Solarzelle

Solarzellen sind eine Anwendung der Photovoltaik. Sie wandeln Lichtenergie in Gleichstrom unter Ausnutzung des photovoltaischen Effekts um. Sie funktionieren vom Prinzip her wie Photodioden und benötigen einen p-n-Übergang für die Ladungstrennung. Durch das Auftreffen von Photonen wird eine elektrische Spannung erzeugt, die durch Anschließen eines elektrischen Verbrauchers an der Solarzelle einen Strom fließen läßt. Die Spannung einer Solarzelle liegt bei den gebräuchlisten Zellen (kristalline Siliziumzellen) bei ca. 0,5 Volt. Um besser verwendbare Spannungen zu erreichen, werden in einem Solarmodul (auch Photovoltaikmodul) mehrere Solarzellen miteinander verschaltet. Die Zellen werden meist aus so genannten Wafern hergestellt, wie sie in der Computerindustrie üblich sind.

Datei:Solarzellen.JPG

Solarzellen

Herstellung einer Siliziumsolarzelle

Herstellung der Siliziumkristallsäulen

Solarzellen können nach verschiedenen Verfahren hergestellt werden.

Das Grundmaterial Silizium ist das zweithäufigste Element, das in der Erdekruste vorkommt. Es liegt meist als Quarzsand vor. Aus diesem kann in einer Art Hochofenprozess Rohsilizium mit Verunreinigungen von ca. 1 % hergestellt werden. Dieser Prozess ist sehr energieaufwändig. Dennoch können die heute verwendeten Solarzellen die für ihre Produktion erforderliche Energiemenge innerhalb von 1,5 bis 7 Jahren (je nach Bauart) wieder erzeugen, haben also eine positive Energiebilanz. Aus dem Rohsilizium wird dann über einen mehrstufigen Prozess polykristallines Reinstsilizium hergestellt. Die bis heute (2003) hier angewendeten Verfahren sind für die Elektronikindustrie optimiert und bieten für die geforderte Reinheit von Solarsilizium, die wesentlich niedriger liegt als bei Elektronikanwendungen benötigt, noch deutlichesKostenreduktionspotential. Hier wird zur Zeit intensiv geforscht.

Das nun vorhandene Reinstsilizium kann auf sehr unterschiedliche Arten weiterverarbeitet werden. Für polykristalline Zellen kommen größtenteils das Gießverfahren, das Bridgman-Verfahren und das Bandzieh-Verfahren (EFG-Verfahren) zum Einsatz. Monokristalline Zellen werden fast immer nach dem Czochralski-Verfahren hergestellt. Bei allen Verfahren gilt, dass die Dotierung mit Bor (s.u.) schon beim Herstellen der Blöcke bzw. Säulen vorgenommen wird.

Gießverfahren

Das Gießverfahren dient zur Herstellung von polykristallinem Silizium. Das Reinstsilizium wird in einem Tiegel mit Hilfe einer Induktionsheizung aufgeschmolzen und dann langsam in eine quadratische Wanne gegossen, in der es nun langsam erstarrt. Die Kantenlänge der Wanne beträgt ca. 50 cm, die Höhe der erstarrten Schmelze ca. 30 cm. Der große Block wird in mehrere Säulen von ca. 30 cm Länge zerteilt, es kann mit einer Ausbeute von ca. 70 % gerechnet werden.

Bridgman-Verfahren

Das Bridgman-Verfahren dient ebenfalls zur Herstellung von polykristallinem Silizium. Das Reinstsilizium wird hier ebenfalls in einem Tiegel mit Hilfe einer Induktionsheizung aufgeschmolzen. Die langsame Abkühlung der Schmelze, bei der sich große Zonen gleichgerichteter Kristallgitter ausbilden, findet hier im gleichen Tiegel statt. Die geheizte Zone wird langsam von unten nach oben im Tiegel angehoben, so dass sich oben bis zum Schluss flüssiges Silizium befindet, während vom Tiegelboden her das Erstarren erfolgt. Hier sind die Kantenlängen etwas größer als beim Gießverfahren (ca. 60 bis 70 cm), die Höhe des Blocks beträgt ca. 20 bis 25 cm. Der große Block wird ebenfalls in mehrere Säulen von ca. 20 bis 25 cm Länge zerteilt, bei einer Ausbeute von ca. 60 %.

