Planen Sie im Jahr 2024 eine Photovoltaikanlage? Hier erfahren Sie alles zur Herstellung, dem Wirkungsgrad und der Nutzung von Solarzellen in Ihrer Photovoltaikanlage, um informierte Entscheidungen treffen zu können!
Viele Solarzellen werden aus kristallinem Silizium hergestellt. Das chemische Element Silizium kommt in der Natur nach Sauerstoff am zweithäufigsten vor.
Genug Silizium für künftige Photovoltaikanlagen ist definitiv vorhanden - die Siliziumvorkommen machen nämlich rund ein Drittel des Gewichts der Erdoberfläche aus! Silizium findet man aber nicht in reiner Form sondern gebunden als Siliziumdioxid (Sand und Quarz) oder als Mineral (Edelsteine wie Amethyst oder Opal) vor.
1. Wie sind Solarzellen aufgebaut?
Für die industrielle Verwendung als Halbleiter - wie bei der Chipherstellung oder für Photovoltaik-Anwendungen - passiert Folgendes:
- Der Rohstoff Quarzsand wird von den Verunreinigungen befreit
- und dann in sogenanntes metallurgisches Silizium mit einer Kristallstruktur umgewandelt
Das Solarsilizium für PV-Zellen besitzt sogar einen noch höheren Reinheitsgrad als das Silizium für die Computerchip-Produktion. Das Prinzip zur Erzeugung von Solarstrom in den Zellen muss man nun eigentlich nicht unbedingt verstehen, um die vielen Vorteile einer Solaranlage zu nutzen. Trotzdem möchten wir hier kurz darauf eingehen, dass auch für den Laien die Physik der Solarzelle relativ gut zu verstehen ist. Natürlich könnten wir Sie jetzt mit einem langen langweiligen Text überfordern ... wir fassen uns aber lieber kurz.
Und das ganz einfach per Video! Der folgende Beitrag von "TheSimplePhysics", eigentlich zur Physik-Nachhilfe gedacht, sollte Erklärung genug bieten. Und dabei noch direkt noch in frischer Aufmachung.
An dieser Stelle "Danke" an die Köpfe hinter dem Video!
Für alle, die doch lieber das geschriebene Wort nutzen möchten - hier noch weitere Stichpunkte zum Thema Solarzellen.
- Eine Solarzelle besteht aus zwei Schichten Silizium.
- An den Grenzflächen der beiden Schichten bildet sich ein elektrisches Feld.
- Physikalische Vorgänge bei Lichteinstrahlung bewirken, dass zwischen Metallkontakten, welche an diese Siliziumschichten angebracht werden, elektrischer Strom fliesst.
Es gibt unterschiedliche Typen, die sich im Verwendungszweck, der Leistung und Herstellung der Siliziumbeschichtung unterscheiden:
- Solarzellen aus monokristallinem Silizium
- Solarzellen aus polykristallines Silizium
- Dünnschichtzellen
- Mehrfachsolarzellen
- Organische Solarzellen
Bei Photovoltaikanlagen werden bisher hauptsächlich kristalline Zellen verwendet, da ihr Wirkungsgrad meist höher ist. Vor allem Dachanlagen werden so gut wie immer mit kristallinen Zellen realisiert.
1.1. Monokristalline Solarzellen
Der Klassiker unter den Solarzellen sind die monokristallinen Zellen, die schon bei den ersten Solarmodulen in der Raumfahrt Verwendung fanden.
- Die monokristallinen Zellen erkennen Sie an der ebenen und glatten Oberfläche.
- Sie sehen dunkel aus: anthrazit, dunkelblau bis schwarz.
- Silizium-Monokristalle oder auch Einkristalle genannt, besitzen eine ebenmäßige Anordnung ihrer Atome über den gesamten Materialblock.
- Sie haben Wirkungsgrad von 14 bis 18 Prozent, der gegenüber den weit verbreiteten multikristallinen Modulen (12 bis 16 Prozent) etwas höher ausfällt.
Das Herstellungsverfahren ist sehr energieaufwendig. Deshalb sind diese Zellen teurer als ihre polykristallinen Schwestern.
1.2. Polykristalline Solarzellen
Über die Hälfte der verbauten Solarmodule sind aus multikristallinen Zellen zusammengesetzt.
- Der Wirkungsgrad ist um 2 Prozent niedriger als bei den monokristallinen Modulen.
- Dafür ist die Herstellung energiesparender und die Module werden dadurch preiswerter angeboten als die monokristallinen Modelle.
- Die multi- bzw. polykristalline Solarzellen erkennen Sie an ihrem charakteristischen, blau glitzernden Aussehen, das Eiskristallen ähnelt. Das kommt daher, weil die Siliziumkristalle in der Zelle verschieden ausgerichtet sind. Dadurch erkennen Sie helle und dunkle Strukturen, je nachdem wie das Licht auf die Zelle trifft.
