Solarzelle

Solarzellen sind großflächige Fotodioden, die der Umwandlung von Lichtenergie (in der Regel Sonnenlicht) in elektrische Energie unter Ausnutzung des photoelektrischen Effekts dienen (Photovoltaik).

kleines Solarpanel, Nennspannung 9V: achtzehn Solarzellen sind in Reihe geschaltet

polykristalline Solarzellen

Grundlagen

Sie sind im Prinzip wie Photodioden aufgebaut, werden jedoch im Gegensatz zu diesen nicht in Sperrichtung an einer Hilfsspannung oder im Quasikurzschluss betrieben, sondern erzeugen selbst eine elektrische Spannung (positiver Pol an der Anode/Deckelektrode, negativer Pol an der Kathode/Substrat).

Beim unbeleuchteten und unbelasteten p-n-Übergang diffundieren die negativ geladenen Elektronen und die positiv geladenen Löcher jeweils in die Richtung geringerer Konzentration, so dass ein elektrischer Diffusionsstrom fließt. Der Hauptteil dieser "freien" Ladungsträger stammt hierbei von den Fremdatomen der Dotierung. So lassen die Elektronen die positiv geladenen Atomrümpfe des Donators zurück, die Löcher dementsprechend die negativ geladenen Rümpfe. Das hierbei entstehende elektrische Feld der Atomrümpfe wirkt entgegengesetzt zum Diffusionsstrom der freien Ladungsträger solange bis ein Gleichgewicht entsteht. Wird die Zelle beleuchtet, entstehen aus einem Photon ausreichender Energie jeweils ein Elektron im Leitungsband und ein Loch im Valenzband, also ein "frei bewegliches" zusätzliches Ladungsträgerpaar. Dieses Paar kann ggf. (siehe Raumladungszone) im elektrischen Feld der Atomrümpfe getrennt werden. Hierbei werden bspw. die Elektronen von den positiven Atomrümpfen angezogen, "wandern" also Richtung n-Gebiet, d.h. es entsteht ein Strom - die p- und n-Zone laden sich gegeneinander auf, bis eine neues Gleichgewicht entsteht.
Soweit die Ladungsträger nicht wieder rekombinieren (ihre Energien wieder abgeben), kann dieser nun entstandene Strom (der Photostrom) von einem Verbraucher "abgegriffen werden". Hierzu muss die Spannung zwischen p- und n-Zone unterhalb eines charakteristischen Wertes liegen (bei Si-Solarzellen ca. 0,7V).
Die elektrische Spannung bei maximaler Leistung (Maximum Power Point, Leistungsanpassung) liegt bei den gebräuchlichsten Zellen (kristalline Siliziumzellen) bei etwa 0,5 Volt. Um besser verwendbare Spannungen zu erreichen, werden in einem Solarmodul (auch Photovoltaikmodul) mehrere Solarzellen miteinander verschaltet.

Typen

• Monokristalline Zellen werden aus so genannten Wafern (einkristalline Siliziumscheiben) hergestellt, wie sie auch für die Halbleiterherstellung verwendet werden. Sie sind sehr teuer und finden vor allem in der Raumfahrt (Stromversorgung von Satelliten und Raumfahrzeugen) Verwendung.
  
• Polykristalline Zellen bestehen aus Scheiben, die nicht überall die gleiche Kristallorientierung aufweisen. Sie sind preiswerter und sind in Photovoltaik-Anlagen am meisten verbreitet.
  
• Amorphe Solarzellen bestehen aus einer dünnen, nicht kristallinen (amorphen) Silizium-Schicht auf einem Glassubstrat. Sie werden auch als Dünnschichtzellen bezeichnet. Sie sind sehr preiswert, haben jedoch im Sonnenlicht einen nur geringen Wirkungsgrad, bieten jedoch Vorteile bei wenig Licht.

Herstellung einer Siliziumsolarzelle

Herstellung der Siliziumkristallsäulen

Solarzellen können nach verschiedenen Verfahren hergestellt werden.

Das Grundmaterial Silizium ist das zweithäufigste chemische Element, das in der Erdkruste vorkommt. Es liegt in Form von Silikaten oder als Quarz vor. Aus Quarzsand kann in einem Hochofenprozess Rohsilizium mit Verunreinigungen von circa 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 deutliches Kostenreduktionspotential. 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 (siehe unten) schon beim Herstellen der Blöcke beziehungsweise 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 etwa 50 cm, die Höhe der erstarrten Schmelze etwa 30 cm. Der große Block wird in mehrere Säulen von etwa 30 cm Länge zerteilt; dabei kann mit einer Ausbeute von etwa 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 (etwa 60 bis 70 cm), die Höhe des Blocks beträgt etwa 20 bis 25 cm. Der große Block wird ebenfalls in mehrere Säulen von etwa 20 bis 25 cm Länge zerteilt; die Ausbeute beträgt hier etwa 60 %.

