Viele Solarzellen werden aus kristallinem Silizium hergestellt. Das chemische Element Silizium kommt in der Natur nach Sauerstoff am zweithäufigsten vor.

Die Siliziumvorkommen machen 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.

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Vom Sand zu Solarzellen

Für die industrielle Verwendung als Halbleiter - wie bei der Chipherstellung oder für Photovoltaik-Anwendungen - muss der Rohstoff Quarzsand von den Verunreinigungen befreit werden und in sogenanntes metallurgisches Silizium mit einer Kristallstruktur umgewandelt werden. Das Solarsilizium für PV-Zellen besitzt sogar einen noch höheren Reinheitsgrad als das Silizium für die Computerchip-Produktion.

Aufbau und Arten von Solarzellen

Eine Solarzelle besteht aus zwei Schichten Silizium. An den Grenzflächen der beiden Schichten bildet sich ein elektrisches Feld. Phyikalische Vorgänge bei Lichteinstrahlung bewirken, dass zwischen Metallkontakten, welche an diese Siliziumschichten angebracht werden, elektrischer Strom fliesst.

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Es gibt unterschiedliche Typen, die sich im Verwendungszweck, der Leistung und Herstellung der Siliziumbeschichtung unterscheiden:

  • Solarzellen aus monokristallinem Silizium
  • Solarzellen aus polykristallines Silizium
  • Dünnschichtzellen

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.

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.

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.

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.solarzelle

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. 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.

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 oder Outdoor-Bekleidung, in deren Fasern amorphe Siliziumzellen eingearbeitet sind oder stromerzeugende Dachbahnen.

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.

Der Photovoltaik-Wirkungsgrad bezeichnet das Verhältnis zwischen elektrischer Leistung und Sonnenlicht

Wirkungsgrad-Rekorde in der Photovoltaik

Viele Hersteller und Institute forschen um die Wirkungsgrade noch zu erhöhen. Und so gibt es immer mal wieder Meldung über gebrochene Solarzellen-Wirkungsgradrekorde. Nach dem derzeitigen Stand wurden folgende Rekorde im Bereich der Photovoltaik gemeldet. 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. 

Haben Sie von neuen Rekorden gehört?
Wir sind dankbar für jeden Hinweis: info[at]solaranlagen-portal.de

 Wirkungsgrad-RekordQuellnachweis
Dickschichtzellen  
monokristallines Silizium20,26%China Sunergy
multikristallines (polykristallin) Silizium18,6%Kyocera
PERC-Solarzelle21,2%ISFH
Dünnschichtzellen  
auf Basis von amorphen Silizium (a-Si)10,0%Masdar PV 
CIS-/CIGS-Solarzellen20,8%ZSW
auf Basis von Cadmiumtellurid (CdTe)20,4%First Solar
HIT-Solarzelle (1 Schicht monokristallines und 2 Schichten amorphes Silizium)25,6%Panasonic
Zinn-Zink-Solarzellen (CZTS)12,6%Solar Frontier
Konzentratorzellen  
CPV mit Mehrfachsolarzellen 44,7%Fraunhofer ISE
Organische Solarzellen  
auf Polyester-Folien gedampft12,0%Heliatek
halbtransparent7,0%Heliatek
Farbstoffsolarzellen  
Festkörper-Farbstoffzellen (DSC)14,1%EPFL

Auf der nächsten Seite erfahren Sie mehr über die technischen Eigenheiten von Solarzellen.

 

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