EFG-Verfahren

Bei EFG-Verfahren (Edge-defined Film-fed Growth) läßt man aus Reinstsilizium achteckige Röhren von ca. 5,6 m Länge nach unten wachsen. Die Kantenlänge der einzelnen Seiten beträgt 10 cm, die Wandstärke 280 µm. Nach Fertigstellung der Röhre wird diese entlang der Kanten mit NdYAG-Lasern geschnitten und in einem bestimmten Raster dann über die Breite der jeweiligen Seite. Daraus ergibt sich die Möglichkeit der Herstellung von Zellen mit unterschiedlichen Kantenlängen (zum Beispiel 10 x 15 cm oder 10 x 10 cm). Es wird eine Ausbeute von ca. 80 % des Ausgangsmaterials erzielt. Bei den so erzeugten Zellen handelt es sich ebenfalls um polykristallines Material, welche sich vom Aussehen her deutlich von den gesägten Zellen unterscheidet. Unter anderem ist die Oberfläche der Zellen welliger. Dieses Verfahren wird auch Bandzieh-Verfahren genannt.

Czochralski-Verfahren

Das Czochralski-Verfahren wird für die Herstellung von langen monokristallinen Säulen genutzt. Vor der Herstellung der Zellen wird die entstandene zylindrische Säule noch quadratisch zurechtgeschnitten.

Zonenschmelzverfahren

Das Zonenschmelzverfahren dient auch der Herstellung monokristalliner Siliziumsäulen. Die bei diesem Verfahren erzielte Reinheit ist im Normalfall höher als für die Solartechnik benötigt und auch mit sehr hohen Kosten verbunden. Deshalb wird diese Technik für die Solartechnik eher selten benutzt.

Waferherstellung

Die jeweiligen Säulen werden nun mit einem Drahtsägeverfahren in lauter einzelne Scheiben, die so genannten Wafer, gesägt. Dabei entsteht aus einem großen Teil des Siliziums Sägestaub, der allerdings gereinigt und wieder eingeschmolzen werden kann. Die Dicke der entstehenden Scheiben liegt bei ca. 0,25 bis 0,3 mm.

Eine weitere Quelle für Wafer ist der Ausschuss an Rohlingen für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen der Computerindustrie. Sind die Rohlinge dort nicht zur Weiterverarbeitung nicht geeignet, können sie teilweise noch als Solarzelle verwendet werden.

Die monokristallinen Zellen zeichnen sich durch eine homogene Oberfläche aus, während bei den polykristallinen Zellen gut die einzelnen Zonen mit verschiedener Kristallorientierung unterschieden werden können. Sie bilden ein eisblumenartiges Muster auf der Oberfläche. Zu diesem Zeitpunkt sind Vorder- und Rückseite der Zelle noch nicht festgelegt.

Waferprozessierung

Die gesägten Wafer müssen nun noch mehrere chemischen Bäder durchlaufen, damit die Sägeschäden behoben werden und sich eine Oberfläche ausbildet, die besonders gut geeignet ist, Licht einzufangen. Hier gibt es verschiedene, herstellerspezifische Konzepte.

Im Normalfall sind die Wafer schon mit einer Grunddotierung mit Bor versehen. Diese bewirkt, dass es überschüssige freie Löcher (positive Ladungen) gibt, das heißt, es können Elektronen eingefangen werden. Dies wird auch p-Dotierung genannt. Auf dem Weg zur fertigen Solarzelle mit p-n-Übergang muss nun die Oberfläche noch eine n-Dotierung bekommen, was durch Prozessierung der Zelle in einem Ofen in einer Phosphor-Atmosphäre geschieht. Die Phosphoratome schaffen eine Zone mit Elektronenüberschuss auf der Zelloberfläche die ca. 1 µm tief ist.

Als nächster Schritt werden die Zellen mit einer Antireflexionsschicht aus SiNx oder TiO₂ versehen.

Danach erfolgt die Bedruckung der Zelle mit den notwendigen Lötzonen und der Struktur, welche für den besseren Abgriff des generierten elektrischen Stroms sorgt. Die Vorderseite erhält meist zwei breitere Streifen, auf denen später die Bändchen zum Verbinden mehrerer Zellen befestigt werden. Außerdem wird ein sehr dünnes, elektrisch gut leitendes Raster aufgebracht, was einerseits den Lichteinfall so wenig wie möglich behindern soll, andererseits die Ladungsträger so schnell wie möglich einsammeln soll, damit der ohmsche Widerstand so gering wie möglich ist. Die Rückseite wird meist vollflächig mit einem gut leitenden Material beschichtet.

