. Der große Block wird ebenfalls in mehrere kleine Blöcke von zumeist 156&nbsp;mm Kantenlänge zerteilt. Dieser Arbeitsschritt wird ''Brikettieren'' genannt.<ref>[http://www.swisswafers.ch/d/about_us/squaring.htm Quadrieren und Brikettieren] Infoseite der Firma Swiss Wafers, abgerufen am 17. April 2010.</ref>

==== Czochralski-Verfahren ====
Das [[Czochralski-Verfahren]] wird für die Herstellung von langen monokristallinen Stäben genutzt. Der sogenannte [[Impfkristall]] gibt die Orientierung im Kristall vor. Vor der Herstellung der Zellen wird der entstandene Zylinder noch zurechtgeschnitten.

==== Zonenschmelzverfahren ====
Das [[Zonenschmelzverfahren]], auch Float-Zone-Verfahren genannt, dient auch der Herstellung monokristalliner Siliziumstäben. 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. Das einzige Unternehmen, das Float-Zone-Wafer in nennenswerten Mengen für Solarzellen verwendet, ist das US-Unternehmen [[SunPower]].

==== Waferherstellung ====
Die Kristallstäbe müssen nun mit einem [[Drahtsägen|Drahtsägeverfahren]] in Scheiben, die sogenannten Wafer, gesägt werden. Dabei entsteht aus einem großen Teil des Siliziums Sägestaub, der derzeit nicht mehr verwendbar ist. Die Dicke der entstehenden Scheiben liegt bei etwa 0,18 bis 0,28&nbsp;mm.<!--Quelle? Normale Wafer für die IC-Herstellung haben Dicken zwischen 525 µm und 875 µm.-->

Eine weitere Quelle für Wafer war früher der Ausschuss an Rohlingen für die Herstellung von [[Integrierter Schaltkreis|integrierten Schaltkreisen]] der Halbleiterfertigung. Sind die Rohlinge dort zur Weiterverarbeitung ungeeignet, können sie teilweise noch als Solarzelle verwendet werden. Mit den heutigen (2005) Herstellungsverfahren und dem enorm gestiegenen Bedarf der Solarindustrie hat die Verwendung von Ausschuss heute keine Bedeutung mehr.

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 [[eisblume]]nartiges Muster auf der Oberfläche.

Im Waferstadium sind Vorder- und Rückseite der Zelle noch nicht festgelegt.

==== Waferprozessierung ====
Die gesägten Wafer durchlaufen nun noch mehrere chemische Bäder, um Sägeschäden zu beheben und eine Oberfläche auszubilden, die 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 Defektelektronen (positive Ladungen) gibt, das heißt, es können Elektronen eingefangen werden. Das 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 etwa 1&nbsp;µm tief ist. Nach der [[Diffusion]] mit Phosphor entsteht auf der Oberfläche des Wafers Phosphorglas. Um dieses zu entfernen, ist ein weiterer sehr kurzer Ätzschritt mit [[Flusssäure]] nötig. Danach wird in einem weiteren Ofen mittels [[PECVD]] die [[Antireflexschicht]] aufgetragen, die der Zelle erst die typische Farbe gibt.

Danach erfolgt die Bedruckung der Zelle, z.&nbsp;B. durch [[Siebdruck#Siebdruck in der Elektronikindustrie|Siebdruck]], 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 und andererseits den ohmschen Widerstand der Deckelektrode verringern soll. 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 Fertigung von [[Solarmodul]]en zusammengestellt.

=== Direkte Herstellung von Platten bzw. Schichten ===
Um den Umweg des Sägens von Wafern aus Kristallblöcken zu vermeiden, gibt es umfangreiche Aktivitäten, Solarzellen direkt zu erzeugen.

==== EFG-Verfahren ====
Beim EFG-Verfahren (von engl. {{lang|en|edge-defined film-fed growth}}, ungefähre Übersetzung: „kantendefiniertes Filmwachstum“) werden aus einer elektrisch beheizten Graphitwanne aus flüssigem Reinstsilizium achteckige [[Röhre]]n von etwa 6 bis 7&nbsp;m Länge nach oben gezogen. Die Ziehgeschwindigkeit liegt im Bereich von ca. 1&nbsp;mm/s. Die Kantenlänge der einzelnen Seiten beträgt 10 bzw. 12,5&nbsp;cm, die Wandstärke ca. 280&nbsp;µm. Nach Fertigstellung der Röhre wird diese entlang der Kanten mit [[NdYAG-Laser]]n 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 12,5&nbsp;cm&nbsp;×&nbsp;15&nbsp;cm oder 12,5&nbsp;cm&nbsp;×&nbsp;12,5&nbsp;cm). Es wird eine Ausbeute von etwa 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. Ein Vorteil im Vergleich zum Sägen aus Blöcken ist die weitgehende Vermeidung von Verschnitt, der zudem nicht mit Schneideflüssigkeit (engl. {{lang|en|slurry}}, vgl. [[Kolloide]]) verunreinigt ist. Dieses Verfahren wird auch Bandzieh- oder [[Octagon-Verfahren]] genannt.

Das EFG-Verfahren wird von der Firma [[Schott Solar]] (Deutschland) angewendet. Entwickelt wurde das Verfahren von der Firma ASE Solar (USA).

==== String-Ribbon-Verfahren ====
Weiterhin gibt es noch ein Verfahren der US-amerikanischen Firma [[Evergreen Solar]], bei dem die Wafer zwischen zwei Fäden direkt aus der Siliziumschmelze gezogen werden<ref>[http://www.solarenergie.com/content/view/136/66/ Ziehen oder Sägen – ein Systemvergleich]</ref>. Dabei entsteht weniger Abfall (wie Späne usw., die normalerweise direkt entsorgt werden) als bei den herkömmlichen Verfahren.

==== Schichttransfer-Verfahren ====
Beim Schichttransfer-Verfahren wird eine nur ca. 20&nbsp;µm dünne Schicht aus einkristallinem Silizium direkt flach auf einem [[Substrat (Materialwissenschaft)|Substrat]] gezüchtet. Als Trägermaterial eignen sich keramische Substrate oder auch speziell oberflächenbehandeltes Silizium, wodurch das Ablösen des entstandenen Wafers und die Wiederverwendung des Trägers gegeben ist.
Die Vorteile dieser Verfahren sind der deutlich geringere Siliziumbedarf durch die geringe Dicke und der Wegfall der Sägeverluste. Der Sägevorgang als zusätzlicher Prozessschritt entfällt. Der erreichbare Wirkungsgrad ist hoch und liegt im Bereich von monokristallinen Zellen.

=== Solarzellen aus „schmutzigem“ Silizium ===
Der Prozess des Zonenschmelzens und Dotierens lässt sich auch in eine bereits gefertigte, flache Platte bzw. Schicht verlagern. Das Prinzip ist, dass die Verunreinigungen durch Wärmebehandlung (mehrfach lateral fortschreitende Umschmelzung, z.&nbsp;B. mit Laserstrahlung) des Siliziums an wenigen Stellen konzentriert werden. <ref>''[http://www.fraunhofer.de/archiv/pi-2006/presse/presseinformationen/2006/07/Presseinformation06072006.html Eicke Weber neuer Leiter des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE].'' Fraunhofer-Gesellschaft. 6. Juli 2006, abgerufen am 22. April 2010 (Presseinformation).</ref>.

=== Solarzellen aus speziellen Siliziumstrukturen ===
Seit den 2000er Jahren arbeiten verschiedene Forschungsgruppen an Solarzellen auf Basis von langen „Siliziumstäbchen“ (manchmal auch „Siliziummikrodrähte“ genannt) im Mikrometermaßstab.<ref name="Kelzenberg2010">{{Literatur|Autor=Michael D. Kelzenberg, Shannon W. Boettcher, Jan A. Petykiewicz, Daniel B. Turner-Evans, Morgan C. Putnam, Emily L. Warren, Joshua M. Spurgeon, Ryan M. Briggs, Nathan S. Lewis, Harry A. Atwater|Titel=Enhanced absorption and carrier collection in Si wire arrays for photovoltaic applications|Sammelwerk=Nature Materials|Band=advance online publication|Jahr=2010|DOI=10.1038/nmat2635}}</ref><ref>{{internetquelle |autor= Christel Budzinski|url= http://www.world-of-photonics.net/link/de/21504290|titel= Schwarz und effizient - Black Silicon für Solarzellen|werk= World of Photonics |datum= |zugriff=2010-02-19}}</ref><!--Wenn eine bessere Quelle bekannt ist, bitte austauschen.--> Die einzelnen Siliziumstäbchen sind in der Regel einige Mikrometer dick und ca. 200 Mikrometer lang. Strukturen aus senkrecht zu einer Trägerfläche angeordneten Stäbchen zeigen gegenüber konventionellen Solarzellen aus Silizium eine erhöhte Absorption von Sonnenlicht in einem breiten Spektralbereich, vgl. [[Schwarzes Silizium]].

Ein Beispiel für eine solche Solarzelle wurde 2010 von einer Arbeitsgruppe um [[Harry Atwater]] vom [[California Institute of Technology]] vorgestellt. Sie stellten über 100 Mikrometer lange Stäbchen mithilfe der sogenannten [[VLS-Technik]]<ref>{{Literatur|Autor=R. S. Wagner, W. C. Ellis|Titel=Vapor-liquid-solid mechanism of single crystal growth|Sammelwerk=Applied Physics Letters|Band=4|Nummer=5|Jahr=1964|Seiten=89–90|DOI=10.1063/1.1753975}}</ref> (von engl. {{lang|en|''vapor''-''liquid''-''solid''}}) her, übergossen diese anschließend zur Stabilisierung mit durchsichtigem, biegsamem Kunststoff ([[Polydimethylsiloxan]], PDMS) und lösten danach die fertige Zelle von der Platte.<ref name="Kelzenberg2010"/>. Diese Zellen zeigen, wie zuvor erwähnt, eine erhöhte Absorption von insgesamt bis zu 85 %<!-- siehe SPON-Quelle unten--> des einfallenden Lichts über einen großen Spektralbereich<!--oberhalb des Bandabstands-->. Die so erzeugten Solarzellen, im Laborstatus, haben einen hohen Wirkungsgrad.<!--wie hoch? Vergleich zu anderen Laborzellen fehlt--> Ihre Herstellung verbraucht nur 1 Prozent der sonst zur Solarzellenproduktion üblichen Siliziummenge, außerdem sind diese Solarzellen biegbar.<ref>Christoph Seidler: ''[http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/0,1518,677942,00.html Photovoltaik, Winzige Siliziumdrähte fangen Sonnenlicht ein].'' Spiegel Online, 15. Februar 2010, abgerufen: 19. Februar 2010.</ref>

== Andere Solarzellentypen ==
=== Dünnschichtzellen ===
[[Datei: solarz3a.jpg|thumb|Kleine, amorphe Si-Dünnschicht- Solarzelle auf Glas, vier Zellen in Reihe]]
[[Datei: solarz4.jpg|thumb|Rückseite (Schichtseite, braun lackiert)]]
[[Datei:Solar panel.png|thumb|Solarzellentypen]]
Dünnschichtzellen gibt es in verschiedenen Variationen, je nach Substrat und aufgedampften Materialien. Die Spannbreite der physikalischen Eigenschaften und der Wirkungsgrade ist entsprechend groß. Dünnschichtzellen unterscheiden sich von den traditionellen Solarzellen (kristallinen Solarzellen basierend auf Siliziumwafern) vor allem in ihren Produktionsverfahren und durch die Schichtdicken der eingesetzten Materialien. Die physikalischen Eigenschaften amorphen Siliziums, die von kristallinem Silizium verschieden sind, beeinflussen die Solarzelleneigenschaften. Manche Eigenschaften sind auch noch nicht vollständig verstanden.

