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Solartechnik

 

 

Inhalt

1 Einführung

2 Physikalische Grundlagen

2.1 Allgemeines

2.2 Bändertheorie der Festkörper

2.3 Dotierung

3 Physikalische Vorgänge in der Solarzelle

3.1 Absorption von Photonen (Optische Absorption)

3.2 Rekombination von Ladungsträgern

3.3 Solarzelle unter Bestrahlung

4 Arten von Solarzellen und deren Einsatzmöglichkeiten

4.1 Monokristalline Si-Solarzellen

4.2 Polykristalline Si-Solarzellen

4.3 Amorphe Si-Solarzellen

4.4 Cadmiumsulfid-Kupferoxydulsulfid-Solarzellen

4.5 Galliumarsenid-Solarzellen

4.6 Konzentrierte Solarzellen

4.7 Die neue Farbstoff-Solarzelle

4.8 Sonstige Solarzellen

4.9 Solarmodule und Solargeneratoren

5 Literaturverzeichnis

 

  2. Einführung

    3.  

    In photovoltaischen Zellen (Solarzellen) wird solare Strahlungsenergie direkt in Elektrizität umgewandelt. Dies ist besonders umweltfreundlich und ohne großen Wartungsaufwand möglich. Das Anwendungsspektrum der Photovoltaik reicht von kleinen Leistungen bei der Konsumelektronik bis zu großen Photovoltaikkraftwerken. Mit dieser Technologie kann ein Beitrag zur Schonung der fossilen Energievorräte sowie zum Abbau von Risiken in der Energieversorgung geleistet werden.

     

    Meistens bestehen Solarzellen heute aus sehr dünnen Siliziummaterial, das durch Hinzufügen von Dotierungen (Verunreinigungen) Halbleitereigenschaften bekommt. Die Grundlagen für Solarzellen wurden schon 1839 geschaffen, als Becquerel den photovoltaischen Effekt entdeckte. Die erste Silizium-Solarzelle wurde dann 1954 durch Chapin, Fuller und Pearson in den Bell Laboratories entwickelt. Bald darauf wurde 1958 der erste Satellit mit einer Zelle von weniger als ein Watt Leistung in das Weltall geschickt. Breites Interesse an terrestrischen Anwendungen entstand während der Ölversorgungskrisen der 70er Jahre. Die bisherigen Erfahrungen haben gezeigt, daß Photovoltaik wegen der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten und des beträchtlichen technologischen Entwicklungspotentials zu den wichtigsten Möglichkeiten der Nutzung regenerativer Energiequellen zu zählen ist.

     

    Schwerpunkte von Forschung und Entwicklung sind Wirkungsgraderhöhung, zuverlässige Systemkomponenten und Kostenreduktion. Dabei arbeitet man an Lösungen, die eine Reduktion des Flächenbedarfs von Solarsystemen, den Ausgleich des unregelmäßigen Solarenergieangebotes und kostengünstige Fertigung erlauben. Wirtschaftlichkeit der Stromerzeugung ist dabei nur eines von mehreren Kriterien. Die Vorzüge der Photovoltaik, wie Geräusch- und Emissionsfreiheit, Zuverlässigkeit, Wartungsarmut und modulare Aufbaumöglichkeiten können in vielen Fällen von größerer Bedeutung sein als rein betriebswirtschaftliche Überlegungen.

  4. Physikalische Grundlagen

    5.  

    1. Allgemeines

 

Durch den photovoltaische Effekt wird solare Strahlungsenergie direkt in elektrische Energie umgewandelt. Dieser Effekt tritt in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörper auf. In bestimmten Festkörpern, den Halbleitern, ist dieser Effekt zur Stromerzeugung nutzbar. Die Strahlungsenergie wird direkt auf die Elektronen im Festkörper übertragen. Als Folge der Absorption der ionisierenden Strahlung entsteht eine elektrische Spannung. Dieser Effekt tritt nur dann auf, wenn eine (Ladungs-) Potentialbarriere im unbelichteten Festkörper besteht, an der die durch den inneren Photoeffekt erzeugten positiven und negativen Ladungsträger getrennt und auf verschiedene Seiten der Potentialbarriere gebracht werden. Hierbei entsteht eine elektrische Leistung.

 

Elemente, die den photovoltaischen Effekt ausnützen, um bei Einstrahlung von Sonnenlicht eine Spannung zu erzeugen, heißen Solarzellen. Die Entdeckung des photovoltaischen Effekts geschah 1839 durch Becquerel. Die erste Silizium-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von ca. 6 % wurde 1954 durch Chapin, Fuller und Pearson in den Bell Laboratories entwickelt. Solarzellen erwiesen sich besonders geeignet zur Energieerzeugung von Satelliten im Weltraum und stellen heute noch die aus-schließliche Energiequelle aller Weltraumsonden dar. Seit der Ölkrise 1973 nahm das Interesse für terrestrische Anwendungen zu. Hauptziel von Forschung und Entwicklung ist dabei eine drastische Senkung der Herstellungskosten, und in letzter Zeit auch eine wesentliche Erhöhung des Wirkungsgrades.