Nach der Prozessierung werden die Zellen nach optischen und elektrischen Merkmalen klassifiziert, sortiert und für die Modulproduktion ausgeliefert.

Andere Solarzellentypen

Dünnschichtzellen

Die Dünnschichtzellen werden im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Zellen meist durch Abscheiden aus der Gasphase direkt auf einem Trägermaterial aufgebracht. Dies kann Glas, Metallblech, Kunststoff oder auch ein anderes Material sein. Der Materialeinsatz ist sehr gering, während die Kombinationen der Halbleiter so gewählt sind, dass trotzdem ein recht hoher Wirkungsgrad entsteht. Noch sind die Wirkungsgrade für großtechnische Anwendung niedriger als bei der konventionellen Technik und die Haltbarkeit der Zellen im Dauereinsatz muss erst noch bewiesen werden. Die Hoffnung ist, dass durch technologische Fortschritte, den geringen Materialeinsatz und das große Feld der möglichen Trägermaterialien in Zukunft eine kostengünstige Herstellung möglich ist, so dass diese Technik auf lange Sicht die sehr kostenintensive Dickschichttechnik ersetzen kann. Mögliche Materialien sind zum Beispiel amorphes Silizium (a-Si), Gallium-Arsenid (GaAs), Cadmium-Tellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-Gallium-Schwefel-Selen-Verbindungen (CIS, oder CIGS, wobei hier S für Schwefel oder Selen stehen kann, je nach Zelltyp)

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 Lichtabsorption eines Farbstoffes gewonnen. Es wird organischer Farbstoff (zum Beispiel der Blattfarbstoff Chlorophyll) als Lichtakzeptor verwendet. Die Funktionsweise der Zelle ist noch nicht im Detail geklärt, die kommerzielle Anwendung gilt als recht sicher, ist aber produktionstechnisch noch nicht in Sicht.

Fluoreszens-Zelle

Hierbei handelt es sich eigentlich um einen Kollektor für Solarstrahlung, eine Beschreibung findet sich beim Thema Solarmodul

Geschichte

(die Geschichte der Solarzelle beginnt ca. 1954 - wer weiß mehr ...?)

Bis gegen Ende der 90er Jahre des zwanzigsten Jahrhunderts waren Zellen mit ca. 100 mm Kantenlänge (im Fachjargon auch Vier-Zoll-Zellen genannt) die üblichste Baugröße. Danach wurden auch Fünf-Zoll-Zellen verstärkt eingeführt und seit etwa 2002 sind auch Sechs-Zoll-Zellen (Kantenlänge ca. 150 mm) für Standardmodule eine gängige Größe.

Formen und Größen

Zu Beginn der Kommerzialisierung der Solartechnik wurden häufig runde Zellen eingesetzt, deren Ursprung von den meist runden Siliziumsäulen der Computerindustrie herrührt. Inzwischen ist diese Zellenform relativ selten und es werden quadratische Zellen, oder fast quadratische mit mehr oder weniger abgeschrägten Ecken, eingesetzt.

Durch Sägen der fertig prozessierten Zellen entstehen für spezielle Anwendungen im Kleingerätebereich auch Zellen mit kleineren Kantenlängen. Sie liefern annähernd die gleiche Spannung wie die großen Zellen, jedoch entsprechend der kleineren Fläche auch einen kleineren Strom.

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

Technische Merkmale

Die Kenngrößen einer Solarzelle werden für die so genannten STC-Bedingungen (Standard Test Conditions) angegeben. Das bedeutet es liegt eine Einstrahlungstärke von 1000 W/m² in Modulebene vor, die Temperatur der Solarzelle beträgt konstant 25°C und es liegt ein Strahlungspektrum AM 1,5 global vor. Diese Bedingungen werden in einer Norm festgelegt (DIN EN 61215, IEC 1215, DIN EN 60904, IEC 904). Hierbei steht AM 1,5 global für den Begriff Air Mass, die 1,5 dafür, das die Sonnenstrahlen hierbei das 1,5-fache der Atmossphärenhöhe durchlaufen, weil sie schräg auftreffen. Dadurch verschiebt sich auch das Spektrum des auf das Modul treffenden Lichtes. Das "global" steht für Globalstrahlung, die sich aus dem Diffus- und dem Direktstrahlungsanteil der Sonne zusammensetzt.