Auch bei kristallinen Solarzellen wird das Licht bereits in einer dünnen Oberflächenschicht (ca. 10&nbsp;µm) absorbiert. Es liegt daher nahe, Solarzellen sehr dünn zu fertigen. Verglichen mit kristallinen Solarzellen aus Siliziumwafern sind Dünnschichtzellen etwa 100-mal dünner. Diese Dünnschichtzellen werden meist durch Abscheiden aus der Gasphase direkt auf einem Trägermaterial aufgebracht. Das kann Glas, Metallblech, Kunststoff oder auch ein anderes Material sein. Der aufwändige, im vorigen Kapitel beschriebene Prozess des Zerschneidens von Siliziumblöcken kann also umgangen werden.

Das bisher gängigste Material für Dünnschichtzellen ist amorphes Silizium (a-Si:H). Solche Dünnschichtmodule sind langlebige Produkte. Outdoor-Tests zeigen stabile Wirkungsgrade über mehr als zehn Jahre.
Mögliche weitere Materialien sind mikrokristallines Silizium (µc-Si:H), [[Gallium-Arsenid]] (GaAs), [[Cadmiumtellurid]] (CdTe) oder Kupfer-Indium-(Gallium)-Schwefel-Selen-Verbindungen, die so genannten [[CIGS-Solarzelle]] bzw. CIS-Zellen, wobei hier je nach Zelltyp S für Schwefel oder Selen stehen kann. Ein neues Material, das neu in der Dünnschichttechnologie Anwendung findet, ist [[CZTS]].

Für die Produktion von Strom ist ein hoher Wirkungsgrad erwünscht, der auch im Dünnschichtbereich inzwischen teilweise erreicht wird. [[Wirkungsgrad]]e im Bereich von 20 % (19,9 % mit CIS-Solarzellen, siehe <ref>Ingrid Repins, Miguel A. Contreras, Brian Egaas, Clay DeHart, John Scharf, Craig L. Perkins, Bobby To, Rommel Noufi: ''19.9%-efficient ZnO/CdS/CuInGaSe2 solar cell with 81.2 % fill factor.'' In: ''Progress in Photovoltaics: Research and Applications'' 16, 2008, S. 235.</ref>) für kleine CIGS-Laborzellen (≈&nbsp;0,5&nbsp;cm²) sind durchaus möglich. CIGS-Dünnfilmmodule erreichen inzwischen ähnliche Wirkungsgrade wie Module aus polykristallinem Silizium (11–12 %, <ref>M. Powalla, B. Dimmler, R. Schäffler, G. Voorwinden, U. Stein, H.-D. Mohring, F. Kessler, D. Hariskos: ''CIGS solar modules - progress in pilot production, new developments and applications.'' In: ''19th European Photovoltaic Solar Energy Conference, (2004) Paris'' ([http://www.nrel.gov/ncpv/thin_film/docs/powalla_paris_neu2004.pdf PDF]).</ref>).

Jedoch ist der Wirkungsgrad nicht das alleinige Kriterium bei der Auswahl. Wichtiger sind oft die Kosten, zu denen Strom aus den Solarzellen produziert werden kann. Dafür sind die verwendeten Herstellungsverfahren sowie die Kosten der eingesetzten Materialien verantwortlich. Darüber hinaus sind die Ausbeute, also das Verhältnis von der zur Herstellung aufgewendeten Energie zum Ertrag, sowie die Emission von Schadstoffen bei Produktion und über die Betriebszeit wichtige Kriterien. Aktuelle Studien belegen, dass Cadmiumtellurid-Dünnschicht-Solarzellen hier eine bessere Bilanz als konventionelle Siliziumzellen aufweisen.<ref name="Fthenakis 2008">Vasilis M. Fthenakis, Hyung Chul Kim, Erik Alsema: ''Emissions from Photovoltaic Life Cycles.'' In: ''Environmental Science & Technology.'' 42, Nr. 6, 2008, S. 2168–2174 ([http://www.lageneraciondelsol.com/documentos/biblioteca/25220081657551_es071763q.pdf PDF], {{DOI|10.1021/es071763q}}).</ref>

Eine der Stärken der Dünnschichtmodule besteht darin, dass sie nicht auf ein rigides Substrat wie Glas oder Aluminium angewiesen sind. Bei aufrollbaren Solarzellen für den Wanderrucksack oder eingenäht in Kleider wird ein geringerer Wirkungsgrad in Kauf genommen; der Gewichtsfaktor ist wichtiger als die optimale Lichtumwandlung.

Eine weitere Stärke von Dünnschichtmodulen ist, dass sie einfacher und großflächiger produziert werden können, insbesondere die Dünnschichtzellen aus amorphem Silizium. Diese machen daher heute den größten Marktanteil aus.

Zur Herstellung werden zum Teil Maschinen eingesetzt, die auch zur Herstellung von Flachbildschirmen eingesetzt werden. Dabei werden Beschichtungsflächen von über 5&nbsp;m² erreicht. Mit den Verfahren zur Herstellung von amorphem Silizium lässt sich auch kristallines Silizium in dünnen Schichten herstellen, sogenanntes mikrokristallines Silizium. Es vereint Eigenschaften von kristallinem Silizium als Zellenmaterial mit den Methoden der [[Dünnschicht-Technologie|Dünnfilmtechnik]]. In der Kombination aus amorphem und mikrokristallinem Silizium wurden in den letzten Jahren beachtliche Wirkungsgradsteigerungen erzielt.

Ein Verfahren für die Fertigung kristalliner Dünnschichtzellen aus Silizium ist CSG, ([[Crystalline Silicon on Glass]]); dabei wird eine weniger als zwei Mikrometer dünne Siliziumschicht direkt auf einen [[Glas]]träger aufgebracht; die [[kristallin]]e Struktur wird nach einer Wärmebehandlung erreicht. Das Aufbringen der Stromführung erfolgt mittels [[Laser]]- und [[Tintenstrahldruck]]technik. Dafür wurde 2005 von der Firma [[CSG Solar]] eine Fabrikationsanlage in Deutschland gebaut. Im Jahre 2008 produziert das Unternehmen 13&nbsp;[[MWp]] mit der Produktion von Dünnschicht-Solarzellen.<ref>[http://www.csgsolar.com.au/ CSG Solar])</ref>

Es werden derzeit Dünnschicht-Solarzellen aus [[Schwarzes Silizium|schwarzem Silizium]] entwickelt, die einen etwa doppelten Wirkungsgrad erreichen sollen.<ref name='guardian'>Alok Jha: ''[http://www.guardian.co.uk/environment/2008/oct/15/alternativeenergy ‘Black silicon’ boosts solar cell efficiency].'' guardian.co.uk, 15. Oktober 2008.</ref>

[[Datei:Konzentratorzelle.svg|thumb|upright|Schematischer Aufbau einer Konzentratorzelle]]

=== Konzentratorzellen ===
Bei Konzentratorzellen (auch ''Konzentrator-Photovoltaik'', [[Englische Sprache|engl]]: Concentrated PV, CPV) wird Halbleiterfläche eingespart, indem das einfallende Sonnenlicht zunächst auf einen kleineren Bereich konzentriert wird. Das erreicht man gewöhnlich durch [[Linse (Optik)|Linsen]], zumeist [[Fresnel-Linse]]n. Diese sind im Vergleich zu Halbleitern bezogen auf die Fläche preiswerter. Es kann somit zu geringeren Kosten die Sonneneinstrahlung einer größeren Fläche ausgenutzt werden. Häufig verwendete Materialien für Konzentratorsolarzellen sind [[III-V-Halbleiter]]. Zumeist werden Mehrfachsolarzellen (siehe nächster Abschnitt) verwendet, die für vollflächige Solarzellen unwirtschaftlich wären. Sie arbeiten noch zuverlässig bei mehr als dem 500-fachen der Sonnenintensität. Konzentratorsolarzellen müssen dem Sonnenstand nachgeführt werden damit ihre Optik die Sonnenstrahlung auf die Zellen bündeln kann. Zusätzlicher Effekt der Lichtkonzentration ist außerdem eine Erhöhung des Wirkungsgrades, da die [[Leerlaufspannung]] ansteigt. Die US-Energiebehörde hat mit dieser Technik Wirkungsgrade von über 40 % erreicht.<ref>[http://www.nrel.gov/csp/concentrating_pv.html NREL: Concentrating Solar Power Research - Concentrating Photovoltaic Technology<!-- Automatisch generierter titel -->]</ref>

=== Mehrfachsolarzellen ===
→ Hauptartikel [[Tandem-Solarzelle]]

Mehrfachsolarzellen bestehent aus zwei oder mehr Solarzellen mit verschiedenem Material, die [[monolith]]isch übereinander geschichtet sind. Zweck dieser Anordnung ist es, den [[Wirkungsgrad]] der gesamten Anordnung zu erhöhen. Die Wirkungsgrade bei Labormustern von Tandem-Konzentratorsolarzellen erreichten 2008 und 2009 über 40 %. So wurden am [[Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme|Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE]] mit einer Mehrfachsolarzelle und 454-facher Konzentration ein Wirkungsgrad von 41,1 % erzielt.<ref>[http://www.ise.fraunhofer.de/presse-und-medien/presseinformationen/presseinformationen-2009/weltrekord-41-1-wirkungsgrad-fuer-mehrfachsolarzellen-am-fraunhofer-ise Weltrekord: 41,1 % Wirkungsgrad für Mehrfachsolarzellen am Fraunhofer ISE]</ref>

=== Elektrochemische Farbstoff-Solarzelle ===
Dieser Zelltyp ist auch bekannt als [[Grätzel-Zelle]]. Bei diesem Zelltyp wird der Strom anders als bei den bisher aufgeführten Zellen über die [[Absorption (Physik)|Lichtabsorption]] eines [[Farbstoff]]es gewonnen; als Halbleiter kommt [[Titandioxid]] zum Einsatz. Als Farbstoffe werden hauptsächlich [[Komplexchemie|Komplexe]] des seltenen Metalls [[Ruthenium]] verwendet, zu Demonstrationszwecken können aber selbst organische Farbstoffe, zum Beispiel der Blattfarbstoff [[Chlorophyll]] oder [[Anthocyan]]e (aus [[Brombeere]]n), als Lichtakzeptor verwendet werden (diese besitzen jedoch nur eine geringe Lebensdauer). Die Funktionsweise der Zelle ist noch nicht im Detail geklärt; die kommerzielle Anwendung gilt als recht sicher, ist aber produktionstechnisch noch nicht in Sicht.