 

Das Grundmaterial fast aller Solarzellen ist das Silizium. Der gebräuchlichste Aufbau ist schematisch in Abbildung 1 dargestellt.

 

Um im Festkörper eine elektrische Spannung entstehen zu lassen sind folgende Bedingungen erforderlich:

 

 

Eine der Grundvoraussetzungen ist das Vorhandensein eines inneren elektrischen Feldes. Die Entstehung dieses inneren Feldes läßt sich mit der Bändertheorie der Festkörper verständlich machen.

 

    1. Bändertheorie der Festkörper

      2.  

      In den Halbleiter beträgt der elektrische Widerstand zwischen 10-3 und 10+3 W cm. Werden den Halbleitern jedoch gewisse Unreinheiten hinzugefügt, können sie elektrisch leitend werden. In einem einzelnen Atom können die Elektronen nur auf bestimmten diskreten Energieniveaus existieren. Aufgrund des Pauli-Prinzips ist die Zahl der Elektronen, die auf einem bestimmten Energieniveau existieren können, zahlenmäßig beschränkt. Werden nun Atome, wie im Kristallgitter, eng anein-andergerückt, so treten sie miteinander in Wechselwirkung: die Energieniveaus werden aufgespalten und bilden Bandbreiten erlaubter Energiezustände. Diese Bänder bestehen aus einer großen Zahl dicht beieinander liegender Energieniveaus (Abbildung 2). Da ihre Zahl außerordentlich hoch ist (etwa 1022 wie die Zahl von Atomen in einem Kristall), können die Energieniveaus innerhalb eines Bands als kontinuierlich angenommen werden. Es gibt also erlaubte Energiebänder, in denen Elektronen existieren können, und zwischen diesen verbotene Zonen. Die elektrischen Eigenschaften des Materials werden durch die Elektronen-verteilung in den Bändern bestimmt. Die Folgerung, daß der stabilste Kristall ein solcher mit allen Elektronen auf niedrigsten Energieniveau ist, trifft jedoch nicht zu, das Pauli-Prinzips hat auch im Atomverband Gültigkeit und verbietet, daß sich mehr als zwei Elektronen auf demselben Energie-niveau befinden. Deshalb existieren immer auch einige Elektronen auf höher gelegenen Energieniveau.

       

      Im Vergleich zur Zahl der erlaubten Energiebänder ist die Zahl der Elektronen immer klein. Die Besetzungswahrscheinlichkeit für ein erlaubtes Energieniveau ergibt sich in der Regel aus der Fermi-Dirac-Funktion (® Physikliteratur). Definitionsgemäß ist die Fermi-Energie oder das Fermi-Niveau derjenige Energiezustand, für den die Wahrscheinlichkeit, daß ein Elektron sich in ihm befindet, gleich 0,5 ist. Sie ist auch damit definiert, daß sie den höchsten Energiezustand beschreibt, den ein Elektron bei 0 Kelvin einnehmen kann.

       

      Im thermodynamischen Gleichgewicht ist die Fermi-Energie über die Kontaktfläche zweier Materialien immer konstant. In den höchsten vollständig besetzten Energiebändern (Valenzbändern) befinden sich die Valenzelektronen eines Atoms. Die Verteilung der Elektronen in den darüberliegenden, unvollständigen besetzten Bändern bestimmt die elektrischen und thermischen Eigenschaften des Materials. Sie werden daher auch als Leitungsbänder bezeichnet, die hier befindlichen Elektronen als Leitungselektronen.

       

      In den Halbleitern ist der Abstand vom Valenzband zum Leitungsband (band gap) geringer als bei Nichtleitern. Deswegen können im Halbleiter bei Anliegen einer elektrischen Feldspannung immer einige Elektronen die Bandlücke überspringen und an der Ladungsträgerbewegung im Leitungsband teilnehmen. Die Lücke, die ein solches Elektron im Valenzband hinterläßt, wird Loch oder Elektronenloch genannt. Auch diese positiven Ladungsträger tragen zur Leitfähigkeit des Materials bei.

       

    2. Dotierung

 

Ein Halbleiter, der keinerlei Unreinheiten aufweist, wird intrinsischer Halbleiter genannt. Bei ihm beruht der Stromtransport allein auf Elektron im Valenzband und den von ihnen zurückgelassen Löchern. Durch Hinzufügen von geringen Verunreinigungen kann man die Art der Leitfähigkeit bestimmen. Dieses Hinzufügen von Verunreinigungsatomen, die innerhalb und zwischen den erlaubten Energiebändern zusätzliche Energieniveaus schaffen, nennt man Dotierung. Die entstehenden Halbleiter heißen extrinsiche Halbleiter. Stellen Elektronen bei der Dotierung die Mehrheit der Ladungsträger dar (Majoritätsträger), so spricht man von n-Leitern, n-Bereich oder n-dotierten extrinsischen Halbleitern. Im Falle einer Leitung über Löcher, also effektiv positive Träger dagegen von p-Leitern, p-Bereich oder p-Dotierung.