EFG-Verfahren

Bei EFG-Verfahren (Edge-defined Film-fed Growth) lässt man aus Reinstsilizium achteckige Röhren von etwa 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 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. 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. Das hierbei gewonnene Silizium wandelt 16-17% der Sonneneinstrahlung in elektrischen Storm um.

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 Scheiben, die sogenannten Wafer, gesägt. Dabei entsteht aus einem großen Teil des Siliziums (bis zu 50%) Sägestaub, der gereinigt und wieder eingeschmolzen werden kann. Die Dicke der entstehenden Scheiben liegt bei circa 0,25 bis 0,3 mm.

Eine weitere Quelle für Wafer war früher der Ausschuss an Rohlingen für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen der Halbleiterfertigung. Sind die Rohlinge dort zur Weiterverarbeitung nicht geeignet, 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 eisblumenartiges Muster auf der Oberfläche. Zu diesem Zeitpunkt sind Vorder- und Rückseite der Zelle noch nicht festgelegt.

Weiterhin gibt es noch ein Verfahren der US-amerikanischen Firma Evergreen Solar, bei dem die Wafer zwischen zwei Fäden direkt aus der Silizium-Schmelze gezogen werden. Hierbei entsteht weniger Abfall (wie Späne etc., die normalerweise direkt entsorgt werden) als bei den herkömmlichen Verfahren.

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 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 etwa 1 µm tief ist.

Als nächster Schritt werden die Zellen mit einer transparenten Deckelektrode aus SiN_x 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 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 Solarmodulen zusammengestellt.

Andere Solarzellentypen

Dünnschichtzellen

kleine amorphe Si-Dünnschicht- Solarzelle auf Glas, vier Zellen in Reihe

Rückseite (Schichtseite, braun lackiert)

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 (derzeit im November 2005 max. 5%). Noch sind aber die Wirkungsgrade für großtechnische Anwendung niedriger als bei der konventionellen Technik, und die Haltbarkeit der Zellen im Dauereinsatz muss erst noch bewiesen werden. Durch technologische Fortschritte, den geringen Materialeinsatz und das große Feld der möglichen Trägermaterialien hofft man, in Zukunft eine kostengünstige Herstellung zu ermöglichen, 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).

Ein neues, sehr viel versprechendes Verfahren ist CSG "Crystalline Silicon on Glass", es vereint die Vorteile von kristallinem Silizium als Zellenmaterial mit den geringen Kosten der Dünnfilmtechnik. Dabei wird eine weniger als zwei Micrometer dünne Siliziumschicht direkt auf einen Glasträger aufgebracht, die kristalline Struktur wird nach einer Wärmebehandlung erreicht. Die Realisierung der Stromführung erfolgt mittels Laser- und Tintenstrahldrucktechnik. Derzeit (2005) ist in Deutschland eine Fabrikationsanlage im Bau. Die Auslieferung der ersten Module wird für 2006 erwartet. (Quelle: CSG Solar)

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; als Halbleiter kommt Titandioxid zum Einsatz. Als Farbstoffe werden hauptsächlich Komplexe des seltenen Metalls Ruthenium verwendet, zu Demonstrationszwecken können aber selbst organische Farbstoffe, zum Beispiel der Blattfarbstoff Chlorophyll oder Anthocyane (aus Brombeeren) als Lichtakzeptor verwendet. (Diese besitzen aber 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.

Fluoreszenz-Zelle

Hierbei handelt es sich um Solarzellen, die zunächst in einer Platte durch Fluoreszenz Licht geringerer Wellenlänge erzeugen, um dieses an den Plattenkanten zu wandeln.
Eine Beschreibung findet sich beim Thema Solarmodul.