=== Organische Solarzellen ===
{{Hauptartikel|Organische Solarzelle}}
Eine ''organische Solarzelle'' ist eine Solarzelle, die aus [[Werkstoff]]en der [[Organische Chemie|organischen Chemie]] besteht, d.&nbsp;h. aus [[Kohlenwasserstoff]]-[[Chemische Verbindung|Verbindungen]] ([[Kunststoff]]en). Diese Verbindungen haben elektrisch halbleitende Eigenschaften. Der [[Wirkungsgrad]], mit dem [[Sonnenenergie]] in [[elektrische Energie]] umgewandelt wird, liegt mit ca. 6 % (Stand Oktober 2009) noch weit unter dem von Solarzellen aus anorganischem [[Halbleiter]]material. Organische Solarzellen bzw. Plastiksolarzellen, wie sie auch genannt werden, sind aufgrund der Möglichkeiten hinsichtlich günstiger und vielseitiger Herstellungsverfahren ein aktuelles Forschungsthema. Die potentiellen Vorteile einer Solarzelle auf Kunststoffbasis gegenüber herkömmlichen Siliziumsolarzellen liegen klar auf der Hand:
* Geringe Herstellungskosten aufgrund billiger Produktionstechnologien
* Hohe Stromausbeuten durch Dünnschicht–Großflächentechnologien für Kunststoffe
* Flexibilität, Transparenz und einfache Handhabung (mechanische Eigenschaften von Kunststoffen)
* Hohe Umweltverträglichkeit (Kunststoffe auf Kohlenstoffbasis)
* Anpassung an das Sonnenspektrum durch gezielte Polymersynthese
* „Bunte“ Solarzellen für architektonische Stilelemente

Im Vergleich zu den ersten organischen Solarzellen wurden inzwischen viele Fortschritte erzielt.

Der Wirkungsgrad liegt derzeit (Stand April 2007) bei maximal 6 % auf einer Fläche von 1&nbsp;cm².
Das Material für diesen Solarzellentyp basiert auf organischen Kohlenwasserstoffverbindungen mit spezifischer elektronischer Struktur, dem konjugierten pi-Elektronensystem, welches den betreffenden Materialien die wesentlichen Eigenschaften [[Amorphe Halbleiter|amorpher Halbleiter]] verleihen. Typische Vertreter organischer [[Halbleiter]] sind [[konjugierte Polymere]] und Moleküle, wobei auch speziell synthetisierte Hybridstrukturen verwendet werden. Die ersten Kunststoffsolarzellen, die aus konjugierten Polymeren (Elektronendonatoren) und Fullerenen (Elektronenakzeptoren) hergestellt wurden, waren 2-Schicht-Solarzellen. Diese Zellen bestehen aus einer dünnen Schicht des konjugierten Polymers, auf die eine weitere dünne Schicht von Fullerenen aufgebracht wird. Aus technologischer Sicht stellen konjugierte Polymere und funktionalisierte Moleküle auf Grund ihrer Prozessierbarkeit aus der Flüssigphase attraktive Basismaterialien für die kostengünstige Massenproduktion flexibler PV-Elemente mit vergleichsweise einfacher Struktur dar. Molekulare Halbleiter hingegen werden üblicherweise in vakuumgestützten Aufdampfprozessen zu wohldefinierten Mehrschichtsystemen verarbeitet und lassen die Herstellung sequentiell abgeschiedener Halbleiterschichten und somit komplexere Zelltypen (z.&nbsp;B. [[Tandemzelle]]n) zu.

Die [[Photovoltaik#Organische_Photovoltaik|organische Photovoltaik]] (OPV) hat das technologische Potenzial, um als sogenannte „Low-cost Energy Source“ Einzug in die mobile Stromversorgung zu halten. Dies auch aufgrund der kostengünstigen Massenfertigung auf Basis etablierter Druckverfahren. Damit könnte mit der organischen Photovoltaik ein neuer Anwendungsbereich erschlossen werden bei gleichzeitig niedrigen Investitionskosten. Die Firma ''Konarka Technologies GmbH'' in Nürnberg hat 2009 erste organische Kollektoren für Mobilgeräte auf den Markt gebracht.<ref>{{internetquelle |hrsg=Konarka |titel=Konarka verkündet Verfügbarkeit von Solarzellen für portable Ladegeräte auf der European Photovoltaic Solar Energy Conference |format= |sprache= |url=http://www.konarka.com/pr/09212009-de.php|werk= |kommentar= Pressemitteilung|datum=2009-09-20 |zugriff=2009-12-09}}</ref>

=== Fluoreszenz-Zelle ===
Fluoreszenz-Zellen sind Solarzellen, die zunächst in einer Platte durch [[Fluoreszenz]] Licht größerer Wellenlänge erzeugen, um dieses an den Plattenkanten zu wandeln.

=== Thermische Photovoltaik-Zellen (TPV) ===
Unter dem Namen ''Thermische Photovoltaik-Zellen'' (TPV) werden Zellen auf Basis von [[InP]] (früher [[GaSb]]) verstanden, die nicht Sonnenlicht verwerten, sondern Wärmestrahlung, also Licht wesentlich höherer Wellenlänge. Der Wirkungsgrad wurde dabei durch neuere Arbeiten<ref>http://www.ciphotonics.com/Press_Releases/TPV_Groundbreaking_thermo_photovoltaic.pdf PDF-Datei zu Thermischen Photovoltaikzellen (engl.)</ref> bis auf 12 % gesteigert (vorher maximal 9 %). Eine potentielle Anwendung solcher Zellen wäre die Verwertung von Wärme, wie sie bei großtechnischen Anwendungen in großen Mengen entsteht und die bisher mit zusätzlichem Aufwand entsorgt werden muss.

== Geschichte ==
{{Hauptartikel|Geschichte der Photovoltaik}}

Dass man sich die Sonnenenergie aktiv zunutze machen kann, wussten schon die alten Griechen. Angeblich bündelten sie mit Spiegeln das Sonnenlicht bei der Belagerung von Syrakus im Jahre 212 v.&nbsp;Chr. und richteten die gebündelten Sonnenstrahlen gegen die römische Flotte, deren Segel daraufhin zu brennen anfingen.
Die Griechen nutzen aber auch die Sonnenenergie zu friedlichen Zwecken wie zum Entzünden des [[Olympisches Feuer|olympischen Feuers]] im Tempel zu Delphi.

Die Nutzung der Sonne zur Gewinnung von elektrischer Energie kann man grob in das Jahr 1839 datieren. Der Franzose [[Alexandre Edmond Becquerel]] stellte fest, dass eine [[Batterie]], wenn man sie dem Sonnenlicht aussetzt, eine höhere Leistung hat als ohne Sonnenlicht. Er nutzte den Potentialunterschied zwischen einer verdunkelten und einer belichteten Seite einer chemischen Lösung, in die er zwei Platinelektroden eintauchte. Als er nun diese Konstruktion in die Sonne stellte, beobachtete er, dass ein Strom zwischen den zwei Elektroden entstand. So entdeckte er den photovoltaischen Effekt, konnte ihn allerdings noch nicht erklären. Später wies man nach, dass auch andere Materialien wie Kupfer photoleitfähig sind.

Die Photoleitfähigkeit wurde bei [[Selen]] 1873 nachgewiesen. Zehn Jahre später wurde die erste „klassische“ Photozelle aus Selen gefertigt. Wiederum zehn Jahre später, 1893, wurde die erste Solarzelle zur Erzeugung von Elektrizität gebaut.

1904 entdeckte der deutsche Physiker [[Philipp Lenard]], dass Lichtstrahlen beim Auftreffen auf bestimmte Metalle Elektronen aus deren Oberfläche herauslösen und lieferte damit die ersten Erklärungen für den Effekt der Photovoltaik. Ein Jahr später erhielt er den Nobelpreis für Physik für die Erforschung des Durchganges von Kathodenstrahlen durch Materie und für seine Elektronentheorie.
Den endgültigen Durchbruch schaffte 1905 [[Albert Einstein]], als er mit Hilfe der Quantentheorie die gleichzeitige Existenz des Lichtes sowohl als Welle als auch als Teilchen erklären konnte. Bis dahin glaubte man, dass Licht nur als eine Energie mit unterschiedlicher Wellenlänge auftritt. Doch Einstein stellte in seinen Versuchen, die Photovoltaik zu erklären, fest, dass sich Licht in manchen Situationen genauso wie ein Teilchen verhält, und dass die Energie jedes Lichtteilchens oder Photons nur von der Wellenlänge des Lichts abhängt. Er beschrieb das Licht als eine Ansammlung von Geschossen, die auf das Metall treffen. Wenn diese Geschosse genügend Energie besitzen, wird ein freies Elektron, das sich im Metall befindet und von einem Photon getroffen wird, vom Metall gelöst. Außerdem entdeckte er, dass die maximale kinetische Energie der losgelösten Elektronen von der [[Intensität (Physik)|Intensität]] des Lichtes unabhängig ist und nur durch die Energie des auftreffenden Photons bestimmt wird. Diese Energie hängt wiederum nur von der Wellenlänge (oder der Frequenz) des Lichtes ab. Für seine Arbeit zum photoelektrischen Effekt erhielt er 1921 den Nobelpreis für Physik.

Die Entdeckung des [[p-n-Übergang]]s (Kristallgleichrichters) im Jahre 1947 durch [[William B. Shockley]], [[Walter Brattain|Walther H. Brattain]] und [[John Bardeen]] war ein weiterer großer Schritt zur Solarzelle in ihrer heutigen Form. Nach diesen Entdeckungen stand dem Bau einer Solarzelle in ihrer heutigen Form nichts mehr entgegen. Es ist jedoch einem glücklichen Zufall zu verdanken, dass diese erste Solarzelle 1954 in den Laboratorien der amerikanischen Firma Bell gebaut wurde. Die Mitarbeiter der Firma (unter Teamleiter Morton Price) beobachteten, als sie einen Gleichrichter, der mit Hilfe von Silizium arbeitete, untersuchten, dass dieser mehr Strom lieferte, wenn er in der Sonne stand, als wenn er zugedeckt war. Bei Bell erkannte man schnell den Nutzen dieser Entdeckung zur Versorgung des Telefonnetzes von ländlichen Regionen mit Strom, was bis dahin noch mit Batterien geschah.
Die Firma [[Bell Laboratories|Bell]], genauer die Herren Chapin, Fuller und Pearson, entwickelte 1953 so die ersten Solarzellen aus Silizium, welche mit [[Arsen]] dotiert waren und einen Wirkungsgrad von etwa 4 % besaßen. Durch Wahl einer anderen Dotierung konnte der Wirkungsgrad auf etwa 6 % erhöht werden.

[[Datei:Vanguard 1.jpg|miniatur|Modell von ''Vanguard 1'']]
Die Raumfahrt erkannte sehr schnell den Nutzen der Solartechnik und rüstete 1958 zum ersten Mal einen [[Satellit (Raumfahrt)|Satelliten]] mit Solarzellen aus. ''[[Vanguard-Projekt|Vanguard&nbsp;1]]'' startete am 17. März 1958 und war erst der vierte Satellit überhaupt. Er besaß ein Solarpanel, welches mit 108 Silizium-Solarzellen ausgestattet war. Diese dienten nur als Ladestation der Akkus und nicht zur direkten Stromversorgung. Dabei wurde errechnet, dass die Zellen einen Wirkungsgrad von 10,5 % besaßen.
Die Konstrukteure hatten eine geringere Energieausbeute und eine kürzere Lebensdauer angenommen, so dass man diesen Satelliten nicht mit einem „Ausschalter“ versehen hatte. Erst nach acht Jahren stellte der Satellit aufgrund von Strahlenschäden seinen Betrieb ein.

Kurz darauf entstand die [[CdS-Cu2S-Solarzelle]], die bis Anfang der 1990er noch in Satelliten eingesetzt wurden. Heutige Satelliten sind zum Vergleich mit Vanguard&nbsp;I mit rund 40.000 Solarzellen ausgestattet.