 

Abbildung 3 zeigt die Dotierung eines zweidimensionalen Siliziumkristallgitters. Jedes Siliziumatom besitzt vier Valenzelektronen und bindet dadurch unter Ausbildung von vier Elektronenpaaren jeweils vier Atome an sich. Eine n-Dotierung wird erreicht, indem beispielsweise ein Phosphoratom in das Siliziumgitter eingebracht wird. Das Phosphoratom verfügt über fünf Valenzelektronen, bei der Bindung bleibt also ein Elektron frei. Diese freie, nur noch durch Coulomb-Anziehung locker gebundene Elektron kann durch das Kristallgitter wandern, so daß der Kristall elektrisch leitend wird. Ein solches, ein Elektron abgebendes Atom wird auch als Donatoratom bezeichnet. Ein p-Gebiet wird dagegen dadurch erzeugt, daß ein sogenanntes Akzeptoratom ins Gitter eingebracht wird. In Abbildung 3 handelt es sich um ein Boratom mit nur drei Valenzelektronen.

 

Zur Bildung der Bindung werden jedoch vier Elektronen benötigt, so daß im Kristall ein Ladungsdefekt entsteht. Dieser Defekt kann als positive Ladung durch den Kristall wandern.

 

Bei der Dotierung ergibt sich eine Verschiebung des Fermi-Niveaus. Durch die freien Elektronen bei der n-Dotierung wird das Fermi-Niveau von der ursprünglichen Mitte des verbotenen Bands nach oben in Richtung Leitungsband gerückt. Bei der p-Dotierung dagegen führen die Löcher im Valenzband zu einer Verschiebung in Richtung Valenzband.

 

Neben der Dotierung wird die genaue Lage des Fermi-Bands bei den extrinsischen Halbleitern noch durch die Absoluttemperatur bestimmt. Jede Verunreinigungsstelle gibt Platz für ein Elektron oder ein Loch. Sind diese Plätze vollständig besetzt, so verhält sich das Material wie ein intrinsischer Halbleiter. Mit zunehmender Temperatur steigt die Zahl der thermisch angeregten Elektronen, die die verbotene Bandlücke überspringen und die Zahl der besetzten Plätze nimmt zu, bis schließlich das Fermi-Niveau mit dem intrinsischen Energiezustand des halben Bandabstands zusammenfällt. Bei einer bestrahlten p-n-Solarzelle führt eine Temperaturerhöhung also zu einem Zusammenrücken der Fermi-Niveaus und damit zu einer geringeren Zellspannung und zu einem niedrigeren Wirkungsgrad.

  2. Physikalische Vorgänge in der Solarzelle

    3.  

    1. Absorption von Photonen (Optische Absorption)

      2.  

      Die einfallende Strahlung kann reflektiert, absorbiert oder durchgelassen werden. Silizium ist metallisch-blank und besitzt einen hohen Reflexionskoeffizienten auf (r  »  30 %). Zellen aus diesem Material werden daher immer mit Antireflexschichten versehen (z. B. Titandioxid, TiO2). Die optimale Dicke einer solchen Schicht liegt bei einem Viertel der Wellenlänge des auffallenden Photons. Bei senkrechter Bestrahlung wird der gesamtreflektierte Anteil minimal bei einer Wellenlänge von l  = 0,7 µm. Der Reflexionsverlust für den Spektralbereich von 0,3 bis 1,1 µm, in dem die Zelle üblicherweise arbeitet, beläuft sich dann auf 10 %. Eine weitere Reduktion ist z. B. durch mehrere Antireflexschichten möglich, die übereinander angeordnet werden. Ein 2-Schicht-System aus Magnesiumfluorid und Titanoxid beispielsweise reduziert die Reflexionsverluste auf 3 %.

       

      Hat das Photon die Antireflexbeschichtung der Zelle durchdrungen, so kann es im Halbleiter absorbiert werden, wenn seine Energie größer als diejenige der verbotenen Bandlücke ist. Ein Photon mit geringerer Energie kann einem Elektron im Valenzband nicht genügend Energie übertragen, um in das Leitungsband zu springen. Für ein solches Photon ist der Halbleiter also transparent, es kann zum Strom-erzeugungsprozeß der Zelle nicht beitragen. Ein Photon mit einer Energie so groß wie der Bandabstand dagegen kann vollständig von einem Elektron absorbiert werden, das dann die Bandlücke überspringt und das nächsthöhere Energieniveau im Leitungsträger besetzt. Alle Photonenenergie, die jedoch die Bandlücke übersteigt ist für den elektrischen Konversionsprozeß verloren: das Elektron springt zunächst auf höher energetische Niveaus, gibt aber beim Herabfallen auf den unteren Rand des Leitungsbandes dann die Überschußenergie in Form von Wärme an das Kristallgitter ab.

