Eine Photovoltaikanlage erzeugt elektrischen Strom aus Sonnenenergie. Herz der Photovoltaikanlage-Anlage sind Solarmodule, in denen Solarzellen zusammengeschaltet sind. Diese Zellen wandeln die Sonneneinstrahlung in Gleichstrom. Ein Wechselrichter wandelt den Gleich- in Wechselstrom um, um Haushaltsgeräte anteilig zu versorgen. Durch die Installation eines Stromspeichers wird, bei Bedarf, die Eigenstromnutzung deutlich effizienter.

Photovoltaik – so funktioniert die Solarzelle

Eine Solarzelle (fachsprachlich auch photovoltaische Zelle genannt) wird aus verschiedenen Halbleitermaterialien gefertigt. Es handelt sich dabei um Stoffe, welche unter der Zufuhr von Wärme oder Licht elektrisch leitfähig werden. Bei tieferen Temperaturen wirken Halbleitermaterialien isolierend. Insbesondere Silizium (Chem. Kürzel Si) zeichnet sich als Halbleitermaterial aus, denn Silizium besitzt den Vorteil in ausreichenden Mengen vorhanden zu sein. Als zweithäufigstes Element der Erdrinde zeichnet sich Silizium aus.

Eine sehr genaue Beschreibung der Beschaffenheit und Funktion von Solarzellen finden Sie bei Wikipedia (Link zum Artikel).

Faktenwissen

Insgesamt 95% aller auf der Welt produzierten Zellen für die Solarstromgewinnung werden aus Silizium gefertigt. Die Verarbeitung von Silizium lässt sich im Gegensatz zu anderen Halbleitermaterialien umweltverträglich gestalten.

Herstellung der Solarzellen

Während der Herstellung wird das Halbleitermaterial zunächst „dotiert“. Dotieren ist dabei als solches zu verstehen, dass die chemischen Elemente des Siliziums definiert eingebracht werden. Mit ihnen kann wahlweise ein positiver Ladungsträgerüberschuss (p-leitende Halbleiterschicht) oder ein negativer Ladungsträgerüberschuss (n-leitende Halbleiterschicht) erzielt werden. Bildet man zwei unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten, entsteht an der Grenze oberen Schicht der p-n-Übergang.

Genau an dieser oberen Grenzschicht baut sich im Inneren ein elektrisches Feld auf. Dieses elektrische Feld führt dazu, dass es zu einer Ladungstrennung bei direktem Lichteinfall führt. Die elektrische Spannung wird mittels Metallkontakten abgegriffen. Wird dieser äußere Kreis geschlossen, beispielsweise durch einen elektrischen Verbraucher, fließt Gleichstrom.

Die Zellen einer Solarzelle, welche aus Silizium gefertigt wurde, sind etwa 10 Zentimeter x 10 Zentimeter groß, bisweilen können es auch 15 Zentimeter x 15 Zentimeter sein. Die aufgebrachte, durchsichtige Antireflexschicht dient in erster Linie zum Schutz der Zelle. Allerdings bringt die Antireflexschicht auch weitere Vorteile mit sich. Der Reflexionsverlust an der Oberfläche der Zelle wird beispielsweise vermindert.

Herstellung einer Silizium-Solarzelle - UNI Konstanz -

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Photovoltaik – Eigenschaften der Solarzelle

Die abgreifbare Spannung an einer Solarzelle ist in erster Linie abhängig vom Material des verbauten Halbleiters. 0,5 Volt beträgt sie beispielsweise bei Verwendung des Halbleitermaterials von Silizium. Nur schwach abhängig von der Lichteinstrahlung ist die Klemmspannung. Bei einer höheren Beleuchtungsstärke hingegen steigt die Stromstärke an. Einen Wert von schätzungsweise 2 Ampere erreicht eine 100 cm² große Siliziumzelle bei einer maximalen Stromstärke von einer Bestrahlung mit 1000 Watt pro Quadratmeter.

Die jeweilige Leistung einer Solarzelle hingegen ist abhängig von der Temperatur. Während höhere Temperaturen der Zelle zu einem niedrigerem Leistungsspektrum und einem damit verbunden schlechteren Wirkungsgrad führen, sorgen tiefere Temperaturen der Zelle zu einem höheren Leistungsspektrum und einem damit verbundenem guten Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad gibt jeweils an, wie viel der eingestrahlten Lichtmenge in nutzbare Energie umgewandelt werden kann.

Unterschiedlichen Zelltypen von Photovoltaik

Um der Frage auf den Grund zu gehen, welche Zelltypen es gibt muss man zunächst wissen, dass man die Zelltypen generell in monokristallin, polykristallin und amorph unterscheidet.

Hochreines Halbleitermaterial wird zur Herstellung von monokristallinen Siliziumzellen benötigt. Dazu werden aus der Siliziumschmelze einkristalline Stäbe gezogen. Diese werden im Anschluss in hauchdünne Scheiben gesägt. Diese Art der Herstellung garantiert einen relativ hohen Wirkungsgrad der einzelnen Zelle.

Kostensparender hingegen ist die Herstellung von polykristallinen Zellen. Das flüssige Silizium wird dazu in Blöcke gegossen. Diese werden im Anschluss in Scheiben gesägt. Während des Erstarrungsvorgangs des Materials bilden sich unterschiedlich große Strukturen der Kristalle aus. An den Grenzen dieser Kristallstrukturen können Defekte auftreten. Zur Folge haben diese Defekte einen geringeren Wirkungsgrad der Solarzelle.

Sofern die Siliziumschicht auf Glas oder anderen substrathaltigen Materialien abgeschieden wird, spricht man von einer Dünnschichtzelle oder amorphen Zelle. Die Dicke der Schicht beträgt dabei weniger als 1 µm. Man kann sich ausrechnen, dass die Produktionskosten in diesem Bereich allein wegen der besonders niedrigen Materialkosten noch niedriger sind, als die Kosten der Herstellung polykristalliner Zellen. Der Wirkungsgrad amorpher Zellen liegt dementsprechend noch weiter unter denen der polykristallinen oder monokristallinen Zellen. Verwendung finden amorphe Zellen insbesondere im Kleinleistungsbereich. Dazu zählen beispielsweise Elemente der Fassade, Uhren sowie Taschenrechner.

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