Im Weltraum steht der natürlichen Sonnenstrahlung im Vergleich zur Erdoberfläche nichts entgegen, keine Wolkendecken und keine Strahlung absorbierende und mehr oder weniger verschmutzte Atmosphäre, die das Sonnenlicht behindert.
Andererseits führen die extremen Strahlungsverhältnisse im Weltraum zu einer stärkeren [[Solarzelle#Degradation|Degradation]] der Solarzellen als es auf der Erde der Fall ist. Seither versuchen Industrie und Forschung, immer größere Wirkungsgrade zu erreichen und zugleich die Degradation und Strahlungsresistenz zu verbessern.

[[Datei:Juno in front of Jupiter.jpg|miniatur|Grafik: ''Juno'' vor dem Jupiter]]
Üblicherweise werden [[Raumsonde|Raumflugkörper]] durch Solarzellen mit Strom versorgt. Dadurch dass heutige für Raumfahrtzwecke verwendete Solarzellen nicht nur 50 % effizienter, sondern auch strahlungsresistenter als die noch vor 20 Jahren verwendeten Siliziumzellen sind,<ref>[http://www.nasa.gov/mission_pages/juno/spacecraft/index.html Spacecraft and Instruments]</ref> kann im Jahr 2011 die Raumsonde [[Juno (Raumsonde)|Juno]] als erste mit Solarzellen ausgerüstete Raumsonde zum in Strahlung getauchten Planeten [[Jupiter (Planet)|Jupiter]] starten.

Durch die Verwendung reineren Siliziums und besserer Dotierungsmöglichkeiten wurde der Wirkungsgrad gesteigert und die Lebensdauer erhöht.
Mandelkorn und Lamneck verbesserten die Lebensdauer der Zellen 1972 durch eine Reflexion der Minoritätsladungsträger, in dem sie ein sogenanntes ''back surfaces field'' (BSF) in die p-leitende Schicht einbrachten.
1973 stellten Lindmayer und Ellison die sog. violette Zelle vor, die bereits einen Wirkungsgrad von 14 % besaß.
Durch das Reduzieren des Reflexionsvermögens wurde 1975 der Wirkungsgrad auf 16 % gesteigert.
Diese Zellen heißen CNR-Solarzellen (Comsat Non Reflection; Comsat = Telefonsatellit ) und wurden für Satelliten entwickelt.
Inzwischen sind von Green sowie an der Stanford Universität und bei Telefunken Solarzellen mit Wirkungsgraden um 20 % entwickelt worden. Der theoretische Wirkungsgrad für Silizium-Solarzellen liegt bei 29 % für die Strahlungsverhältnisse in mittleren Breiten. Zu den Wirkungsgraden siehe auch [[Solarzelle#Technische Merkmale|technische Merkmale]].

Maßgeblicher Anstoß für diese Entwicklung war Anfang der Siebziger die Vervierfachung des [[Ölpreis]]es. Nach dieser Preissteigerung rief [[Richard Nixon]] 1974 ein Forschungsprogramm ins Leben, welches sich mit regenerativen Energien auseinandersetzte. Bis dahin kostete jedes Watt 200 Dollar und war somit nicht konkurrenzfähig.
Um die Akzeptanz und das Vertrauen bei der Bevölkerung zu gewinnen, wurden Anfang der 1980er Rennen mit Solarmobilen ausgetragen, und im Juli 1981 überquerte ein mit Solarkraft angetriebenes [[Solarflugzeug#Solar Challenger|Flugzeug]] den Ärmelkanal.

Bis gegen Ende der 1990er Jahre waren Zellen mit etwa 100&nbsp;mm Kantenlänge (im [[Fachjargon]] auch ''Vier-Zoll-Zellen'' genannt) die üblichste Baugröße. Danach wurden auch 125&nbsp;mm-Zellen verstärkt eingeführt, und seit etwa 2002 sind auch 150&nbsp;mm-Zellen (Kantenlänge etwa 150&nbsp;mm) für Standardmodule eine gängige Größe.

== Formen und Größen ==
Zu Beginn der [[Kommerzialisierung]] der [[Solartechnik]] wurden häufig runde Zellen eingesetzt, deren Ursprung von den meist runden Siliziumstäben der Computerindustrie herrührt. Inzwischen ist diese Zellenform relativ selten, und es werden quadratische Zellen oder fast quadratische mit mehr oder weniger abgeschrägten Ecken eingesetzt. Als Standardformate werden derzeit Wafer mit einer Kantenlänge von 125 und 150&nbsp;mm prozessiert; künftig sollen aber auch Zellen mit einer Kantenlänge von 200&nbsp;mm Bedeutung erlangen.

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 einen kleineren Strom.

Im EFG-Verfahren werden auch Zellen hergestellt, bei denen die Seiten des entstehenden Rechtecks nicht die gleichen Längen haben.

== Degradation ==
Unter dem Begriff ''Degradation'' wird die alterungsbedingte Änderung der Parameter von Halbleiterbauteilen verstanden - in diesem Fall der Rückgang des Wirkungsgrades von Solarzellen im Laufe ihres Lebens.

Üblicherweise betrachtet man einen Zeitraum von bis zu 25 Jahren. Der Verlust an Wirkungsgrad liegt etwa im Bereich von 10 % bzw. 13 % in dem Zeitraum von 20 bzw. 25 Jahren<ref>Detailliertere Berechnung hier: http://www.rechner-photovoltaik.de/rechner/solardegradation</ref>. Solarzellen im Weltraum altern wesentlich schneller, da sie einer höheren Strahlung ausgesetzt sind.

Nachlassende Wirkungsgrade bzw. Stromerträge bei Solarmodulen haben aber oft banalere Ursachen: allgemeine flächige Verschmutzung der Modulgläser; Veralgung („Verpilzen“) speziell vom Modulrahmen ausgehend, mit Teilabschattung der Zellen; wachsende Bäume und Sträucher, die eine Teilabschattung bewirken und bei der Installation noch deutlich kleiner waren; Vergilbung des polymeren Einbettungsmaterials, welches den Kontakt Zelle – Glas bewerkstelligt.

=== Kristalline Solarzellen ===
[[Datei:Bildung von Bor-Sauerstoff-Komplex.svg|thumb|Bildung des Bor-Sauerstoff-Komplex in kristallinen Solarzellen]]
Bei heutigen Solarzellen beträgt der anfängliche Wirkungsgrad ca. 12–17 %. Oft geben die Hersteller von Solarzellen eine Mindestgarantie von 80 bis 85 % (Peak-Leistung) auf ihre Produkte nach 20 Jahren. Es ergeben sich also selbst nach langer Laufzeit (Betrieb) recht maßvolle Verluste, welche die/den Installation/Langzeiteinsatz einer [[Photovoltaikanlage]] rechtfertigen.

Für die Degradation verantwortlich sind im Wesentlichen rekombinationsaktive Defekte, die die Ladungsträgerlebensdauer auf ca. 10 % ihres Anfangswertes senkt (lichtinduzierte Degradation). Verantwortlich für die lichtinduzierte Degradation ist die Bildung von Bor-Sauerstoff-Komplexen in Czochralski-Silizium: Durch die Photoreaktion, bei der das Bor sein positiv geladenes Loch verliert und sich zu einem negativ geladenen Ion wandelt, wird der Sauerstoff angezogen. Der Sauerstoff lagert sich dadurch in die Verbindung zwischen dem Bor und dem Silizium ein.

Um den Effekt des Wirkungsverlustes zu minimieren, kann man Siliziumwafer mit einem niedrigerem Anteil an Bor und möglichst geringem Sauerstoffanteil verwenden (<&nbsp;15&nbsp;[[Parts per million|ppm]]). Bei der Verwendung von weniger Bor wird der Wafer jedoch aufgrund der geringeren Dotierung auch hochohmiger, wodurch der Wirkungsgrad der Zelle sinkt.

Untersuchungen haben gezeigt, dass Solarzellen bei Dotierung des p-Kristalls mit Gallium statt Bor keine wesentliche Degradation aufweisen.<ref>{{Literatur|Autor=M. Sheoran, A. Upadhyaya, A. Rohatgi|Titel=A Comparison of Bulk Lifetime, Efficiency, and Light-Induced Degradation in Boron- and Gallium-Doped Cast mc-Si Solar Cells|Sammelwerk=Electron Devices, IEEE Transactions on|Band=53|Nummer=11|Jahr=2006|Seiten=2764–2772|DOI=10.1109/TED.2006.883675}}</ref> Der geringere Wirkleistungsverlust konnte auch bei Gallium-dotiertem Silizium mit hohem Sauerstoffanteil nachgewiesen werden.<ref>{{Literatur|Autor=S. W. Glunz, S. Rein, J. Knobloch, W. Wettling, T. Abe|Titel=Comparison of boron- and gallium-doped p-type Czochralski silicon for photovoltaic application|Sammelwerk=Progress in Photovoltaics: Research and Applications|Band=7|Nummer=6|Jahr=1999|Seiten=463–469|DOI=10.1002/(SICI)1099-159X(199911/12)7:6<463::AID-PIP293>3.0.CO;2-H}}</ref>

=== Amorphe Siliziumsolarzellen ===
Eine besonders hohe Degradation von bis zu 25 % erreichen Solarzellen aus amorphem Silizium im ersten Betriebsjahr. Für Solarmodule aus diesem Material wird jedoch nicht die Leistung zu Beginn der Lebenszeit, sondern die Leistung nach dem Alterungsprozess in den Datenblättern und beim Verkauf angegeben. Solarmodule aus diesem Material haben also zunächst eine höhere Leistung als die, für die man bezahlt hat. Die Degradation, auch [[Staebler-Wronski-Effekt]] (SWE) genannt, erfolgt unter Lichteinstrahlung. Dabei erfährt das [[metastabil]]e amorphe hydrogenierte Silizium (a-Si:H) eine Zunahme der Defektdichte um etwa eine Größenordnung, bei gleichzeitiger Abnahme der [[Leitfähigkeit]] und Verschiebung des [[Fermi-Niveau]]s in die Mitte der [[Bandlücke]].
Nach etwa 1000 Sonnenstunden erreichen a-Si-Zellen einen stabilen Sättigungswert für den Wirkungsgrad.

== Wirkungsgrad ==
Der Wirkungsgrad <math>\eta</math> einer Solarzelle ist das Verhältnis der von ihr erzeugten elektrischen Leistung <math>P_{\rm elektrisch}</math> und der Leistung der einfallenden Strahlung <math>P_{\rm Licht}</math>.

:<math>\eta = \frac{P_{\rm elektrisch}}{P_{\rm Licht}}</math>

Ein hoher Wirkungsgrad ist erstrebenswert, weil er bei gleichen Lichtverhältnissen und gleicher Fläche zu einer größeren Ausbeute an elektrischem Strom führt.

Das thermodynamische Limit gilt für jede Maschine, die auf der Erde aus Sonnenlicht mechanische oder elektrische Arbeit erzeugt (z.&nbsp;B. auch für Aufwindkraftwerke, Stirlingmotoren, etc.).