       

      Je nach Bandstruktur kann ein Photon vom Halbleiter direkt oder indirekt absorbiert werden. Von direkter Absorption spricht man, wenn die Oberkante des Valenzbandes und die Unterkante des Leitungsbands den gleichen Impuls aufweisen. Aufgrund der Photonenenergie wird das Elektron dann direkt vom Valenzband ins Leitungsband gehoben: Energie und Impuls bleiben erhalten. Diese Art Elektronenübergang ist sehr wahrscheinlich: der Absorptionskoeffizient ist groß.

       

      Falls die Oberkante des Valenz- und die Unterkante des Leitungsbands nicht den gleichen Impuls aufweisen, findet eine indirekte Absorption statt. Der Transfer eines Elektrons vom Valenz- in das Leitungsband erfolgt dann mit einer Emission oder Absorption von Phononen (Gitterschwingungen), die die Impulsdifferenz übernehmen.

      Da die indirekte Absorption den zusätzlichen Schritt der Phononenemission oder -absorption verlangt, ist ihre Eintrittswahrscheinlichkeit geringer als diejenige der Direktabsorption. D. h. der Absorptionskoeffizient für den indirekten Absorber ist viel kleiner als für den direkten. Die üblichen Dicken indirekter Halbleiter für eine 90%ige Absorption liegen daher bei 70 bis 100 µm. Im Gegensatz dazu erfordern direkte Halbleiter für die gleiche Absorption nur 1 bis 3 µm Dicke. Typisches Beispiel für einen direkten Halbleiter ist Galliumarsenid (GaAs), für den indirekten Silizium (Si).

    2. Rekombination von Ladungsträgern

      3.  

      Die Lichtabsorption erzeugt im Halbleiter Elektronen-Loch-Paare. Die Ladungsträgerkonzentration ist daher unter Bestrahlung höher als im Dunkeln. Endet die Bestrahlung, so geht die Ladungsträgerkonzentration auf ihren Gleich-gewichtszustand zurück. Dieses Rückkehrprozeß nennt man Rekombination: Elektronen fallen vom Leitungs- ins Valenzband zurück in die Löcher, beide stehen für die Leitfähigkeit nicht mehr zur Verfügung.

       

      Der Prozeß der Rekombination in indirekten Halbleitern läuft viel langsamer ab als in direkten: bei den indirekten ist zusätzlich das Auftreten von Phononen (Gitterschwingungen) erforderlich. So liegt beispielsweise die Trägerlebensdauer bei Silizium in der Größenordnung zwischen 10 und 100 µs, beim direkten Halbleiter GaAs beträgt sie dagegen nur wenige Nanosekunden. Während ihrer Lebensdauer können sich die Ladungsträger im Halbleiter frei bewegen, bevor sie rekombinieren. Die durchschnittliche Weglänge, die sie dabei zurücklegen, heißt Diffusionslänge. Sie ist ein wichtiger Parameter von Solarzellen.

       

      Verunreinigungsatome im Kristallgitter führen zu erlaubten Energiezuständen auch in den verbotenen Zonen. Derartige Defektstellen führen zu einem sehr effektiven zweistufigen Rekombinationsprozeß, bei dem die Elektronen von Leitungsband zuerst zu diesem Zwischenniveau fallen, von wo sie dann ins Valenzband gelangen. Metallische Verunreinigungen führen zu derartigen Rekombinationszentren in der Bandmitte. Schon bei ganz geringen Konzentrationen (0,01 ppma) sinkt der Wirkungsgrad der Zelle drastisch ab. Auch die Zellenoberfläche stellt eine Rekombinationszone der Ladungsträger dar, da hier die Kristallstruktur verformt ist.

       

    3. Solarzelle unter Bestrahlung

     

    Abbildung 4 zeigt die drei Hauptgebiete einer Solarzelle: den höher n-dotierten Emitter, die elektrische Feldzone (Raumladungszone) und die p-dotierte Basis. Bei genügend hoher Photonenenergie durchquert ein Lichtquant die Oberfläche der Zelle, den transparenten Emitter, das elektrische Feld und wird in der p-Region absorbiert. Dabei entsteht ein Elektronen-Loch-Paar: das Elektron springt ins Leitungsband, das Loch verbleibt im Valenzband. In dem p-Gebiet sind die freien Elektronen also in einer Minderheit: sie sind hier die Minoritätsträger. Diese Minoritätsträger diffundieren im p-Gebiet, bis sie ins Grenzgebiet der Feldzone gelangen, wo sie durch die Feldkräfte beschleunigt werden, so daß sie auf die Emitterseite der Zelle gelangen können. Dieses Phänomen führt zur Ladungsträgertrennung. Vorbedingung ist, daß die Diffusionslänge der Elektronen ausreicht, um die Grenze der Feldzone zu erreichen. Kürzere Diffusionslängen führen zur Rekombination: die Photonenenergie ist für die Stromversorgung verloren.

