Photovoltaik: Solarenergie und Solarzellen in Theorie und Praxis
Aug 28, 2015

Das Wort   Photovoltaik   Ist eine Kombination aus dem griechischen Wort für Licht und dem Namen des Physikers Allesandro Volta. Es identifiziert die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Energie mittels Solarzellen. Der Umwandlungsprozess basiert auf dem photoelektrischen Effekt, der von Alexander Bequerel im Jahre 1839 entdeckt wurde. Der photoelektrische Effekt beschreibt die Freisetzung von positiven und negativen Ladungsträgern in einem festen Zustand, wenn Licht auf seine Oberfläche trifft.

Wie funktioniert eine solarzelle?

Solarzellen bestehen aus verschiedenen halbleitenden Materialien. Halbleiter sind Materialien, die bei leichter oder hitzeem Licht elektrisch leitfähig werden, aber bei niedrigen Temperaturen als Isolatoren arbeiten.

Über 95% aller weltweit produzierten Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium (Si). Als zweitwichtigste Element in der Erdkruste hat Silizium den Vorteil, dass es in ausreichender Menge zur Verfügung steht und zusätzlich die Verarbeitung des Materials die Umwelt nicht belastet. Zur Herstellung einer Solarzelle ist der Halbleiter verunreinigt oder "dotiert". "Dotierung" ist die absichtliche Einführung von chemischen Elementen, mit denen man einen Überschuss von entweder positiven Ladungsträgern (p-leitende Halbleiterschicht) oder negativen Ladungsträgern (n-leitende Halbleiterschicht) aus dem Halbleitermaterial erhalten kann. Werden zwei unterschiedlich kontaminierte Halbleiterschichten kombiniert, so ergibt sich auf der Grenze der Schichten ein sogenannter pn-Übergang.

  • Modell einer kristallinen Solarzelle

An dieser Kreuzung wird ein inneres elektrisches Feld aufgebaut, das zur Trennung der Ladungsträger führt, die durch Licht freigesetzt werden. Durch Metallkontakte kann eine elektrische Ladung abgegriffen werden. Wenn der äußere Kreislauf geschlossen ist, dh ein Verbraucher angeschlossen ist, fließt dann Gleichstrom.

Siliziumzellen sind etwa 10 cm x 10 cm groß (kürzlich auch 15 cm x 15 cm). Ein transparenter Antireflexionsfilm schützt die Zelle und verringert den Reflexionsverlust auf der Zelloberfläche.

Eigenschaften einer Solarzelle

  • Strom-Spannungs-Leitung einer Si-Solarzelle

Die nutzbare Spannung von Solarzellen hängt vom Halbleitermaterial ab. In Silizium beträgt es etwa 0,5 V. Die Klemmenspannung ist nur schwach abhängig von Lichtstrahlung, während die Stromstärke mit höherer Leuchtkraft ansteigt. Eine 100 cm² Siliziumzelle erreicht beispielsweise eine maximale Stromstärke von etwa 2 A bei Abbringung um 1000 W / m².

Der Ausgang (Produkt aus Strom und Spannung) einer Solarzelle ist temperaturabhängig. Höhere Zellentemperaturen führen zu einer geringeren Leistung und damit zu einem niedrigeren Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel der abgestrahlten Lichtmenge in nutzbare elektrische Energie umgewandelt wird.

Verschiedene Zelltypen

Man kann drei Zelltypen nach der Art des Kristalls unterscheiden: monokristalline, polykristalline und amorphe. Zur Herstellung einer monokristallinen Siliziumzelle ist absolut reines halbleitendes Material notwendig. Monokristalline Stäbchen werden aus geschmolzenem Silizium extrahiert und dann in dünne Platten gesägt. Dieser Herstellungsprozess garantiert einen relativ hohen Wirkungsgrad.  
Die Herstellung von polykristallinen Zellen ist kostengünstiger. Bei diesem Verfahren wird flüssiges Silizium in Blöcke gegossen, die anschließend in Platten gesägt werden. Bei der Erstarrung des Materials entstehen Kristallstrukturen unterschiedlicher Größe, an deren Ränder Defekte entstehen. Als Ergebnis dieses Kristalldefekts ist die Solarzelle weniger effizient.  
Wenn ein Siliziumfilm auf Glas oder einem anderen Substratmaterial abgeschieden wird, handelt es sich um eine sogenannte amorphe oder dünne Schichtzelle. Die Schichtdicke beträgt weniger als 1μm (Dicke eines menschlichen Haares: 50-100 μm), so dass die Herstellungskosten aufgrund der geringen Materialkosten niedriger sind. Allerdings ist die Effizienz der amorphen Zellen viel niedriger als die der beiden anderen Zelltypen. Aus diesem Grund werden sie vor allem in Niedrigenergiegeräten (Uhren, Taschenrechnern) oder als Fassadenelemente eingesetzt.