=== Thermodynamisches Limit I ===
Die gröbste Abschätzung des Wirkungsgrades erhält man durch den [[Carnot-Wirkungsgrad]]. Er beschreibt den maximalen Wirkungsgrad, den eine beliebige physikalische Maschine erreichen kann, wenn sie ihre Energie aus der Temperaturdifferenz von zwei Wärmebädern bezieht. Der Carnot-Wirkungsgrad ergibt sich aus der Temperatur <math>T_{\rm warm}</math> des wärmeren Bades und der Temperatur <math>T_{\rm kalt}</math> des kälteren Bades gemäß:

:<math>\eta = 1 - \frac{T_\mathrm{kalt}}{T_\mathrm{warm}}</math>

Im Falle der Solarzelle ist das wärmere Energiebad die Sonnenoberfläche mit einer Temperatur von etwa 5.800&nbsp;K und das kältere Bad die Solarzelle mit einer Temperatur von 300&nbsp;K. Daraus ergibt sich ein Carnot-Wirkungsgrad von 95 %.

=== Thermodynamisches Limit II ===
Die Abschätzung im obigen Abschnitt vernachlässigt, dass die Energie von der Sonne zur Solarzelle durch Strahlung übertragen wird. In einem ausführlicheren Modell setzt man vor die Solarzelle einen Absorber. Dieser absorbiert die Strahlung der Sonne und strahlt selber einen kleinen Teil der Wärmestrahlung wieder an die Sonne ab. Nach dem [[Stefan-Boltzmann-Gesetz]] fließt somit insgesamt die Wärmeleistung
:<math>\sigma T_\mathrm{Sonne}^4-\sigma T_\mathrm{Absorber}^4</math>

von der Sonne zum Absorber, wobei <math>\sigma</math> die [[Stefan-Boltzmann-Konstante]] ist. Nach dem [[Carnot-Wirkungsgrad]] kann der Absorber von dieser Wärme nur den Anteil

:<math>1 - \frac{T_\mathrm{Solarzelle}}{T_\mathrm{Absorber}}</math>

in elektrische Arbeit überführen. Der Wirkungsgrad bestimmt sich nun aus diesem Anteil und der gesamten von der Sonne abgestrahlten Leistung <math>\sigma T_\mathrm{Sonne}^4</math> zu

:<math>\eta = 1-\frac{T_\mathrm{Absorber}^4}{T_\mathrm{Sonne}^4}\cdot(1 - \frac{T_\mathrm{Solarzelle}}{T_\mathrm{Absorber}})</math>

Bei einer Temperatur von 5800&nbsp;K für die Sonnenoberfläche und 300&nbsp;K Umgebungstemperatur wird der Wirkungsgrad bei einer Absorbertemperatur von etwa 2.500&nbsp;K maximal und beträgt 85 %. <ref>{{Literatur|Autor=Jenny Nelson|Titel=The physics of solar cells|Verlag=Imperial College Press|ISBN=1860943497|Jahr=2003|Seiten=291|Online={{Google Buch|BuchID=s5NN34HLWO8C|Seite=291}}}}</ref>

=== Shockley-Queisser-Limit ===
Im Gegensatz zu den thermodynamischen Limits berücksichtigt das Shockley-Queisser-Limit den für Solarzellen typischen Anregungsprozess von Elektronen in einem Halbleiter.
In einer Solarzelle wird dadurch Licht in elektrische Energie umgewandelt, dass das Licht Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband anregt.

Entscheidend für die Energie, die man pro angeregtem Elektron gewinnen kann, ist dabei die Größe der Bandlücke <math>E_\mathrm{g}</math> des Halbleiters. Unabhängig davon, wie weit das Elektron über die untere Kante des Leitungsbandes angeregt wird, erhält man pro Elektron maximal die Energie der Bandlücke als elektrische Energie.
Bei der elektrischen Leistung, die man aus allen angeregten Elektronen gewinnt, muss man berücksichtigen, dass bei einer kleinen Bandlücke mehr Elektronen erzeugt werden. Bei einer großen Bandlücke hat jedes einzelne Elektron dafür mehr Energie. Es muss daher ein Kompromiss aus folgenden Grenzfällen gefunden werden:
* Große Bandlücke: Nur energiereiches Licht (blaues und ultraviolettes Licht) kann Elektronen erzeugen, da längere Wellenlängen nicht absorbiert werden. Wegen der großen Bandlücke besitzt jedes Elektron eine hohe Energie.
* Kleine Bandlücke: Auch langwelliges Licht kann Elektronen anregen, so dass insgesamt viele Elektronen ins Leitungsband angeregt werden. Diese verlieren jedoch durch Stoßprozesse mit dem Kristallgitter in wenigen hundert Femtosekunden einen Teil ihrer Energie, bis sie nur noch die Energie der Bandlücke besitzen.

Die Energie in der elektromagnetischen (Sonnen-)Strahlung ist aus der Energie eines einzelnen Photons <math>h\nu</math> und der gesamten Anzahl der Photonen <math>f(\nu)</math> der Frequenz <math>\nu</math>, d.&nbsp;h. dem Spektrum, gegeben.

:<math>E_\mathrm{Strahlung} = \int\limits_{0}^{\infty}h\nu\cdot f(\nu) \,\mathrm{d}\nu</math>

Da nur die Photonen, deren Frequenz höher als <math>E_\mathrm{g}/h</math> ist, absorbiert werden und jedes ein Elektron erzeugt, das nach seinen Relaxationsprozessen eine Energie von <math>E_\mathrm{g}</math> besitzt, ergibt sich die insgesamte elektrische Energie der Elektronen zu

:<math>E_\mathrm{Elektronen} = E_\mathrm{g} \cdot \int\limits_{E_\mathrm{g}/h}^{\infty}f(\nu) \,\mathrm{d}\nu</math>

Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis von <math>E_\mathrm{Elektronen}</math> zu <math>E_\mathrm{Strahlung}</math>. Seine Größe hängt entscheidend von der Bandlücke <math>E_\mathrm{g}</math> und dem Spektrum <math>f(\nu)</math> ab.
Für eine Beleuchtung unter normalem, unkonzentriertem Sonnenlicht (AM1.5, Öffnungswinkel 0,5°) ergibt sich ein maximaler Wirkungsgrad von etwa 31 % bei einer Bandlücke von 1,3&nbsp;eV.
Wird das Licht mit einer Linse maximal auf die Solarzelle fokussiert (entspricht 46.200 Sonnen), steigt der maximale Wirkungsgrad auf 41 % bei einer Bandlücke von 1,1&nbsp;eV. <ref>{{Literatur|Autor=Giovanni Palmisano, Rosaria Ciriminna|Titel=Flexible Solar Cells|Verlag=Wiley-VCH|ISBN=978-3527323753|Jahr=2008|Seiten=43|Online={{Google Buch|BuchID=l1bY3942GMwC|Seite=43}}}}</ref>

Diese Überlegungen gelten jedoch nur für den Fall einer Zelle mit nur einem pn-Übergang. Mit sogenannten [[Tandem-Solarzelle]]n (engl.: multi-junction solar cell), in denen mehrere pn-Übergänge mit verschiedenen Bandlücken kombiniert sind, können prinzipiell auch höhere Wirkungsgrade erreicht werden, siehe Abschnitt [[#Mehrfachsolarzellen|Mehrfachsolarzellen]].

== Technische Merkmale ==
Die Kenngrößen einer Solarzelle werden für normierte Bedingungen, die [[Standard-Testbedingungen]], häufig abgekürzt STC (engl. ''Standard Test Conditions'') angegeben:
* Einstrahlungsstärke von 1000&nbsp;W/m<sup>2</sup> in Modulebene,
* Temperatur der Solarzelle 25&nbsp;°C konstant,
* Strahlungsspektrum AM&nbsp;1,5 global; DIN&nbsp;EN&nbsp;61215, IEC&nbsp;1215, DIN&nbsp;EN&nbsp;60904, IEC&nbsp;904).
Dabei steht AM&nbsp;1,5 global für den Begriff [[Air Mass]], die 1,5 dafür, dass die Sonnenstrahlen das 1,5-fache der Atmosphärenhöhe durchlaufen, weil sie schräg auftreffen. Das entspricht sehr gut den sommerlichen Gegebenheiten in Mitteleuropa von Norditalien bis Mittelschweden. Im Winter steht die Sonne in unseren Breiten erheblich tiefer, und ein Wert von AM&nbsp;4 bis AM&nbsp;6 ist hier realistischer.

Durch die Absorption in der Atmosphäre verschiebt sich auch das Spektrum des auf das Modul treffenden Lichtes. „Global“ steht für [[Globalstrahlung]], die sich aus dem Diffus- und dem Direktstrahlungsanteil der Sonne zusammensetzt.

Dabei ist zu beachten, dass in der Realität insbesondere die Zellentemperatur bei einer solchen Einstrahlung, die in [[Deutschland]] im Sommer zur Mittagszeit erreicht wird, bei normalem Betrieb wesentlich höher liegt (je nach Anbringung, Windanströmung etc. kann sie zwischen etwa 30 und 60&nbsp;°C liegen). Eine erhöhte Zellentemperatur bedeutet aber gleichzeitig einen herabgesetzten Wirkungsgrad der Solarzelle. Aus diesem Grund wurde auch eine weitere Bezugsgröße geschaffen, P<sub>NOCT</sub>, die Leistung bei normaler Betriebstemperatur (normal operating cell temperature).
[[Datei:Standard iv de.svg|thumb|Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzelle, beleuchtet und unbeleuchtet]]
[[Datei:Solarzelle_Kennlinie.svg|thumb|right|nichtlineare Kennlinie einer Solarzelle]]

Gebräuchliche Abkürzungen für die Bezeichnungen sind
*SC: Short Circuit - Kurzschluss
*OC: Open Circuit - Leerlauf
*MPP: [[Maximum Power Point]] – Betriebspunkt maximaler Leistung
*PR: Performance Ratio; Qualitätsfaktor der angibt, welcher Teil des vom Solargenerator erzeugten Stromertrages (unter Nennbedingungen) real zur Verfügung steht.

Die Kennwerte einer Solarzelle sind
* [[Leerlaufspannung]] <math>U_{\rm OC}</math> (auch <math>V_{\rm OC}</math>)
* [[Kurzschlussstrom]] <math>I_{\rm SC}</math>
* Spannung im bestmöglichen Betriebspunkt <math>U_{\rm MPP}</math> (auch <math>V_{\rm MPP}</math>)
* Strom im Betriebspunkt mit maximaler Leistung <math>I_{\rm MPP}</math>
* Maximale erzielbare Leistung <math>P_{\rm MPP}</math> Solarzellenhersteller geben diese unter standardisierten Bedingungen maximal erzielbare Leistung in der Einheit kWp, sprich „Kilowatt-Peak“ an
* [[Füllfaktor (Solarzelle)|Füllfaktor]] <math>FF = \frac{\rm P_{MPP}}{U_{\rm OC}\cdot I_{\rm SC}}</math>
* Koeffizient für die Leistungsänderung mit der Zelltemperatur
* [[Wirkungsgrad|Zellwirkungsgrad]] <math>\eta = \frac{P_{\rm MPP}}{A\cdot P_{\rm opt}}</math> mit der bestrahlten Fläche A und der [[Bestrahlungsstärke]] <math>P_{\rm opt}</math>

Solarzellen können also eine [[Leistung (Physik)|Leistung]] von sehr grob 160&nbsp;[[Watt (Einheit)|W]]/[[Quadratmeter|m²]] abgeben. Eingebaut in ein Modul ist die Leistung pro Fläche geringer, da zwischen den Zellen und zum Modulrand Abstände vorhanden sind.