     

    Auch im n-Gebiet kann durch Photonenabsorption ein Ladungsträgerpaar entstehen. Hier sind die Löcher in der Minorität. Reicht ihre Diffusionslänge aus, die Grenze der Feldzone zu erreichen, werden sie beschleunigt und gelangen so in das p-Gebiet. Erst durch das Vorhandensein des inneren elektrischen Felds bei einer p-n-Verbindung können die Ladungsträger bei Lichteinfall sofort getrennt werden.

     

    Als Ergebnis des Elektronenflusses zur n-Region und der Wanderung der Löcher zur p-Region kommt es zu einem Elektronenüberschuß in der n- und einem Elektronenmangel in der p-Region. Verbindet man diese beiden Regionen galvanisch über einen Lastwiderstand, so fließen die Elektronen aus dem n-Gebiet zur p-Basis und rekombinieren dort mit den Löchern (Abbildung 5).

     

    Auf ihrem Diffusionsweg zur Raumladungszone im p-Gebiet können die Elektronen leicht mit der großen Zahl der dort vorhandenen Löcher rekombinieren. Als Folge dieser Rekombination geben die Elektronen ihre Überschußenergie, die sie bei der Absorption des Photons gewonnen haben, als Wärme an das Gitter ab (Diffusionsverluste). Außer durch den beschriebenen Dotierungsvorgang kann ein inneres elektrisches Feld in einem Halbleiter auch durch den Kontakt des Halbleiters mit einer Metallschicht (Metall-Halbleiterkontakt, Schottky-Diode) oder aber durch einen Übergang zwischen zwei verschiedenen Halbleitern entgegengesetzter Dotierung (Hetero-Diode) erzeugt werden. Die Schottky- sowie die Hetero-Zellen weisen gegenüber normalen p-n-Zellen eine breitere spektrale Empfindlichkeit auf.

     

     

     

  3. Arten von Solarzellen und deren Einsatzmöglichkeiten

 

Es gibt drei Arten von Si-Solarzellen:

 

 

    1. Monokristalline Si-Solarzellen

      2.  

      Monokristalline Solarzellen werden aus monokristallinen Silizium, d. h. hochreinem Silizium hergestellt, das vorwiegend für die Herstellung von Halbleiterbauelementen verwendet wird. Derartiges Silizium wird aus SiO2 gewonnen, das sowohl in Form von Quarzsand als auch in Form von natürlichen Quarzkristallen vorkommt. Durch Reduktion mit Kohle wird bei hohen Temperaturen zunächst sogenanntes metallurgisches Silizium bzw. Rohsilizium (MG-Si: metallurgic grade) gewonnen, das etwa 98 % reines Stickstoff und 2 % Fremdsubstanzen enthält. Dieser Rohstoff wird auch in der Metallindustrie in großen Mengen verwendet. Durch Reduktion mit Salzsäure wird aus Rohsilizium Trichlorsilan (SiHCl3) hergestellt, eine Flüssigkeit, die bei 31,8 °C siedet. Durch Destillation gewinnt man daraus reines Silizium, allerdings in Gestalt eines Polykristallins, d. h. einer Siliziumsubstanz, die aus vielen kleinen, ungeordnet nebeneinanderliegenden Kristallen besteht. Erst aus dieser Substanz wird durch Schmelzen in einem Tiegel monokristallines Silizium gewonnen. Aus diese Weise entstehen Kristallstäbe von bis zu 2 m Länge und 20 cm Dicke. Durch dosierte Verunreinigung erhält man anschließend p- bzw. n-dotiertes monokristallines Silizium (EG-Si: electronic grade), das als Ausgangsmaterial sowohl für die Herstellung von Halbleiterbauelementen als auch für die Herstellung von monokristallinen Si-Solarzellen dient.

       

      Eine monokristallinen Si-Solarzelle besitzt einen Wirkungsgrad von etwa 14 bis 17 % ist aber vergleichsweise teuer zu den anderen Arten von Si-Solarzellen.

       

    2. Polykristalline Si-Solarzellen

      3.  

      Polykristalline Si-Solarzellen werden aus polykristallinem Silizium hergestellt, das preiswerter als monokristallines Silizium ist. Dieser Vorteil muß jedoch mit dem Nachteil eines geringeren Wirkungsgrades von etwa 10 bis 13 % bezahlt werden.

       

    3. Amorphe Si-Solarzellen

 

Die amorphen Si-Solarzellen bieten gegenüber den zuvor genannten Solarzellen eine Reihe von Vorteilen. Die wichtigsten sind:

 

 

Diesen Vorteilen stehen jedoch zwei gravierende Nachteile gegenüber:

 

  1. Amorphe Solarzellen besitzen einen Wirkungsgrad von nur 5 bis 8 %,
  2. Degradation, d. h. der Wirkungsgrad nimmt mit der Zeit ab (Abbildung 6).

