Solarzelle

Eine Solarzelle wandelt Licht in elektrische Energie und erzeugt immer Gleichspannung bzw. Gleichstrom. Sie arbeitet nach dem Photoeffekt, der auf der sich bildenden Raumladungszone ( RLZ) zwischen einem positiv und negativ dotierten Halbleiter basiert.

Der Photoeffekt als Prinzip der Solarzelle

Solarzellen arbeiten nach dem Photoeffekt. Sie absorbieren Photonen, was dazu führt, dass Ladungsträger aus dem Leitungsband herausgerissen werden und die Energielücke zwischen diesem und dem Valenzband überspringen und das Leitungsband anregen.

Aufbau einer Solarzelle

Aufbau einer Solarzelle

Die Ladungsträger aus dem Valenzband, das sind die Löcher, und aus dem Leitungsband, die Elektronen, können durch die Raumladungszone getrennt werden. Der Elektronenabfluss erfolgt über eine Elektrode an dem positiv dotierten Halbleiter, der Lichteinfall über eine lichtdurchlässige Elektrode an dem negativ dotierten Halbleiter.

Solarzellen sind quadratisch und haben eine Kantenlänge von 10 cm, 12,5 cm oder 15 cm. Sie sind mit einer Antireflexionsschicht ( ARC) überzogen. Diese reduziert die Reflexion des Sonnenlichts und verbessert dadurch die Absorption und damit den Wirkungsgrad der Solarzelle, der als Power Conversion Efficiency ( PCE) angegeben wird. Die Solarzellen selbst werden aus monokristallinem, polykristallinem und amorphem Silizium hergestellt. Wobei der Wirkungsgrad von monokristallinem Silizium mit 20 % bis 22 % am höchsten ist. Der theoretisch erreichbare Wirkungsgrad liegt bei monokristallinem Silizium bei knapp unter 30 %. Polykristallines Silizium erreicht Wirkungsgrade von 15 % bis 20 % und amorphes Silizium einen Wirkungsgrad von etwa 8 %.

Solarzelle mit Kontaktfingern und Sammelschiene

Solarzelle mit Kontaktfingern und Sammelschiene

Der in Solarzellen generierte Gleichstrom wird über Vorder- oder Rückseitenkontakte abgeführt. Diese Kontakte werden als Kontaktfinger bezeichnet und sind in der Regel in Form eines Gitters angebracht. Über sie wird der Strom zur Sammelschiene weitergeleitet. Die Kontaktfinger haben eine Breite zwischen 50 µm und 100 µm. Mehrere Solarzellen werden zu einem größeren Solarmodul zusammengefügt.

Das Silizium der Solarzellen

Silizium-Solarzellen: monokristallin, schwarz (links) und blau (Mitte), und polykristallin, blau, Foto: solarnova.de

Silizium-Solarzellen: monokristallin, schwarz (links) und blau (Mitte), und polykristallin, blau, Foto: solarnova.de

Monokristallines Silizium besteht aus einem Kristall dessen Atome regelmäßig angeordnet sind. Bei der Fertigung der Solarzelle werden die Atome des geschmolzenen Siliziums in eine Richtung ausgerichtet. Daher ist die Herstellung sehr aufwendig und teuer, allerdings hat monokristallines Silizium mit 14 % bis 18 % auch den höchsten Wirkungsgrad, dessen Oberfläche eben und graphitfarben ist.

Polykristallines Silizium besteht aus mehreren Kristallen, die jedes für sich eine regelmäßige atomare Struktur aufweisen. Polykristalline Solarzellen sind etwa 200 µm bis 300 µm dünn. Sie können preiswerter hergestellt werden als monokristalline Solarzellen, haben allerdings einen geringfügig geringeren Wirkungsgrad. Dieser liegt zwischen 10 % und 15 %. Die Oberfläche von polykristallinem Silizium ist blau.