Der [[Wirkungsgrad]] einer Solarzelle ist das Verhältnis von erzeugter elektrischer Leistung zur Leistung der [[Globalstrahlung]]. Halbleiter mit fester Bandlücke nutzen nur einen Teil des Sonnenlichtes. Ihr maximaler theoretischer Wirkungsgrad liegt bei ca. 30 %. Der maximale theoretische Wirkungsgrad bei Multibandsystemen, die für alle Wellenlängen Farben des Sonnenlichts sensibilisiert sind, liegt bei ca. 85 %.

{| class="prettytable"
|-style="background:#dddddd"
!Materialsystem
!Wirkungsgrad (AM 1,5)
!Lebensdauer
!Modul-Kosten <ref>{{internetquelle| autor= Lisa Eccles, Jason George, Miki Tsukamoto, Hai Yue Han| url= http://oregonstate.edu/~ecclese/files/Term%20Paper.pdf| format= PDF| sprache=englisch| titel=Comparison Study of Current Photovoltaic Technologies for Use on a Solar Electric Vehicle| datum=2006| archiv-url= http://web.archive.org/web/20060916084611/http://oregonstate.edu/~ecclese/files/Term+Paper.pdf| archiv-datum= 2006-09-16| zugriff=2010-04-22}}</ref>
|-
|amorphes Silizium
|5–10 %
|<&nbsp;20 Jahre
|
|-
|polykristallines Silizium
|10–15 %
|25–30 Jahre
|3 EUR/W
|-
|monokristallines Silizium
|15–20 %
|25–30 Jahre
|3–10 EUR/W
|-
|Galliumarsenid (Einschicht)
|15–20 %
|
|
|-
|Galliumarsenid (Zweischicht)
|20 %
|
|
|-
|Galliumarsenid (Dreischicht)
|25 % (30 % bei AM0)
|>&nbsp;20 Jahre
|500–1500 EUR/W
|-
|Galliumindiumphosphid + Galliumindiumarsenid
|40,8 %<ref>[http://www.solardaily.com/reports/US_Solarcell_Design_Hits_40_Precent_Efficiency_999.html US Solarcell Design Hits 40 Precent Efficiency]</ref> (non-STC)
|
|
|-
|Galliumindiumnitrid
|
|
|
|-
|Cadmiumtellurid
|5–12 %
|>&nbsp;20 Jahre
|1 EUR/W
|-
|}

Der Wirkungsgrad kommerzieller Zellen liegt bei ca. 20 Prozent (siehe Tabelle). Damit hergestellte Solarmodule erreichen einen Gesamtwirkungsgrad von etwa 17 Prozent. Der Rekord für im Labor hergestellte Silizium-Solarzellen liegt bei 24,7 Prozent (University of New South Wales, Australien), mit denen Module mit über 22 Prozent Wirkungsgrad hergestellt wurden. Der Preis für diese im Zonenschmelzverfahren hergestellten Zellen liegt bei etwa 200&nbsp;Euro pro Zelle bei einer Zellfläche von 21,6&nbsp;cm<sup>2</sup>. Für GaAs-Systeme beträgt er das fünf- bis zehnfache.

Die Degradation des Wirkungsgrades (Alterungsverhalten) liegt bei ca. 10 Prozent in 25 Jahren. Hersteller geben beispielsweise Garantien auf mindestens 80 Prozent der Peak-Leistung nach 20 Jahren.

Im Weltraum ist einerseits die [[Solarkonstante]] größer als die [[Globalstrahlung]] auf der Erde, andererseits altern die Solarzellen schneller. Solarpanele für Satelliten erreichen zur Zeit (2005) einen Wirkungsgrad von fast 25 % <ref>[http://www.esa.int/techresources/ESTEC-Article-art_print_friendly_1115706332477.html Technical and Quality Management - Home - European solar cell efficiency reaches new high<!-- Automatisch generierter titel -->]</ref> bei einer Betriebszeit von 15 Jahren.

=== Schaltbilder ===
[[Datei:Symbol Photodiode.svg|thumb|upright=0.5|right|Schaltsymbol einer Fotodiode]]
[[Datei:Solarzelle_Schaltbild.png|thumb|right|Schaltzeichen und einfaches Ersatzschaltbild einer Solarzelle]]
Das [[Schaltsymbol]] einer Solarzelle gibt, wie das Schaltsymbol einer [[Diode]] oder [[Photodiode]], mit einem Pfeil die [[technische Stromrichtung]] zur Verschaltung an. Der [[Kennlinie]]nverlauf einer realen Solarzelle weicht allerdings von der einer idealen Photodiode ab. Um diese Abweichungen zu modellieren, existieren mehrere [[Ersatzschaltbild]]er.

==== Vereinfachtes Ersatzschaltbild ====
Das [[Schaltplan|Schaltbild]] besteht zunächst nur aus einer [[Stromquelle]], die parallel zu einer idealen Diode geschaltet wird. Diese produziert einen Strom, der von der Bestrahlungsstärke abhängt und den Photostrom <math>I_\mathrm{ph}</math> modelliert. Die Gesamtstromstärke ergibt sich damit mit dem Diodenstrom <math>I_\mathrm{D}</math> (siehe [[Diode]]) zu
:<math> I = I_\mathrm{ph} - I_\mathrm{D} = I_\mathrm{ph} - I_\mathrm{S} \left[ \mathrm{e}^{ \frac{U_\mathrm{D}}{n\cdot U_\mathrm{T}}} - 1 \right] </math>.

==== Erweitertes Ersatzschaltbild (Ein- und Zweidiodenmodell) ====
[[Datei:Solarzelle_Schaltbild2.png|thumb|right|Eindiodenmodell einer Solarzelle]]
Das erweiterte Ersatzschaltbild nimmt Rücksicht auf reale Faktoren des Bauelementes, die durch die [[Halbleitertechnik|Fertigung]] entstehen. Mit diesen Modellen soll ein möglichst realistisches Modell der tatsächlichen Solarzelle geschaffen werden. Beim '''Eindiodenmodell''' wird so das vereinfachte Ersatzschaltbild zunächst nur durch einen [[Parallelschaltung|parallel]] und einen in [[Reihenschaltung|Reihe]] geschalteten Widerstand ergänzt.
* Der ''Parallelwiderstand'' Rp symbolisiert [[Kristallfehler]], nichtideale [[Dotierung]]sverteilungen und andere Materialdefekte, durch die [[Leckstrom|Verlustströme]] entstehen, die den [[p-n-Übergang]] überbrücken. Bei Solarzellen aus guter Herstellung ist dieser Widerstand relativ groß.
* Mit dem ''Serienwiderstand'' Rs werden alle Effekte zusammengefasst, durch die ein höherer Gesamtwiderstand des Bauelementes entsteht. Das sind hauptsächlich der Widerstand des Halbleitermaterials, der Widerstand an den [[Elektrischer Kontakt|Kontakten]] und der [[Verbindungstechnik (Elektrotechnik)|Zuleitungen]]. Diese Größe sollte bei gefertigten Solarzellen möglichst gering sein.
Die Formel für den Gesamtstrom ist für dieses Modell bereits eine [[rekursive Funktion]] und lautet:

:<math>I=I_\mathrm{ph}-I_\mathrm{d}-\frac{U_\mathrm{p}}{R_\mathrm{p}}=I_\mathrm{ph}-I_\mathrm{S}\left[ \mathrm{e}^{\frac{U+R_\mathrm{s}\cdot I}{n\cdot U_\mathrm{T}}}-1 \right] - \frac{U+R_\mathrm{s}\cdot I}{R_\mathrm{p}}</math>

[[Datei:Solarzelle_Schaltbild3.png|thumb|right|Zweidiodenmodell mit spannungsgesteuerter Stromquelle für den Lawinendurchbruch in Sperr-Richtung]]
Beim Übergang zum '''Zweidiodenmodell''' fügt man eine weitere Diode mit einem anderen Idealitätsfaktor n ein. Normalerweise werden diese über die Werte 1 und 2 angesetzt. Weiterhin lassen sich alle diese Modelle bei Betrieb in Sperr-Richtung durch eine spannungsgesteuerte Stromquelle ergänzen, um den Lawinendurchbruch zu modellieren. Die Formeln für die Ströme beim Zweidiodenmodell lauten dann, bei Anpassungs[[leitwert]] ''g''<sub>b</sub>, Durchbruchspannung ''U''<sub>b</sub> und Lawinendurchbruchexponent ''n''<sub>b</sub>:

:<math>I=I_\mathrm{ph}-I_\mathrm{b}-I_\mathrm{S1}\left[ \mathrm{e}^{\frac{U+R_\mathrm{s}\cdot I}{n_1\cdot U_\mathrm{T}}}-1 \right] -I_\mathrm{S2}\left[ \mathrm{e}^{\frac{U+R_\mathrm{s}\cdot I}{n_2\cdot U_\mathrm{T}}}-1 \right] -\frac{U+R_\mathrm{s}\cdot I}{R_\mathrm{p}}</math>

:<math>I_\mathrm{b}=g_\mathrm{b}\cdot(U+R_\mathrm{s}\cdot I)\cdot\left(1-\frac{U+R_\mathrm{s}\cdot I}{U_\mathrm{b}}\right)^{-n_\mathrm{b}}</math>

== Energetische Amortisation und Erntefaktoren ==
Die energetische Amortisationszeit ist der Zeitpunkt, zu dem die für die Herstellung einer Photovoltaikanlage aufgewandte [[Primärenergie|Primärenergie]] durch selbige wieder erzeugt wurde. Da die bei der Produktion genutzte elektrische Energie zu den [[Sekundärenergie|Sekundärenergien]] zählt, wird diese mit dem Wirkungsgrad eines fossilen Kraftwerkes in Primärenergie umgerechnet. Dementsprechend erfolgt diese Umrechnung auch bei der erzeugten elektrischen Energie der Solarzelle. Analog kann man sich vorstellen, dass die Photovoltaikanlage den Strom aus einem konventionellen Kraftwerk ersetzt <ref name="Quaschning 2002">V. Quaschning: ''[http://www.volker-quaschning.de/datserv/kev/ Energieaufwand zur Herstellung regenerativer Anlagen].'' 2002, Abgerufen am 10. August 2009.</ref>.

Am besten schneiden Dünnschichtmodule ab, die sich als Richtwert nach etwa 2–3 Jahren amortisieren. Anlagen mit polykristallinen Zellen benötigen zur energetischen Amortisation etwa 3–6 Jahre und solche mit monokristallinen Zellen etwa 5–7 Jahre <ref> Colin Bankier and Steve Gale: ''[http://www.energybulletin.net/node/17219 Energy Payback of Roof Mounted Photovoltaic Cells].'' 2006 </ref>. Diese Werte hängen natürlich von der tatsächlichen Energieausbeute (d.h. von der Sonneneinstrahlung) und den verwendeten Vergleichskraftwerken ab. Auch ist zu beachten, ob Solarzellen, Module oder ganze Systeme (inklusive Wechselrichter und Anschlussinfrastruktur) betrachtet werden. Ältere Untersuchungen zeigen bei Si-Solarzellen teilweise höhere Werte, was mit der Nutzung von Restsilizium aus der Chipindustrie zusammenhängt. Mit dem Beginn der großtechnischen Solarzellenherstellung konnten hier energieintensive Prozessschritte entfallen. Da der Energieverbrauch einen großen Kostenfaktor bei der Herstellung einer Solarzelle darstellt, wird mit einer weiteren deutlichen Reduzierung der Amortisierungszeiten auch bei Si-Solarzellen gerechnet <ref>Mariska de Wild-Scholten, Erik Alsema: [http://igitur-archive.library.uu.nl/chem/2007-0628-202050/NWS-E-2006-126.pdf ''Energetische Bewertung von PV-Modulen''] (PDF-Datei, 1,52 MB), Energy Research Centre of the Netherlands (ECN), Unit Solar Energy und Copernicus Institut, Universität Utrecht</ref>.