Amorphe Si-Solarzellen bestehen aus amorphen Silizium (a-Si), dessen einzelne Atome willkürlich angeordnet sind. Um Silizium dieser Struktur zu gewinnen, zersetzt man eine gasförmige Siliziumverbindung, z. B. SiHCl3 unter der Einwirkung eines hochfrequenten elektrischen Feldes bei niedrigem Druck. Das auf diese Weise freiwerdende Silizium schlägt sich zusammen mit dem gleichzeitig freiwerdenden Wasserstoff auf einem angebotenen Gegenstand nieder, wobei der Wasserstoff die freien Valenze des Siliziums sättigt und dadurch eine Stabilisierung des Materials herbeiführt. Durch gezielte Verunreinigung erhält man anschließend p- bzw. n-dotiertes amorphes Silizium, das für die Herstellung der p- bzw. n-Schichten der Solarzellen benötigt wird.

 

 

Amorphes Silizium ist also kein hochgereinigtes Silizium, wie es in Halbleiterbauelementen verwendet wird, sondern eine verhältnismäßig "verschmutzte" Substanz, die entsprechend preiswert ist. Solarzellen dieser Art können aus sehr dünnen Halbleiterschichten hergestellt werden (Dünnschicht-Technologie), wodurch eine erhebliche Materialeinsparung ermöglicht wird.

 

Der Wirkungsgrad der Zellen konnte im Labor bereits auf ca. 10 % gesteigert werden, so daß die Hoffnung besteht, auch diesen Nachteil künftig zu beseitigen. Amorphe Si-Solarzellen finden bereits heute breite Verwendung in solargetriebenen Uhren, Taschenrechnern, Spielzeugen usw. Als wichtigstes Herstellerland gilt Japan, obgleich seit 1985 auch die amerikanische Elektronikindustrie zu den Großanbietern gehört.

 

    1. Cadmiumsulfid-Kupferoxydulsulfid-Solarzellen

      2.  

      Zu den Dünnschicht-Solarzellen zählen auch die sogenannten Cadmiumsulfid-Kupferoxydulsulfid-Solarzellen (CdS-CO2S-Zellen), die eine über dreißig Jahre währende Forschungsgeschichte aufweisen. Der Wirkungsgrad einer solchen Zelle liegt bei etwa 7 %, die Leerlaufspannung bei 535 mV und die Arbeitsspannung bei nur 350 mV. Nachteilig ist außerdem, daß bei der Herstellung dieser Solarzellen das giftige Metall Cadmium freigesetzt wird.

       

    2. Galliumarsenid-Solarzellen

      3.  

      Auch Galliumarsenid (GaAs) wird für die Herstellung von Dünnschicht-Solarzellen verwendet. Dabei entstehen einkristalline Solarzellen mit verhältnismäßig guten Eigenschaften, z. B. kleiner Leistungsabnahme bei steigenden Temperaturen, guter Betriebsfähigkeit bei hohen Temperaturen und einem gutem Wirkungsgrad von bis zu 45 %, wenngleich in der Praxis bislang allein Werte bis zu 19 % erzielt wurden. Solarzellen dieser Art sind vor allem für Anwendungen in der Raumfahrttechnik geeignet. Ihr Nachteil liegt lediglich darin, daß die Ausgangsmaterialien Gallium und Arsenid selten und teuer sind.

       

    3. Konzentrierte Solarzellen

      4.  

      Wegen der hohen Produktionskosten von Solarzellen wurde bereits frühzeitig versucht, Zellen mit höherer Lichtintensität zu betreiben. Dabei werden wie bei den Kollektoren Spiegel- oder Linsensystemen verwendet. Konzentratorzellen müssen zur höheren Effizienz der Sonne nachgeführt werden. Da die Verlustleistung quadratisch mit dem Strom ansteigt (bei 100-facher Konzentration tritt ein Verlust von 90% der Leistung auf, bei einer typischen Si-Solarzelle vergleichsweise wenige 4 %), müssen Konzentratorzellen besonders hoch dotiert werden und mit besonders verlustarmen Kontakten zur Verminderung des Oberflächenwiderstands versehen werden.

       

      Probleme bringt bei der Konzentration insbesondere der starke Wirkungsgradabfall der meisten Halbleitermaterialien mit der Temperatur. Neben dem Einsatz von Halbleitermaterialien, deren Wirkungsgradabfall erst weit oberhalb 100 °C beginnt (z. B. Galliumarsenid), gibt es sogenannte Hybridzellen. Hierbei wird die Solarzelle mit Hilfe einer Flüssigkeit ähnlich wie ein Kollektor gekühlt. Das Kühlmedium kann zur Warmwasserbereitung oder zu anderen Niedertemperaturenzwecken genutzt werden.