Anders als bei dem monokristallinen Verfahren wird die Silizium-Schmelze einfach in Blöcke gegossen. Nach dem Aushärten des Blocks wird er zu Wafern zersägt. Ein einfacheres Verfahren, welches die Produktion billiger macht. Jedoch entstehen dadurch relativ große, uneinheitliche Kristalle mit sichtbaren Korngrenzen.
Multikristalline Zellen gibt es auch in unterschiedlichen Farbtönen, zum Beispiel in Grau, Grün oder Gold. Diese „exotischen“ Farben kommen zum Beispiel bei der Gebäudeintegration von Solarfassaden zur Anwendung.
Der Nachteil ist, dass Module mit diesen Solarzellen wegen der helleren Oberflächen eine geringere Energieausbeute besitzen.
1.3. Dünnschichtzellen
Die amorphen Dünnschichtzellen sind – wie der Name sagt – im Gegensatz zu den konventionellen, kristallinen Solarzellen etwa um den Faktor 100 dünner.
Das Halbleitermaterial Silizium oder andere Beschichtungsmaterialien wie Cadmiumtellurid (CDTe) oder Kupferindiumdiselenid (CIS) wird in einer dünnen Schicht auf das Trägermaterial (z. B. Glas) aufgedampft oder aufgesprüht. Die Schichtdicken betragen weniger als 1 µm.Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist etwa 50 bis 100 µm dick.
- Durch den geringen Materialeinsatz ist die Dünnschichtzellen-Produktion um vieles günstiger als die der kristallinen Solarzellen.
- Durch den Einsatz von Dünnschichtsolarzellen wird langfristig eine wesentliche Preissenkung von Photovoltaik-Anlagen erwartet.
- Die Anteile am gesamten Modulmarkt sind in den letzten Jahren überproportional gestiegen.
Dünnschicht-Module sind die Zukunft der PV-Module. Preiswert und flexibel. Wird als Trägermaterial ein Kunststoff genommen, dann lassen sich damit flexible und biegbare Solarmodule herstellen.
Anwendungen heute sind u.a..
- Rucksäcke
- Zelte
- Outdoor-Bekleidung, in deren Fasern amorphe Siliziumzellen eingearbeitet
- stromerzeugende Dachbahnen
1.4. Organische Solarzellen
Eine organische Solarzelle besteht statt aus Silizium aus Werkstoffen der organischen Chemie - also Kohlenwasserstoff-Verbindungen.
Der Wirkungsgrad liegt derzeit noch unter dem von herkömmlichen Zellen - aber aufgrund folgender Möglichkeiten wird dennoch intensiv zu organischen Solarzellen geforscht:
- Günstige Herstellungskosten - die Produktion ist einfacher als bei Siliziumzellen
- Hohe Stromausbeuten - könnte auf Kunststoffe aufgetragen bzw. verbunden werden
- Hohe Flexibilität
- mögliche Transparenz
- hohe Umweltverträglichkeit
- „bunte“ Solarzellen sind möglich
- theoretisch kann ein größerer Teil des Sonnenspektrum genutzt werden
2. Wie hoch ist der Wirkungsgrad von Solarzellen
Die Effizienz oder der Wirkungsgrad von Solarzellen ist ein sehr wichtiges Kriterium von Solarzellen. Einfach ausgedrückt bezeichnet der Wirkungsgrad wie viel Prozent der auftreffenden Sonnenenergie eine Solarzelle in elektrischen Strom umwandeln kann.
Viele Hersteller und Institute forschen um die Wirkungsgrade noch zu erhöhen. Und so gibt es immer mal wieder Meldung über gebrochene Solarzellen-Wirkungsgradrekorde.
Es sei angemerkt, dass diese Rekorde unter Testbedinungen im Labor erzielt wurden und teilweise nicht in Serie gehen oder nur von der Raumfahrt verwendet werden.
2.1. Die Zukunft: Mehrfach-Solarzellen
Bei konventionellen Solarzellen geht auf der Rückseite der Zelle ein Großteil des Lichts für die Stromgewinnung verloren. Übereinander gestapelte Zellen können das verhindern - oder eine Zwischenschicht auf der Rückseite.
Auf der Rückseite kann z.B. eine hochreflektierende Schicht - also eigentlich ein ein Spiegel - aufgetragen werden. Diese schickt Photonen zurück, die vorher noch keinen Strom in der Halbleiterschicht produziert hatten - und gibt ihnen sozusagen eine zweite Chance.
Die Mehrfachsolarzelle kann dann aber ganz normal in Photovoltaik-Module integriert werden. Das theoretisch berechnete Limit von 29,4 Prozent bei reinen Siliziumsolarzelle kann mit dieser Technik also weiter gesteigert werden!
Hier der Artikel des Fraunhofer ISE zur Mehrfachsolarzelle
Das Video erklärt die Mehrfach-Solarzelle genauer:
Haben Sie von neuen Rekorden gehört?