Heutige kommerzielle Solarzellen erzeugen auch in Deutschland ein vielfaches der Energie, die für die Herstellung notwendig war. Eine negative Energiebilanz wird bei normaler Verwendung demzufolge nicht beobachtet, weshalb stets ein [[Erntefaktor|Erntefaktor]] größer eins folgt.

== Umweltschutz ==
Die Herstellung photovoltaischer Solarzellen ist ein chemischer Prozess, bei dem gasförmige, flüssige und feste Chemikalien zum Einsatz kommen, die gesundheits- und umweltschädlich sind. Dazu kommt, dass bei einigen Zelltypen Stoffe wie z.&nbsp;B. [[toxisch]]es oder [[karzinogen]]es [[Cadmium]], [[Arsen]] bzw. deren Verbindungen sowie [[Kupfergalliumdiselenid]] verwendet werden. Ein typisches [[Cadmiumtellurid]]-Solarmodul enthält zum Beispiel ca. 22&nbsp;g des gefährlichen Schwermetalls [[Cadmium]] und 25&nbsp;g [[Tellur]] pro m<sup>2</sup> Zellfläche.<ref>Eine typische CdTe-Solarzelle besteht aus fünf Einzelschichten. Im Einzelnen sind das eine ca. 8&nbsp;μm dicke CdTe-Absorberschicht, eine ca. 100&nbsp;nm dicken [[Cadmiumsulfid|CdS]]-Zwischenschicht sowie zwei 20 bzw. 100&nbsp;nm dicken [[Tellur|Te]]- und [[Antimon]]tellurid (Sb<sub>2</sub>Te<sub>3</sub>-Dünnschichten</ref> Bei der Produktion werden beide Substanzen durch Co-Verdampfung auf das Trägermaterial aufgebracht. Die Co-Verdampfung ist ein ungerichteter Prozess, bei dem die gesamte Innenoberfläche der Beschichtungskammer mit Dünnschichten aus Tellur, Cadmiumtellurid, Cadmiumsulfid und Antimontellurid überzogen werden. Der Materialverbrauch erhöht sich dadurch um mindestens weitere 40 %. Bei der regelmäßigen Reinigung der Produktionskammer mit wässriger Säure – die Reinigung erfolgt manuell – werden die Rückstände in eine wässrige Lösung überführt. Neben der eigentlichen Zellproduktion stellt also auch die Reinigung der Produktionsanlagen eine Herausforderung an [[Umweltschutz]] und [[Arbeitsschutz]] dar.<ref>BIA-Report: ''Arbeitsbedingte Gesundheitsgefahren durch Cadmium- und Arsenexposition. Epidemiologische Erkenntnisse zur Karzinogenität.'' (Symposium) 15./16. Feb. 2001, BGA, Hennef.</ref><ref>D. L. Morgan, C. J. Shines, S. P. Jeter, M. E. Blazka, M. R.Elwell, R. E. Wilson, S. M. Ward, H. C. Price, P. D. Moskowitz: ''Comparative Pulmonary Absorption, Distribution, and Toxicity of Copper Gallium Diselenide, Copper Indium Diselenide, and Cadmium Telluride in Sprague-Dawley Rats.'' In: ''Toxicology & Applied Pharmacology.'' 147, Nr. 2, 1997, S. 399–410.</ref><ref>V. M. Fthenakis, S. C. Morris, P. D. Moskowitz, D. L. Morgan: ''Toxicity of cadmium telluride, copper indium diselenide, and copper gallium diselenide.'' In: ''Progress in Photovoltaics - Research and Applications.'' 7, Nr. 6, 1999, S. 489–497.</ref><ref>''Reducing the Potential Risk of Developing Cancer from Exposure to Gallium Arsenide in the Microelectronics Industry.'' In: ''DHHS (NIOSH) Publication No. 88-100.'' NIOSH ALERT, Okt. 1987 ([http://www.cdc.gov/niosh/88-100.html Online]).</ref><ref>Akiyo Tanaka: ''Toxicity of indium arsenide, gallium arsenide, and aluminium gallium arsenide.'' In: ''Toxicology & Applied Pharmacology.'' 198, Nr. 3, 2004, S. 405–411 ({{DOI|10.1016/j.taap.2003.10.019}}).</ref> Eine neuere Untersuchung versucht, die geringere Gefährdung, die von Cadmiumtellurid-Zellen im Vergleich zur Kohleverbrennung ausgeht, nachzuweisen.<ref name="Fthenakis 2008"/> Produktionsrückstände und [[Emission (Umwelt)|Emissionen]] können zu Langzeitschäden und [[Altlast]]en führen. Gleiches gilt bei unsachgemäßer Entsorgung für die Altzellen. Die Photovoltaik unterscheidet sich in diesem Aspekt von anderen Technologien zur Nutzung [[Erneuerbare Energie|regenerativer Energien]].

== Siehe auch ==
* [[Halbleiterdetektor]]
* [[Sonnensimulator (Photovoltaik)]]

== Literatur ==

* {{Literatur | Autor=Peter Würfel | Titel=Physik der Solarzellen | Sammelwerk=Spektrum | Verlag=Akademischer Verlag | Ort=Heidelberg | Jahr=2000 | ISBN=3-8274-0598-X }}
* {{Literatur | Autor=Guillermo Diaz-Santanilla | Titel=Technik der Solarzelle - physikalische Grundlagen, Eigenschaften und Applikationen | Verlag=Franzis | Ort=München | Jahr=1984 | ISBN=3-7723-7371-2 }}
* {{Literatur | Autor=Tom Markvart, Luis Castañer | Titel=Solar cells - materials, manufacture and operation | Verlag=Elsevier | Ort=Oxford | Jahr=2006 | ISBN=1-85617-457-3 }}
* {{Literatur | Autor=Christoph Brabec | Titel=Organic photovoltaics - materials, device physics, and manufacturing technologies | Verlag=Wiley-VCH | Ort=Weinheim | Jahr=2008 | ISBN=978-3-527-31675-5 }}

== Weblinks ==
* {{Commons|Solar cell|Solarzelle}}
* {{Wikibooks|Siliciumverarbeitung: Herstellung von Solarzellen|Herstellung von Solarzellen}}
* [http://www.ise.fraunhofer.de/ Fraunhofer Institut Solare Energiesysteme]
* [http://www.isfh.de/institut_solarforschung/photovoltaik.php Institut für Solarenergieforschung Hameln]
* [http://www.zae-bayern.de/deutsch/abteilung-allgemein/elektrizitaet/ ZAE Bayern], Elektrizitätserzeugung und gekoppelte Systeme
* [http://www.helmholtz-berlin.de/forschung/enma/si-pv/arbeitsgebiete/duennschichtsolarzellen/index_de.html Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie] Entwicklung von Dünnschichtzellen
* [http://www.lios.at/ LIOS - Linzer Institut für Organische Solarzellen, Johannes Kepler Universität Linz, Österreich]
* [http://www.iapp.de/iapp/agruppen/osol/ Forschung zu organischen Solarzellen am Institut für Angewandte Photophysik (IAPP) an der TU Dresden] (Moleküle)
* [http://ehf.uni-oldenburg.de/pv/ Energie- und Halbleiterforschung, Univ. Oldenburg], Forschung/ Entwicklung im Bereich der organischen Photovoltaik und der anorganischen Dünnschichtphotovoltaik
* [http://www.fz-juelich.de/ief/ief-5/ Forschungszentrum Jülich], Entwicklung von Silizium-Dünnschichtsolarzellen
* [http://www.elektroniknet.de/home/photovoltaik/solarworld/gallery/1/ "So entsteht die Solarzelle", Herstellungsschritte in Bildern auf elektroniknet.de]
* [http://www.jr-photovoltaics.com/download/JR_Product_Portfolio_Web.pdf Produktionslinie im Überblick], Infoblatt der Firma Jonas & Redmann (PDF-Datei; 699&nbsp;kB)
* [http://www.youtube.com/view_play_list?p=4FAC1AB0C3362D19&search_query=solarmaus Die Solarmaus], Video zur Entstehung der Solarzelle mit Armin Maiwald
*[http://www.spiegel.de/wirtschaft/unternehmen/0,1518,688779,00.html Spiegel Online: Recycling von Modulen, Solar-Konzerne kämpfen um ihr grünes Image]
* [http://www.volker-quaschning.de/artikel/pv-grundlagen/index.php So funktioniert eine Solarzelle] Leicht verständliche Erklärung des photovoltaischen Prinzips

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Photovoltaik]]
[[Kategorie:Umwelttechnik]]
[[Kategorie:Halbleiterbauelement]]
[[Kategorie:Optoelektronik]]

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[[eu:Zelula fotoelektriko]]
[[fa:سلول خورشیدی]]
[[fi:Aurinkokenno]]
[[fr:Cellule photovoltaïque]]
[[gl:Célula fotoeléctrica]]
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[[hi:सौर सेल]]
[[hr:Solarna fotonaponska energija]]
[[hu:Napelem]]
[[id:Sel surya]]
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[[lt:Saulės baterija]]
[[lv:Saules baterija]]
[[ml:സൗരോർജ്ജ സെൽ]]
[[nl:Zonnecel]]
[[no:Solcelle]]
[[pl:Ogniwo słoneczne]]
[[ro:Celulă solară]]
[[ru:Фотоэлемент]]
[[sl:Sončna celica]]
[[sv:Solcell]]
[[te:సౌర ఘటం]]
[[th:เซลล์สุริยะ]]
[[uk:Сонячний елемент]]
[[vi:Pin mặt trời]]
[[zh:太阳能电池]]

Version vom 15. Juli 2013, 16:47 Uhr

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Naturales quaestiones ist ein Werk über Erscheinungen und Fragen der Natur, das Seneca 62 n. Chr. bis 63 n. Chr. verfasst hat[1]. Seneca zeigt sich dabei als Sammler der Erkenntnisse zahlreicher, hauptsächlich griechischer Autoren. Der Stoff ist - folgend der Einteilung der Kosmologie in Himmelskunde, Meteorologie und Erdkunde - auf Themen der Meteorologie eingeschränkt. Seneca ist damit in der Tradition älterer Autoren, wie Aristoteles und Poseidonios[2].

Aufbau und Gesamtgestaltung

Das Werk zerfällt in 8 Enzelbücher, die unterschiedlichen Themen gewidmet sind. Das Einzelbuch gliedert sich im allgemeinen in ein Vorwort, den Hauptteil mit den stoffbezogenen Thesen und einen Schlussteil. In allen Büchern außer dem verstümmelten Buch IVb und Buch VII wendet er sich an seinen Freund Lucilius Junior. Das Vorwort und Schlussteil enthalten meistens philosophisch-ethische Ausführungen, so dass eine einzigartige Mischung naturwissenschaftlicher und ethischer Themen vorliegt.
In den naturwissenschaftlichen Hauptteilen übermittel Seneca jeweils die Ausführungen mehrerer Autoren. Er bewertet sie auch und legt dar, welcher der häufig sehr kontroversen Theorien er sich anschließt.