       

      Eine weitere Möglichkeit zur Konzentration stellen die sogenannten Fluoreszenzkollektoren dar. Die solare Strahlung wird in mit geeigneten Farbstoffen versetzten Kunststoffplatten absorbiert und in langwelligere Strahlung transformiert. Die Fluoreszenzstrahlung tritt dann im wesentlichen nur an den Plattenkanten aus. Verschiedene Solarzellenmaterialien sind für jeweils ganz bestimmte Spektralgebiete besonders geeignet. Durch entsprechende Auswahl der Farbstoffe können also unterschiedliche Spektralbereiche ausgewählt werden. Damit wird ein praktisch vollständiges Erfassen des gesamten Solarspektrums gewährleistet. Schwierigkeiten treten bei der Auswahl der Farbstoffe sowie der Einbettmaterialien hinsichtlich möglichst hoher Lebensdauer auf. Der Fluoreszenzkollektor stellt eine Sonderform der sogenannten Mehrfach-Solarzellensysteme dar: er teilt das Solarspektrum mit Hilfe von optischen Elementen auf und führt die Strahlung räumlich getrennten, dem Spektralbereich optimal angepaßten Solarzellen zu.

       

      Seit 8 Jahren werden außerdem Tandem- oder Stapelzellen, bei denen mehrere transparente Zellen in einer Schichtfolge übereinander angeordnet werden, getestet. an. Mit Hilfe solcher Systeme ist ein deutlich höherer Wirkungsgrad als mit den konventionellen Einfachsystemen erreichbar.

       

    4. Die neue Farbstoff-Solarzelle

      5.  

      Die Solarzelle von morgen soll fünfmal billiger sein als die Lichtkollektoren von heute. Sie ist soll umweltfreundlicher und - wenn alles gutgeht -, in einigen Jahren in jeder Fensterfabrik herzustellen sein. Die neuste Entwicklung aus dem Labor besteht aus einfachsten Materialien: zwei Thermopanescheiben, dazwischen eine Schicht weiße Wandfarbe mit rotem Spezialklebstoff darauf und etwas Jodlösung. Das Bauprinzip der sogenannten Farbstoffzelle wurde an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne entwickelt. Professor Michael Grätzel nahm sich dabei "die Photosynthese als Vorbild": Der grüne Blattfarbstoff wandelt Sonnenlicht in chemische Energie um, die Pflanzen nutzen können. Grätzel fand einen Farbstoff, mit dem man Strom erzeugen kann. Er basiert auf Ruthenium, einem Platinmetall, das auch für Knochenimplantate verwendet werden.

       

      Die neuen Zellen haben zwar bislang nur einen Wirkungsgrad von ca. 10 % und leiden noch an "Kinderkrankheiten", doch die Industrie hat die Chancen der neuen Technik schon erkannt: Die Fensterfirma Flachglas AG und das Chemieunternehmen Th. Goldschmidt AG gründeten zusammen mit den rheinisch-westfälischen und hamburgischen Stromkonzernen RWE und HEW das "Institut für Angewandte Photovoltaik" in Gelsenkirchen. Dort arbeitet seit einem halben Jahr Dr. Iver Lauermann an der Serienreife der Farbstoffzelle.

      Die Versuchszellen des Instituts werden noch in Handarbeit gebaut: Auf eine Glasscheibe mit elektrisch leitender Beschichtung kommt eine Schicht Titandioxid. Die Substanz ist blütenweiß, billig und ungiftig; sie findet sich in weißem Papier, weißer Wandfarbe und Zahnpasta. Im Ofen wird das Titandioxid auf der Glasscheibe festgebacken und in die rote Ruthenium-Farblösung getaucht. Die Farblösung wird später das Licht einfangen und Elektronen in das Titandioxid abgeben. Obendrauf kommt eine zweite leitend beschichtete Glasplatte, in den Zwischenraum wird Jodlösung gespritzt. Das Jod gibt dem Farbstoff die Elektronen zurück und holt sich Ersatz von der Glasplatte ® der Stromkreis ist geschlossen (siehe Abbildung 7).

       

      Der Vorteil der neuen Farbstoffzelle ist ihr einfacher Aufbau. Während Sonnenkollektoren bisher vorwiegend aus teuren Silizium-Halbleiterchips bestehen, funktioniert die Farbstoffzelle mit billigen Grundstoffen: Die beschichteten Glasscheiben sind Massenware, ein Kilo Titandioxid kostet im Großhandel knapp 2,- DM, auch die Jodlösung ist nicht teuer. Der Farbstoff schlägt pro Quadratmeter noch mit 80,- DM zu Buche - aber dieser Preis könnte durch Großproduktion deutlich sinken. Die Farbstoffzelle , so schätzen die Entwickler, wird fünfmal billiger sein als bisherige Solarzellen.