Wir sind dankbar für jeden Hinweis: info[at]solaranlagen-portal.de
Nach dem derzeitigen Stand wurden folgende Rekorde im Bereich der Photovoltaik gemeldet.
| Wirkungsgrad-Rekord | Quellnachweis | |
|---|---|---|
| Dickschichtzellen | ||
| monokristallines Silizium | 20,26% | China Sunergy |
| multikristallines (polykristallin) Silizium | 21,9% | Fraunhofer ISE |
| PERC-Solarzelle | 21,2% | ISFH |
| Dünnschichtzellen | ||
| auf Basis von amorphen Silizium (a-Si) | 10,0% | Masdar PV |
| CIS-/CIGS-Solarzellen | 22,6% | ZSW |
| auf Basis von Cadmiumtellurid (CdTe) | 20,4% | First Solar |
| HIT-Solarzelle (1 Schicht monokristallines und 2 Schichten amorphes Silizium) | 23,8% | Panasonic |
| Zinn-Zink-Solarzellen (CZTS) | 22,9% | Solar Frontier |
| Konzentratorzellen | ||
| CPV mit Mehrfachsolarzellen | 44,7% | Fraunhofer ISE |
| Organische Solarzellen | ||
| auf Polyester-Folien gedampft | 12,0% | Heliatek |
| halbtransparent | 7,0% | Heliatek |
| Solar-Faser / Textil-Solarzellen | 3,3% | Angewandte Chemie |
| Farbstoffsolarzellen | ||
| Festkörper-Farbstoffzellen (DSC) | 14,1% | EPFL |
Hier erfahren Sie nun noch einiges an Hintergrundwissen zur Technik von Solarzellen: Berechnung der Leistung einer Solarzelle, der "kWp-Wert", die verschiedenen Möglichkeiten der Verschaltung von Solarmodulen sowie Verschattung.
3. Wie beeinflusst Strahlung & Temperatur die Solarzellen?
Ganz allgemein gilt natürlich: Der erzeugte Strom von Solarzellen ist umso größer, je mehr Sonne auf die Zelle einstrahlt.
Der Strom nimmt proportional zur Strahlungsstärke zu (die Spannung nimmt auch etwas zu).
Mathematisch sieht das ganze so aus:
Spannung (Volt) x Stromstärke (Ampere) = Watt (Leistung der Zelle)
Problem ist jedoch, dass mit zunehmender Temperatur der Solarzellen der Wirkungsgrad wieder verringert wird.
Wird die Zelle beziehungsweise das Solarmodul durch Wind und dementsprechend eine gute Belüftung (auch von der Montageart abhängig) gekühlt, kann man diese Verluste verringern.
Ohne Lüftung sind die Verluste ca. 5% höher als mit einer Belüftung. Bei hohen Tempraturen kann man ca. 0,5% Leistungsminderung pro Grad Celsius angeben. Erhöht sich die Temperatur eines Solarmoduls von den (laut Testbedingungen) vorgesehenen 25°C zum Beispiel auf 55°C, sinkt die Modulleistung um ca. 15%.
Wen die Technik nicht sonderlich interessiert, der darf hier getrost abschalten und schon zur nächsten Seite gehen. Für alle anderen:
3.1. Wie wird die Leistung einer Solarzelle angegeben?
Die Leistung eines Solarmodules wird in Watt peak (Abkürzung: Wp) oder Kilowatt peak (Abkürzung: kWp) angegeben.
Bei bewölktem Himmel oder Erwärmung der Solarzellen ist die Leistung des Solargenerators geringer. In unseren Breitengraden können mit einer 1 kWp-Photovoltaik-Anlage (entspricht 7-8 m² Modulfläche) etwa 800 bis 1000 kWh Strom pro Jahr erzeugt werden (die höheren Werte werden in Süddeutschland bei optimaler Ausrichtung erreicht).
Der durchschnittliche jährliche Stromverbrauch eines Vier-Personen-Haushalts in Deutschland liegt bei etwa 4.000 kWh.
4. Reihen- und Parallelschaltung von Solarzellen
Die Parallelschaltung wird nur kurz erwähnt, aber eigentlich nicht verwendet. Bei der Parallelschaltung von Solarzellen ist die Spannung (Volt) an allen Zellen gleich aber die Ströme (Ampere) addieren sich zu einem Gesamtstrom.
Bei der Reihenschaltung ist dem entgegen der Strom an allen Solarzellen gleich, aber die Spannung der einzelnen Solarzellen addiert sich zu einer Gesamtspannung.
Das Thema kommt zwar auch in unserem Bereich zur Planung von Photovoltaikanlagen vor, gehört aber auch bereits hierher. Wenn Teile der Solarzelle im Schatten liegen, kann der Ertrag des ganzen Modules sinken, weil sich dieser Teil in diesem Moment als Widerstand im Stromkreis verhält.
Lösung sind hier sogenannte Bypass-Dioden. Die Bypass-Diode leitet den Strom an dem abgeschatteten Modul vorbei. Bei älteren Solarzellen kann durch längere Verschattung ein sogenannter Heißer Fleck oder Hot Spot auftreten, welcher die Zelle zerstört.