Amorphes Silizium hat keine geordneten atomaren Strukturen, diese sind unregelmäßig. Es kann relativ preiswert hergestellt werden, der Wirkungsgrad liegt lediglich bei 6 % bis 10 %. Dafür hat amorphes Silizium ein hohes Absorptionsvermögen.

Kennwerte von Solarzellen

Wirkungsgrad von Silizium-Solarzellen

Wirkungsgrad von Silizium-Solarzellen

Die Leerlaufspannung (Vco) der Solarzellen ist abhängig vom Halbleitermaterial. Bei Silizium beträgt die Quellenspannung etwa 0,5 V und ist unabhängig von der Sonneneinstrahlung. Die Stromstärke steigt hingegen mit höherer Beleuchtungsstärke an und kann bei einer Sonneneinstrahlung von 1.000 W/m2 einen Strom von bis zu 2 A generieren. Der Zusammenhang zwischen dem Strom und der Spannung entspricht dem charakteristischen Verhalten der Solarzelle und wird in der I-U-Kennlinie dargestellt. Aus dieser Kennlinie können der Kurzschlussstrom (Isc), die Leerlaufspannung, der Füllfaktor, der Maximum Power Point ( MPP) und der Wirkungsgrad entnommen werden.

I-U-Kennlinie einer Solarzelle

I-U-Kennlinie einer Solarzelle

Neben den Silizuim-basierten Basismaterialien gibt es bereits Solarzellen aus anderen Halbleiterverbindungen wie Cadmiumtellurid ( CdTe), Kupfer- Indium-Selenid ( CIS) und Galliumarsenid ( GaAs), aber auch solche, die auf der organischen Photovoltaik ( OPV) oder auf Farbstoffzellen basieren. Die genannten Materialien werden in Dünnschichtsolarzellen eingesetzt, deren Wirkungsgrad ist allerdings wesentlich geringer als der von Silizium-Solarzellen und liegt bei ca. 6 % bis 10 %.

Die Entwicklung von Solarzellen zielt auf die Verbesserung des Wirkungsgrads. Entsprechende Konstrukte arbeiten mit Antireflexionsschichten, Oberflächenstrukturierungen mit aufgerauhter Oberfläche, mit einem Rückseitenfeld wie bei der PERC-Solarzelle sowie die CPV-Solarzelle bei der das Licht über Linsen gebündelt wird.

Solarzellen-Varianten und ihre Wirkungsgrade

Solarzellen-Varianten und ihre Wirkungsgrade

Daneben gibt es einen entscheidenden Faktor mit dem sich der Wirkungsgrad von Solarzellen verbessern lässt. Das ist die Abhängigkeit des Halbleitermaterials bei der Lichtausbeute von der Wellenlänge. Bei kristallinem Silizium liegen die Wellenlängen mit der höchsten Lichtausbeute zwischen 600 nm und 900 nm. Also von rotem Licht bis hin in den Infrarot-Bereich. Das bedeutet, dass kurzwelliges Licht und UV-Licht nicht zur Lichtausbeute von Silizium und damit zur Stromerzeugung beitragen. Dieser Nachteil kann durch Solarzellen aus zwei oder mehreren verschiedenen Halbleitermaterialien behoben werden. Dazu gehören Heterojunction-Solarzellen, Tandem-Solarzellen und Perowskit-Solarzellen. Letztgenannte bieten eine kubische Kristallstruktur und produktionstechnische Vorteile. Perowskit ist ein in der Natur vorkommendes Mineral aus Calcium-Titan-Oxid. Mit Perowskit-Solarzellen werden im Labor Wirkungsgrade von über 25 % erreicht.

Informationen zum Artikel
Deutsch: Solarzelle
Englisch: solar cell
Veröffentlicht: 26.11.2021
Wörter: 753
Tags: Solartechnik
Links: Licht, Gleichstrom, Photoeffekt, Raumladungszone (Diode) (RLZ), Halbleiter
Übersetzung: EN
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