Geschichte

Hauptartikel: Geschichte der Fotovoltaik

Schon 1836 erkannte Alexandre Edmond Becquerel, dass eine Batterie, die von der Sonne beschienen wird, eine größere Leistung hervorbrachte als eine ohne Sonnenbestrahlung. Er nutzte den Potentialunterschied (Säurebad mit belichtetem und unbelichtetem Teil) 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. 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 Photoeffekt. Doch er wusste noch nicht genau, warum dies passiert, und bei welchen Metallen es geschieht. Dennoch erhielt er für seine Entdeckung 1905 den Physiknobelpreis. Den endgültigen Durchbruch schaffte 1905 Albert Einstein, als er mit Hilfe der Quantentheorie die gleichzeitige Existenz des Lichts 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 Energie, die abgegeben wird, von der Intensität des Lichtes unabhängig ist, und nur von der Energie abhängt, die ein auftreffendes Photon abgibt. Diese Energie hängt wiederum nur von der Wellenlänge und der Frequenz des Lichtes ab. Für seine Arbeit zur Photovoltaik erhielt er 1921 den Nobelpreis für Physik.

Die Entdeckung des p-n-Übergangs im Jahre 1949 durch William B. Shockley, 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 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. Die Firma Bell entwickelte so die ersten Solarzellen. Diese hatten allerdings nur einen Wirkungsgrad von 4 bis 6 Prozent. 1958 wurden die Solarzellen auf Satelliten getestet. Die dort erzielten Ergebnisse waren grandios. Es wurden Wirkungsgrade bis 10,5 % berechnet. Diese Ergebnisse waren jedoch nicht auf die Verhältnisse auf der Erdoberfläche übertragbar, da im Weltraum die natürliche Sonnenstrahlung keinen Tag-Nacht-Rhythmen und keiner Absorption durch Wolkendecken und Atmosphäre unterliegt. Seit dieser Zeit versuchen Industrie und Forschung, immer größere Wirkungsgrade zu erreichen. Der theoretische Wirkungsgrad liegt bei 29 % für die Strahlungsverhältnisse in mittleren Breiten. Zu den Wirkungsgraden siehe auch technische Merkmale.

Bis gegen Ende der 1990er Jahre waren Zellen mit etwa 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 etwa 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 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 normierte Bedingungen (STC, Standard Test Conditions) angegeben (Einstrahlungstärke von 1000 W/m² in Modulebene, Temperatur der Solarzelle 25 °C konstant, Strahlungspektrum AM 1,5 global; 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, dass die Sonnenstrahlen hierbei das 1,5-fache der Atmosphärenhöhe durchlaufen, weil sie schräg auftreffen. Dies 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 4 bis AM 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.

Hierbei 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 °C liegen). Eine erhöhte Zellentemperatur bedeutet aber gleichzeitig einen herabgesetzten Wirkungsgrad der Solarzelle. Aus diesem Grund wurde auch eine weitere Bezugsgröße geschaffen, P_NOCT, die Leistung bei normaler Betriebstemperatur (normal operating cell temperature).

Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzelle, beleuchtet und unbeleuchtet

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 $U_{\rm {OC}}$ (auch $V_{\rm {OC}}$)
• Kurzschlussstrom $I_{\rm {SC}}$
• Spannung im bestmöglichen Betriebspunkt $U_{\rm {MPP}}$ (auch $V_{\rm {MPP}}$)
• Strom im Betriebspunkt mit maximaler Leistung $I_{\rm {MPP}}$
• Maximale erzielbare Leistung$P_{\rm {MPP}}$
• Füllfaktor $FF$
• Koeffizient für die Leistungsänderung mit der Zelltemperatur
• Zellwirkungsgrad $\eta$

Solarzellen können also eine Leistung von sehr grob 160 W/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 ungefähr 30 % [1]. Bei Mehrschichtsystemen bzw. Multibandsystemen, die für verschiedene Farben des Sonnenlichts sensibilisiert sind, liegt die theoretische Grenze bei über 50% [2].

Materialsystem	typischer Wirkungsgrad
amorphes Silizium	5-10 %
polykristallines Silizium	10-15 %
monokristallines Silizium	12-15 %
Galliumarsenid (Einschicht)	15-20 %
Galliumarsenid (Mehrschicht)	20-25 %
Galliumindiumnitrid

Wirkungsgrade kommerziell erhältlicher Zellen gehen bis knapp über 20 Prozent (siehe Tabelle). Damit hergestellte Solarmodule erreichen bis etwa 17 Prozent Wirkungsgrad. Der Rekord für im Labor hergestellte 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 Euro pro Zelle bei einer Zellfläche von 21,6 cm².

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% [3] bei einer Betriebszeit von 15 Jahren.