Material

Wirkungsgrad in% Lab

Wirkungsgrad in% Produktion

Monokristallines Silizium

Ca. 24

14 bis 17

Polykristallines Silizium

Ca. 18

13 bis 15

Amorphes Silizium

Ca. 13

5 bis 7

Von der Zelle zum Modul

Um die entsprechenden Spannungen und Ausgänge für verschiedene Anwendungen zur Verfügung zu stellen, werden einzelne Solarzellen zu größeren Einheiten zusammengefasst. In Reihe geschaltete Zellen haben eine höhere Spannung, während die parallel geschalteten elektrischen Strom erzeugen. Die miteinander verbundenen Solarzellen sind in der Regel in transparentem Ethyl-Vinyl-Acetat eingebettet, ausgestattet mit einem Aluminium- oder Edelstahlrahmen und mit transparentem Glas auf der Vorderseite bedeckt.

Die typischen Leistungswerte solcher Solarmodule liegen zwischen 10 Wpeak und 100 Wpeak. Die Kenndaten beziehen sich auf die Standardtestbedingungen von 1000 W / m² Sonneneinstrahlung bei einer Zellentemperatur von 25 ° Celsius. Die Standardgarantie des Herstellers von zehn oder mehr Jahren ist ziemlich lang und zeigt die hohen Qualitätsstandards und die Lebenserwartung der heutigen Produkte.

Natürliche Grenzen der Effizienz

  • Theoretische maximale Wirkungsgrad der verschiedenen Solarzellen bei Standardbedingungen

Neben der Optimierung der Produktionsprozesse wird auch die Effizienz gesteigert, um die Kosten für Solarzellen zu senken. Allerdings setzen unterschiedliche Verlustmechanismen diese Pläne ein. Grundsätzlich eignen sich die verschiedenen Halbleitermaterialien oder Kombinationen nur für spezifische Spektralbereiche. Daher kann ein bestimmter Teil der Strahlungsenergie nicht verwendet werden, da die Lichtquanten (Photonen) nicht genügend Energie haben, um die Ladungsträger zu "aktivieren". Auf der anderen Seite wird eine gewisse Menge an überschüssiger Photonenenergie in Wärme umgewandelt und nicht in elektrische Energie umgewandelt. Darüber hinaus gibt es optische Verluste, wie die Beschattung der Zelloberfläche durch Kontakt mit der Glasoberfläche oder Reflexion von einströmenden Strahlen auf der Zelloberfläche. Andere Verlustmechanismen sind elektrische Widerstandsverluste im Halbleiter und im Anschlusskabel. Der störende Einfluss von Materialverunreinigungen, Oberflächeneffekte und Kristalldefekte sind jedoch auch signifikant.  
Einzelne Verlustmechanismen (Photonen mit zu wenig Energie werden nicht absorbiert, überschüssige Photonenenergie wird in Wärme umgewandelt) kann aufgrund der inhärenten physikalischen Grenzen, die durch die Materialien selbst auferlegt werden, nicht weiter verbessert werden. Dies führt zu einem theoretischen maximalen Wirkungsgrad, dh etwa 28% für Kristall-Silizium.

Neue Richtungen

Oberflächenstrukturierung zur Reduzierung des Reflexionsverlusts : zB Aufbau der Zelloberfläche in einer Pyramidenstruktur, so dass das eingehende Licht mehrmals auf die Oberfläche trifft. Neues Material: zB Galliumarsenid (GaAs), Cadmiumtellurid (CdTe) oder Kupferindiumselenid (CuInSe²).

Tandem- oder Stapelzellen: Um ein breites Spektrum an Strahlung nutzen zu können, werden unterschiedliche Halbleitermaterialien, die für verschiedene Spektralbereiche geeignet sind, übereinander angeordnet.

Konzentratorzellen:   Eine höhere Lichtintensität wird durch die Verwendung von Spiegel- und Linsensystemen auf die Solarzellen fokussiert. Dieses System verfolgt die Sonne, immer mit direkter Strahlung.

MIS Inversion Layer Zellen:   Das innere elektrische Feld wird nicht durch einen pn-Übergang erzeugt, sondern durch den Übergang einer dünnen Oxidschicht zu einem Halbleiter.

Grätzelzellen:   Elektrochemische Flüssigzellen mit Titandioxid als Elektrolyte und Farbstoff zur Verbesserung der Lichtabsorption.

Text und Illustrationen mit der Erlaubnis der Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie eV

In unserem Solar-Lexikon finden sich prägnante und verständliche Erläuterungen zu den Grundkonzepten Solarheizung und Photovoltaik.

Berichte über Technologie, Wirtschaft und Politik sowie Präsentationen zu innovativen Systemen und Produkten finden Sie im Solar Magazin

Verwandte Branchenkenntnisse