Photovoltaik

Einleitung

Die Photovoltaik arbeitet nach dem Photoeffekt, der von Becquerel im Jahre 1839 entdeckt wurde und ist der eleganteste Weg, das große Strahlungsangebot unserer Sonne nutzbar zu machen. Die einfallende Strahlung wird ohne Umwege direkt in elektrische Energie umgewandelt, wobei keine Schadstoffe entstehen und kein Lärm erzeugt wird. Bei der Umwandlung treten auch keine Reibungsverluste auf, da die Solarzelle keine bewegten Teile besitzt.

Erst mit der Entdeckung des p-n-Übergangs um 1949 war es amerikanischen Forschern möglich, mitte der 50iger Jahre die erste Silizium-Solarzelle herzustellen.

Durch sehr intensiv betriebene Forschung auf diesem Gebiet, können unter Laborbedingungen Wirkungsgrade bis zu etwa 30% erreichet werden. Mit der damaligen Technik wurden Wirkungsgrade von etwa 5% möglich. Die heute handelsüblichen Photovoltaik-Module haben Wirkungsgrade von 6 - 18%. Dies ist jedoch von der jeweiligen Ausführungsform der Solarzellen abhängig ( siehe Technik ).

Für die Photovoltaik ist Silizium das wichtigste Element. Auf dem Halbleiter-Markt stehen zwar auch andere Materialien wie Gallium-Arsenid (GaAs), Germanium (Ge), Cadmium-Tellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) zur Verfügung, wobei einige auch bessere Eigenschaften für die Photovoltaik aufweisen, jedoch sind diese Stoffe selten und somit um ein Vielfaches teuerer als das herkömmliche Silizium, welches das zweit-häufigste Element unserer Erde ist.

Top

Technik

Prinzipielle Aufbau einer Silizium-Solarzelle:

metallischer Rückseiten-Kontakt aus Aluminium (- Pol)
mit Bor dotierte p-leitende Siliziumschicht
mit Phosphor dotierte n-leitende Siliziumschicht
Antireflexionsschicht mit schmalen Aluminium-Kontaktleitern auf Vorderseite (+ Pol)

Die verwendeten Halbleiter bilden im Kristallgitter Elektronenpaarbindungen aus um die energetisch günstiger liegenden Elektronenkonfiguration von Edelgasen zu erreichen. Die einstrahlenden Photonen treffen auf die im Kristallgitter befindlichen Elektronenpaare, brechen diese auf und heben Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband. Um diese Paarbindungen aufzubrechen und anzuheben, müssen die Photonen eine Mindestenergie besitzen. Diese wird durch den Abstand zwischen Valenz- und Leitungsband, Energielücke oder "band gap" genannt, beschrieben. Silizium hat einen Wert von 1,107 [eV].

Werden nun Elektronen in der Raumladungszone zwischen der p- und n-leitenden Silizium-Schicht von eintreffenden Photonen ins Leitungsband angehoben, kommt es dort zu einer Ladungstrennung. Die freigewordenen Elektronen drängt es aufgrund der Diffusionsspannung zum Metallkontakt der Vorderseite des Solarmoduls (Minus-Pol), während sich die entstandenen Löcher zur metallisierten Rückseite (Plus-Pol) bewegen. Durch Anschluss eines Verbrauchers wird der Stromkreis mit der Solarzelle als Spannungsquelle geschlossen. Durch Reihenschaltung der Solarmodule können beliebige Betriebsspannungen erreicht werden.

Bauformen

Solarzellen können in 3 verschiedenen Bauformen hergestellt werden.

monokristalline
polykristalline
Dünnschichtzellen

Die Bauformen unterscheiden sich in den Herstellungsverfahren. Die monokristallinen Solarzellen benötigen die meiste Energie. Nach dem üblichen Czochralski-Verfahren werden Einkristalle aus einer hochreinen Silizium-Schmelze gezogen und dann in 0,2-0,5 µm dicke Wafer gesägt. Mit dieser Zellenform lassen sich die bisher höchsten Wirkungsgrade bis zu 30% unter Laborbedingungen erzielen. Dieses Verfahren ist sehr zeit- und energieintensiv.

Polykristalline Solarmodule werden wie folgt hergestellt. Hoch reine Silizium-Schmelze wird bei 1500C in einen Graphit-Tiegel gegossen, dessen Bodenplatte konstant auf 800C gehalten wird. Das Silizium erstarrt und durch das starke Temperaturgefälle bilden sich zentimetergroße aneinander liegende Kristallite, wobei die Korngrenzen eine Hauptrichtung aufweisen.

Durch Abscheidung von amorphem Silizium mittels Glimmentladung von Silan (SiH₄) werden Dünnschichtzellen hergestellt. Die zur Funktion notwendigen Schichten sind rund 1,2 µm dick und können deshalb so dünn gehalten werden, weil das amorphe Silizium einen viel höheren Absorptionskoeffizienten besitzt als kristallines Silizium. Hierbei können Wirkungsgrade von bis zu 15% in der Serienfertigung erreicht werden.

Top

Pro & Kontra

Das solare Zeitalter steht gerade am Anfang seiner Entwicklung und wir sind auf dem richtigen Weg eine saubere und umweltverträgliche Energieversorgung aufzubauen. Die Photovoltaik (PV) hat jedoch einige Probleme, die gelöst werden müssen. Die größte Schwierigkeit besteht darin, dass die derzeit verwendeten Herstellungsverfahren für Solarzellen durch die riesigen Energiemengen, die zur Herstellung benötigt werden, sehr teurer sind. In den ersten Jahren im Betrieb sind PV-Anlagen unwirtschaftlich, weil erst die Herstellungsenergie erwirtschaftet werden muss.

Um das riesige Strahlungsangebot unserer Sonne nutzen zu können müssen riesige Flächen bereitgestellt werden. Dabei ist abzuwägen, ob man wirklich von einem Nachteil sprechen kann. In den dicht bebauten Industrieländern in Mittel- und Südeuropa stehen riesige Dach- und Fassadenflächen für die Verwendung von Solaranlagen bereit und durch das Strahlungsangebot im Mittel ca. 1000 W/m² können die Solarzellen und Kollektoren rentabel arbeiten. In den sonnenreichen Gebieten im Norden Afrikas und auf der arabischen Halbinsel beherrschen Wüsten und Steppen das Landschaftsbild. Diese Flächen sind ungenutzt und es würden in Umwelt und Landschaft nur wenige Spuren hinterlassen werden, wenn man dort Solartechnik zur Energieerzeugung aufbaut.

Top

Zukunft

Die Photovoltaik wird in der zukünftigen Energieversorgung von großer Bedeutung sein. Die Forschungsergebnisse der letzten Jahre haben gezeigt, dass die aus Silizium hergestellten Solarzellen ein großes Potential haben. Die Dicke der Wafer, aus denen die Solarzellen hergestellt werden, wird von den jetzigen 300µm immer weiter abnehmen. Das hat zwei große Vorteile. Es wird weniger Material benötigt, was den Herstellungsprozess weiter verbilligt und die Solarzellen werden ab einer bestimmten Dicke flexibel, was einen sehr vielseitigen Einsatz der Photovoltaik zulässt.

Bei einem Kauf einer Photovoltaik-Anlage machen die Solar-Module den größten Teil am Preis aus. Durch zunehmende Massenfertigung werden in absehbarer Zukunft die Stromgestehungskosten immer weiter sinken, sodass der konventionellen Stromerzeugung eine konkurrenzfähige Alternative gegenübersteht.

Top