Verschiedene Arten von Solarzellen

Solarzellen kann man nach verschiedenen Kriterien einordnen. Das gängigste Kriterium ist die Materialdicke. Hier wird nach Dickschicht- und Dünnschichtzellen unterschieden. Ein weiteres Kriterium ist das Material: Es werden zum Beispiel CdTe, GaAs oder CuInSe eingesetzt, weltweit am häufigsten jedoch Silizium. Die Kristallstruktur kann kristallin oder amorph sein. Amorphe Materialien haben keine einheitliche Gitterstruktur. Nach der verwendeten Technik bei der Fertigung der Zelle aus dem Wafer unterscheidet man verschiedene Oberflächenstrukturierungen und Anordnungen der Zellenkontaktierung. In der Dünnschichttechnik sind zudem noch verschiedenste Kombinationen von Solarzellen möglich, die gestapelt werden können, wodurch der Wirkungsgrad der Gesamtanordnung erhöht werden kann.

Eine Einteilung nach Materialien

1. Siliziumzellen
   • Dickschicht
     • monokristalline Zellen (c-Si)
       hohe Wirkungsgrade (großtechnisch bis über 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
2. 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
3. CdTe
   soll großtechnisch sehr günstig herstellbar sein, für eine Laborsolarzelle sind schon etwa 16% erreicht worden, Modul-Wirkungsgrade bisher noch deutlich unter 10 %, Langzeitverhalten noch nicht bekannt.
4. CIS-, CIGS-Zellen
   CIS steht für Kupfer-Indium-Diselenid bzw. Kupfer-Indium-Disulfid. Es existiert eine Pilotfertigung zur Fertigung von Kupfer-Indium-Diselenid-Modulen in Marbach am Neckar sowie eine Pilotfertigung von Solarmodulen auf Basis von Kupfer-Indium-Disulfid in Berlin, und es entsteht derzeit eine Pilotfertigung von Solarmodulen aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid in Uppsala/Schweden.
   Diese Hersteller planen ab 2006, Solarmodule in Massenproduktion herzustellen.
5. organische Solarzellen
   Die organische Chemie liefert Werkstoffe, die eine kostengünstige Fertigung von Solarzellen erlauben. Bisheriger Nachteil ist ihr deutlich schlechterer Wirkungsgrad und die recht kurze Lebensdauer der Zellen.
6. Farbstoffzellen
   oder auch Grätzel-Zellen nutzen organische Farbstoffe zur Umwandlung von Licht in elektrische Energie, ein Vorgang, der an die Photosynthese anlehnt.

Energetische Amortisation und Erntefaktoren

Die energetische Amortisation ist der Zeitpunkt, zu dem die Energie die für die Herstellung einer Photovoltaikzelle aufgewand wurde und durch selbige wieder erzeugt wurde. Der Erntefaktor gibt an, wieviel mehr an Energie in der Lebenszeit der Zelle erzeugt wird als für die Herstellung aufgewandt wurde.

Hersteller von Solarzellen (Auswahl)

Deutschland

• ANTEC SOLAR ENERGY AG, Arnstadt (Thüringen)
• Deutsche Cell GmbH (SolarWorld AG-Tochter), Freiberg (Sachsen)
• ErSol Solar Energy AG, Erfurt (Thüringen)
• Q-Cells AG, Thalheim (Sachsen-Anhalt)
• CSG Solar, Thalheim (Sachsen-Anhalt)
• Schott Solar GmbH, Alzenau (Bayern)
• Shell Deutschland GmbH, Gelsenkirchen (Nordrhein-Westfalen)
• SULFURCELL Solartechnik GmbH, Berlin

Ausland

• GE Energy - Solar Power (USA) (früher Astropower)
• Isofoton (Spanien)
• Microsol Power Pvt. Ltd. (Indien)
• Photowatt (Frankreich)
• Solibro AB, Uppsala (Schweden)
• Advent Solar, Albuquerque (USA)
• United Solar Ovonic, Auburn Hills (USA)UNI-SOLAR

Hersteller von Maschinen zur Produktion von Solarzellen (Auswahl)

Deutschland

• Roth&Rau AG - Antireflex Beschichtung

Schweiz

• Unaxis Balzers AG - Dünnschicht Solarzellen

Weblinks

• PV-Uni-Netz.de
• Solarserver.de
• Volker Quaschning (persönliche Homepage)
• Ångström Solar Center (Uppsala) (englische Seite)
• Informationen rund um die Finanzierung von Solaranlagen
• Informationsportal für solares Gestalten und Bauen
• Zur Energierücklaufzeit von Solarzellen