       

      Bis zur Serienreife gibt es aber noch einiges zu tun. Zwar übersteht der rote Farbstoff bereits langanhaltende Sonneneinstrahlung, doch der Teufel steckt in den kleinen Details: So löst die Jodlösung die Kleber und Dichtungen auf, die die Glasscheibe zusammenhalten. Die älteste im Dauertest funktionierende Zelle stammt vom vergangenen Dezember - eine Lebensdauer von 30 Jahren liegt noch in weiter Ferne. Auch der Farbstoff macht Probleme: Das Produkt der einen Firma funktioniert, das der anderen nicht; die Ursache ist noch rätselhaft.

       

      Als nächsten Schritt planen die Entwickler nun erst mal einen Umzug. Im neuen Labor im "Wissenschaftspark Gelsenkirchen" wollen sie dann Zellen von einem Quadratmeter Größe bauen. Wenn alles gutgeht, steht Ende des Jahres die erste Pilotanlage. Vor der Jahrtausendwende wird die Farbstoffzelle wohl noch nicht zu kaufen sein. Dann aber soll es sie auch mit anderen Farbstoffen geben.

       

    5. Sonstige Solarzellen

      6.  

      Neben den genannten Materialien werden eine große Zahl weiterer Halbleiter bezüglich ihrer Eignung zum Aufbau von Solarzellen untersucht. Es sind u. a.: Indiumphosphat (InP), Cadmiumtellurit (CdTe), Cadmiumselenit (CdSe), Trizinkdiphosphit (Zn3P3), Kupferoxidul (Cu2O), Kupferindiumselenit (CuInSe2), etc. Versuche mit diesen Materialien sind jedoch bislang nicht nennenswert über den Labormaßstab hinausgekommen.

       

    6. Solarmodule und Solargeneratoren

 

Da einzelne Solarzellen nur kleine Spannungen und kleine Leistungen liefern, sind sie nicht geeignet, größere Verbraucher zu versorgen. Schon ein kleiner Taschenrechner benötigt eine Betriebsspannung von einigen Volt. Die gelieferte Leistung kann durch die Vergrößerung der Fläche der Solarzelle vermehrt werden. Allerdings sind auch dieser Vermehrung Grenzen gesetzt, so daß größere Spannungen und größere Leistungen nur dadurch erzielt werden können, daß mehrere Solarzellen sowohl parallel als auch in Serie geschaltet werden. Auf diese Weise entstehen sogenannte Solarmodule.

 

Dabei ist zwischen zwei Kategorien von Solarmodulen zu unterscheiden. Die eine umfaßt preiswerte Konstruktionen für den alltäglichen Betrieb, die andere aufwendigere Konzeption für professionelle Anwendungen. Entsprechend ver-schieden sind die Lebensdauer und der Preis der Module. Je nach dem vorgesehenen Einsatzort spielen schließlich die mechanische Festigkeit und andere umweltbezogene Parameter eine Rolle. Die einzelnen Solarzellen eines Moduls müssen einerseits mechanisch geschützt, andererseits der Sonneneinstrahlung voll ausgesetzt sein. Das wird erreicht, indem die Vorderseite des Moduls durch ein geeignetes Glas abgedeckt wird. Der Rahmen besteht in der Regel aus Aluminium, das der Konstruktion die nötige Festigkeit gibt.

 

Auch Solarmodule (Ø-Leistung: 50 W) sind nicht in der Lage, größere elektrische Verbraucher zu versorgen. Zu diesem Zweck werden die einzelnen Module wiederum parallel und in Serie geschaltet. Theoretisch gibt es dabei keine Obergrenze (bezügl. höherer Betriebsspannungen und Leistungen), so daß derartige Solargeneratoren beliebig konzipiert werden können. Zu einen Solargenerator gehören im Regelfall mindestens ein Laderegler und eine Batterie. Bei Wetterstationen, Ferienhäusern, Relaisstationen, Segelbooten usw., wo alle Geräte die gleiche Betriebsspannung von z. B. 12 Volt haben, ist diese Ausstattung ausreichend. Wenn unterschiedliche Betriebsspannungen benötigt werden, ist außerdem ein Spannungswandler nötig.

 

 

  1. Literaturverzeichnis

 

Kleemann, M./ Meliß, M.: Regenerative Energiequellen, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 1988 

Cobarg, C. C.: Sonnenkraft, Frech-Verlag, Stuttgart, 1978

Karamanolis, Stratis: Das ABC der Sonnenenergie, Elektra Verlags-GmbH, Neubiberg b. München, 1988

Jäger, F./ Räuber, A.: Photvoltaik - Strom aus der Sonne, Verlag C. F. Müller, Karlsruhe, 1990

Köthe, Hans Kurt: Stromversorgung mit Solarzellen, Franzis-Verlag, München, 1988

Diaz-Santanilla, G.: Technik der Solarzelle, Franzis-Verlag, München, 1984

Starr, Michael R.: Photovoltaischer Strom für Europa, Verlag TÜV Rheinland, 1987

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