Quellen

Seneca nennt circa 40 Namen von Gewährsmännern. Es handelt sich dabei um Philosophen und Naturwissenschaftler, aber auch um 'Forschungsreisende', deren Berichte er zitiert. So berichtet z.B. Euthymenes von Massilia von seiner Reise auf dem Atlantischen Ozean [3]. Viele Namen werden nur einmal genannt. Wichtige Quellen mit mehreren Nennungen sind Anaxagoras (6 Nennungen), Aristoteles (13), Kallisthenes (6), Poseidonius (10) und Theophrast (9)[4].
Häufig bekennt sich Seneca allgemein zu der Lehre der Stoiker, der er anhängt.
In hac sententia sunt plerique nostrorum... wird übersetzt mit
Dieser Ansicht sind die meisten Stoiker...[5].
Aber mit der Angabe antiqui werden auch ältere Philosophen genannt.
Auch lateinische Autoren werden, wenn auch selten, rezipiert. Im Windbuch (V, 16) nennt Seneca Varro. Die lateinischen Namen der Winde in diesem Kapitel (vulturus, subsolanus, etc) lassen auch eine lateinische Quelle wahrscheinlich sein. Seneca spricht Papirius Fabianus, der die causarum naturalium libri geschrieben hatte[6], bei seiner Sintflutschilderung (III, 27, (3)) an.
Trotzdem bleiben einerseits weite Textbereiche, die mit einem allgemeinen manche meinen oder man erzählt auch angeführt werden. Andererseits stellt Seneca auch ausdrücklich seine eigene Meinung dar, stellt sich etwa mit:
Ego nostris non assentior, Ich stimme unserer Schule hier nicht bei[7]
in Gegensatz zu der Schule der Stoiker.
Trotz dieser Vielfalt der Quellen ist auch angenommen worden, dass sich Seneca hauptsächlich auf Poseidonius gestützt habe, insbesondere in Buch VII[8].

Inhalt der einzelnen Bücher

Buch I - Meteorbuch

Seneca behandelt verschiedene Lichterscheinungen, die hauptsächlich durch das Sonnenlicht in Wolken, Wassertropfen usw hervorgerufen werden. Zentral steht die Schilderung des Regenbogens und Theorien seiner Entstehung.
Diese naturwissenschaftlichen Beobachtungen werden durch die Praefatio, in der die Beschränktheit des Menschen im Vergleich zu Natur und Gottheit thematisiert wird, und ein moralisierendes Schlusswort eingerahmt. Hier schildert Seneca ausführlich den Gebrauch von Spiegeln bei erotischen Szenen, wobei er auch den Namen des von ihm zutiefst verachteten Mitbürgers nicht zurückhält.

Buch II - Gewitterbuch

Thema des Buches sind die Beschreibung von und Theorien zur Entstehung von Blitz und Donner.
In den vorwortartigen Eingangskapiteln (1-11) stellt Seneca seine Einteilung der Materie und der Welt vor, sowie eine Schilderung der Eigenschaften der Luft. Abgeschlossen wird das Buch wieder durch moralische Überlegungen. Diesmal setzt sich Seneca mit der Todesangst auseinander. Ab Kapitel 31 führt Seneca von der für die Antike unerklärlichen physikalischen Eigenschaft des Blitzes, Silber zu schmelzen und dabei das umgebende Holzkästchen unversehrt zu lassen, zu der Blitzmantik über. Dabei vergleicht er den etruskischen Standpunkt mit dem Standpunkt der Stoa[9].

Buch III - Wasserbuch

Wieder rahmen ein Vorwort (naturwissenschaftliches Schreiben wird gegenüber der historischen Berichterstattung positiv gewertet)und ein Epilog (eine eindrucksvolle Schilderung der Sintflut) die naturwissenschaftlichen Ausführungen ein. Behandelt werden verschiedene Theorien der Entstehung der Flüsse, des Grundwassers und der Eigenschaften des Wassers.

Buch IVa - Nilbuch

Nach Praefatio und einer Schilderung des Nils überliefert Seneca 4 der damals bekannten Theorien der Ätiologie der Nilschwelle[10]:
- Schneeschmelze im Äthiopischen Gebirge (Anaxagoras)
- Etesien stauen den Nil (Thales, Euthymenes geht überdies davon aus, dass der Nil mit dem Altantik verbunden ist)
- Jahreszeitlicher Temperaturwechsel in unterirdischen Wasseradern (Oinopides von Chios)
- Ausgleich der Feuchtigkeit durch unterirdisches Röhrensystem (Diogenes von Apollonia)
Seneca lehnt alle Theorien ab und ist damit im Einklang mit dem gegenwärtigen Wissensstand. Bevor er eine Theorie zitiert, die er billigt, bricht das Buch ab.

Buch IVb - Wolkenbuch

Der Anfang des Buches ist verlohren. Es setzt mit einer Schilderung des Hagels und des Schnees ein. Ganz entschieden lehnt Seneca in Kapitel 6 die abergläubische Vorstellung ab, durch ein Blutopfer Hagel abwenden zu können.
In Kapitel 8 bis 12 bildet er Theorien über den Temperaturanstieg bei steigender Lufthöhe und die damit zusammenhängende Schneebildung.
Das Buch klingt mit einer harschen Kritik des luxuriösen Lebensstils, durch den Eis und Schnee zur Kühlung von Speisen und Getränken gebraucht - missbraucht - werden, aus.

Buch V - Windbuch

Das Buch beginnt ohne Praefation direkt mit einer Definition:
ventus est flues aer
Wind ist fließende Luft
In Kapitel 2 bis 6 werden Theorien der Windentstehung (Ausdünstung der Erde, Luftabgabe des verdauenden Erdtiers, Lebenskraft der Luft) vorgestellt. Von Kapitel 7 bis 17 beschreibt Seneca unterschiedliche Winde und entwickelt eine Windrose mit 4 bzw 12 unterschiedenen Winden.
Über eine kurze Schilderung des segensreichen Wirken des Windes leitet Seneca über in eine lange, moralphilosophische Deklamation[11] (Kap.18, (10):
quousque nos mala nostra rapuerunt?parum est intra orbem suum furere
Wie weit haben uns unsere Übel gebracht? Da reicht es nicht, in der eigenen Welt zu rasen

Buch VI - Erdbebenbuch

Ausgehend von dem kürzlichen Erdbeben in Kampanien, das sowohl in Pompeji als auch Herculaneum großen Schaden angerichtet hatte, geht Seneca auf die Angst ein, die ein Erdbeben hervorruft.
Ab Kapitel 4 bis 20 werden zahlreiche Erdbebentheorien ausgebreitet, die meisten mit dem Namen eines Philosophen, der sie vertritt. Feuer, Wasser, Luft werden als Ursache genannt, auch mehrere zusammenwirkend. Ab Kapitel 21 entwickelt Seneca seine eigene Meinung: eindringnde Luft, die unterirdischen Hohlräume unter großem Druck vollständig ausfüllt, sei die Ursache.
Er berichtet auch interessante Beobachtungen von dem Erdbeben in Kampanien, so in Kapiteln 21, dass Schafe durch die giftigen Dünste gestorben waren und in Kapitel 31, dass die elastischen Lehmmauern letztlich besser standhielten, als die Steinmauern.

Buch VII - Kometenbuch

Seneca hat eine große Anzahl von Theorien zusammengestellt, die er diskutiert und zum Teil widerlegt. Die Meinung der Stoiker, vertreten von Zenon (Kapitel 20), dass Kometen eine Feuererscheinung ohne Substanz seien, teilt er nicht. Vielmehr neigt er der Theorie des Apollonius von Myndos (Kapitel 17) zu, dass es sich um Planeten handele, von deren Lauf wir nur einen kleinen Teil sehen.
In de letzten Kapiteln bedauert Seneca, dass dem Menschen ein so kleiner Teil der Schöpfung verständlich sei:
neque enim omnia deus homini fecit. quota pars operis tanti nobis committitur?
Nicht alles nämlich hat die Gottheit für den Menschen geschaffen. Welch kleiner Teil dieses Riesenwekes ist uns zugänglich
und dass der Mensch sich so wenig bemühe, seine Erkenntnis zu erweitern.

Überlieferung und Weiterleben

Die Naturales quaestiones wurden im Mittelalter weit weniger rezipiert als andere naturwissenschaftliche, antike Schriften, wie etwa die Meteorologie des Aristoteles. Sie wurde auch weit weniger gelesen als andere Schriften Senecas[12].
Es wurden cirka 50 Handschriften aus dem 12ten bis 14ten Jahrh. überliefert, die alle dieselbe Textlücke etwa in der Mitte des Textes aufweisen, aber bezüglicher der Anordnung der Bücher in 2 Gruppen zerfallen. Die eine Gruppe gliedert die Bücher: I-II-III-IVa-IVb-V-VI-VII, die andere: IVb-V-VI-VII-I-II-III-IVa [13].
Erst 1907 verfertigte Alfred Gercke eine vollständige Textausgabe.

Textausgabe und Übersetzung

  • L. Annaeus Seneca: Naturales quaestiones. Übersetzt und herausgegeben von Otto und Eva Schönburger. Stuttgart 1998.

Literatur

  • M.F.A. Brok: L.Annaeus Seneca Naturwissenschaftliche Untersuchungen. Darmstadt 1995.
  • Nicolaus Gross: Senecas Naturales Quaestiones. Stuttgart 1989.
  • Paul Oltramare: Sénèque: Questions Naturelles. Paris 1973.
  • Franz Peter Waiblinger: Senecas Naturales Quaestiones. Griechische Wissenschaft und römische Form. München 1977.
  • Albert Rehm: Das siebente Buch der Naturales Questiones des Seneca und die Kometentheorie des Poseidonios. München 1921.

Einzelnachweise

  1. ↑ Otto und Eva Schönberger: Naturales quaestiones, Nachwort, Die Entstehung der Naturales quaestiones
  2. ↑ Franz Peter Waiblinger: Senecas Naturales Quaestiones, II. Der Gegenstand der Naturales Quaestiones und seine traditionelle Struktur
  3. ↑ L. Annaeus Seneca: Naturales quaestiones, IV a, (22)
  4. ↑ Paul Oltramare: Sénèque: Questiones Naturelles, Index des noms propres
  5. ↑ Übersetzung Otto und Eva Schönburger
  6. ↑ Franz Peter Waiblinger: Senecas Naturales Quaestiones, II, 3)
  7. ↑ L. Annaeus Seneca: Naturales quaestiones, VII, 22, (1)
  8. ↑ Albert Rehm: Das siebente Buch der Naturale Quaestiones des Seneca un die Kometentheorie de Poseidonois
  9. ↑ Nicolaus Gross: Senecas Naturales Quaestiones, 2.2 Das Gewitterbuch
  10. ↑ Nicolaus Gross: Senecas Naturales Questiones, 2.4. Das Nilbuch
  11. ↑ Nikolaus Gross: Senecas Naturales Quaestiones ,2.6.10)
  12. ↑ Franz Peter Waiblinger: Senecas Naturales Questiones, I. Einleitung
  13. ↑ M.F.A. Brok: L. Annaeus Seneca Naturwissenschaftliche Untersuchungen, Einleitung
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