Hierbei ist zu beachten, dass in der Realität insbesondere die Zelltemperatur bei einer solchen Einstrahlung, die in Deutschland nur an wenigen Tagen mittags erreicht wird, bei normalem Betrieb wesentlich höher liegt (je nach Anbringung, Windanströmung etc. kann sie zwischen ca. 30 und 60 °C liegen). Aus diesem Grund wurde auch eine weitere Bezugsgröße geschaffen, P_NOCT, die Leistung bei normaler Betriebstemperatur (normal operating cell temperature).

gebräuchliche Abkürzungen für die Bezeichnungen sind

SC: Short Circuit - Kurzschluss
OC: Open Circuit - Leerlauf
MPP: Maximum Power Point - Betriebspunkt maximaler Leistung

Die Kennwerte einer Solarzelle sind

Leerlaufspannung $U_{OC}$
Kurzschlussstrom $I_{SC}$
Spannung im bestmöglichen Betriebspunkt $U_{MPP}$
Strom im bestmöglichen Betriebspunkt $I_{MPP}$
Leistung im bestmöglichen Betriebspunkt $P_{MPP}$
Füllfaktor $FF$
Koeffizient für die Leistungsänderung mit der Zelltemperatur
Zellwirkungsgrad $\eta$

Verschiedene Arten von Solarzellen

Solarzellen kann man nach vielen verschiedenen Kriterien einordnen. Das gängiste Kriterium ist die Materialdicke. Hier wird nach Dickschicht- und Dünnschichtzellen unterschieden. Ein weiteres Kriterium kann das Material sein. Es gibt viele verschiedene Materialien, zum Beispiel CdTe, GaAs, CuInSe und andere, das weltweit am häufigsten zum Einsatz kommende Material ist jedoch Silizium. Silizium kann als Dickschicht- und als Dünnschichtmaterial zur Anwendung kommen. Noch ein weiteres Kriterium kann die Atomstruktur sein, hier wird die kristalline und die amorphe Struktur unterschieden. Amorphe Materialien haben keine einheitliche Gitterstruktur. Um auch hier wieder auf Silizium zurückzukommen: es gibt kristallines Silizium in Dünnschichtanwendungen ebenso wie die gewöhnlichen Dickschichtzellen. Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal können spezielle Fertigungstechniken bei der Prozessierung des Wafers zur Zelle sein, zum Beispiel besondere Oberflächenstrukturierungen oder besondere Anordnungen der Zellenkontaktierung. In der Dünnschichttechnik sind zudem noch verschiedenste Kombinationen von Solarzellen möglich, die sozusagen übereinander gestapelt werden können. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Gesamtanordnung sehr hoch werden.

Eine Einteilung nach Materialien:

Siliziumzellen
- Dickschicht
  - monokristalline Zellen (c-Si)
    hohe Wirkungsgrade (großtechnisch bis zu 20 % Wirkungsgrad erzielbar, gut beherrschte Technik, allerdings erfordert die Herstellung einen sehr hohen Energieeinsatz, der sich deutlich negativ auf die Energierücklaufzeit auswirkt
  - polykristalline Zellen (mc-Si)
    inzwischen sind großtechnisch wohl Wirkungsgrade bis über 16 % möglich, relativ kurze Energierücklaufzeiten, bisher und wohl auch noch einige Zeit die Zelle mit dem günstigsten Preis-Leistungs-Verhältnis
- Dünnschicht
  - amorphes Silizium (a-Si)
  - kristallines Silizium
GaAs-Zellen
hohe Wirkungsgrade, sehr temperaturbeständig, geringerer Leistungsabfall bei Erwärmung als kristalline Siliziumzellen, immer noch sehr teuer in der Herstellung, werden häufig in der Raumfahrt eingesetzt
CdTe
soll großtechnisch sehr günstig herstellbar sein, Wirkungsgrade bisher noch deutlich unter 10 %, Langzeitverhalten noch nicht bekannt,
CIS-, CIGS-Zellen

Hersteller Solarzellen (Auswahl)

ASE GmbH, Alzenau (Bayern)
Astropower (USA)
BP Solar, Hameln (Niedersachsen)
Deutsche Cell GmbH, Freiberg (Sachsen)
ErSol Solar Energy AG, Erfurt (Thüringen)
Microsol Power Pvt. Ltd., Indien
Q-Cells AG, Thalheim (Sachsen-Anhalt)
Shell Deutschland GmbH, Gelsenkirchen (Nordrhein-Westfalen)