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Solarzelle

Eine Solarzelle (photovoltaische Zelle) ist ein optoelektronisches Halbleiter-Bauelement, welches Sonnenenergie direkt in elektrische Energie umwandeln kann. Das zugrundeliegende Prinzip dieser erneuerbaren Energiequelle ist das der Photovoltaik. Sobald geeignetes Licht auf eine Solarzelle trifft, wird zwischen den beiden Anschlusskabeln eine elektrische Spannung von z. B. 0,5 V erzeugt. Lässt man diese einen elektrischen Strom antreiben, so liefert die Zelle eine gewisse elektrische Leistung.

Eine Solarzelle kann zwar durch das Sonnenlicht aufgeheizt werden, aber die Entstehung von Wärme ist nicht Teil der Energieumwandlungsprozesses. Im Gegenteil sinkt der Wirkungsgrad von Solarzellen bei erhöhten Temperaturen: bei den üblichen kristallinen Silizium-Zellen um ca. 0,5 % pro °C, bei Dünnschichtzellen weniger.

Der Wirkungsgrad, mit dem die Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt werden kann, variiert je nach Typ der Solarzelle zwischen ca. 5 % und 40 %. Der optimale Wirkungsgrad setzt die Belastung mit der richtigen Stromstärke (den Betrieb am Maximum Power Point = MPP) voraus: Die Stromstärke muss so stark sein, dass die gelieferte Spannung schon etwas abnimmt, aber nicht zu stark. Eine Besonderheit von Solarzellen unterscheidet diese z. B. von thermischen Sonnenkollektoren: Der Wirkungsgrad fällt auch bei erheblich schwächerer Sonneneinstrahlung nicht sehr stark ab. Somit lässt sich auch relativ schwaches Licht – ggf. auch diffuses Licht an trüben Tagen ohne direkte Sonneneinstrahlung – noch nutzen.

Solarzellen werden meist in größerer Anzahl in Solarmodule eingebaut. Diese enthalten außer den Solarzellen auch Befestigungen, mechanische und elektronische Schutzvorrichtungen und die nötigen elektrischen Verbindungen. Es ist zu unterscheiden zwischen dem Zellenwirkungsgrad und dem Modulwirkungsgrad. Letzterer ist etwas niedriger, weil etwas Licht in den Glasabdeckungen der Module verloren geht und nicht die gesamte Fläche mit Solarzellen ausgefüllt werden kann.

Der Artikel über Photovoltaik diskutiert die generellen Vor- und Nachteile dieser Technologie, während es hier um spezifischere technische Aspekte geht.

Typen von Solarzellen

Silizium-Solarzellen

Die bis heute am häufigsten eingesetzten Typen von Solarzellen basieren auf Silizium (Si), einem in unerschöpflichen Mengen verfügbaren Rohstoff, der z. B. aus Sand gewonnen werden kann. Allerdings sind hierfür sehr aufwendige und teure Prozesschritte notwendig, da eine hohe Reinheit des Solar-Siliziums benötigt wird. Die benötigte Reinheit ist zwar längst nicht so hoch wie die bei der Chip-Fertigung für elektronische Schaltkreise, jedoch werden meist relativ große Mengen benötigt, da die verwendeten Wafer eine nennenswerte Dicke von z. B. 0,3 mm aufweisen.

Die höchsten Wirkungsgrade von oft über 20 % werden mit monokristallinen Solarzellen (c-Si) erreicht. Allerdings sind diese entsprechend teuer und enthalten viel graue Energie, d. h. es braucht einige Zeit der Stromproduktion, bis die bei der Herstellung eingesetzte Energie zurückgewonnen ist. Die energetische Amortisationszeit für komplette Photovoltaikmodule basierend auf monokristallinen Silizium-Zellen liegt in der Größenordnung von drei Jahren.

Günstiger und mit weniger Energieaufwand herzustellen sind polykristalline Solarzellen (poly-Si oder mc-Si), bei denen das Silizium nicht eine einheitliche Kristallrichtung aufweist, sondern Domänen mit unterschiedlichen Orientierungen. Da an den Domänengrenzen Verluste auftreten, sind die Wirkungsgrade geringer, z. B. um 16 %.

Sogenannte Dünnschichtsolarzellen enthalten nur eine extrem dünne Silizium-Schicht (Dicke von z. B. 50 μm = 0,05 mm oder sogar noch deutlich weniger), die amorph (also ohne großräumige Kristallstruktur) ist. Die Wirkungsgrade sind meist nicht höher als ca. 7 %, aber die Herstellung ist preisgünstig, teilweise wegen der minimalen Menge an teurem Silizium, was auch den Gehalt an grauer Energie reduziert.

Solarzellen aus III-V-Halbleitern

III-V-Halbleiter bestehen aus Elementen der Gruppen III und V im Periodensystem der Elemente, also z. B. Galliumarsenid aus Gallium (III) und Arsen (V) oder Indiumphosphid aus Indium (III) und Phosphor (V).

Solarzellen basierend auf Galliumarsenid (GaAs) sind Dünnschichtzellen; es wird eine Halbleiterschicht von nur einigen Mikrometern Dicke benötigt, da die Lichtabsorption sehr viel stärker ist als z. B. in Silizium. Sie können hohe Wirkungsgrade von rund 25 % erreichen, bei spezieller Optimierung experimenteller Typen sogar etwas über 40 %. Sie sind für die Raumfahrt besonders geeignet, weil sie hohe Leistungen in einem weiten Temperaturbereich bringen können und relativ robust gegen UV-Bestrahlung sind. Die Kosten liegen aber recht hoch. Die höchsten Wirkungsgrade werden mit raffinierten Mehrfachzellen-Designs (Tandem-Solarzellen) erreicht, bei denen die oberste Schicht nur die kurzwelligste Strahlung nutzt und z. B. zwei weitere Schichten darunter auch langwelligere Strahlung. Beispielsweise gibt es Tandem-Zellen mit einem Perovskit als obere Schicht und herkömmlicher Siliziumtechnologie für die untere. Damit können im Labor z. T. bereits mehr als 30 % Wirkungsgrad erreicht werden.

Solarzellen aus II-VI-Halbleitern

Solarzellen mit Cadmiumtellurit (CdTe) sind besonders preisgünstig als Dünnschichtzellen herstellbar. Das enthaltene Cadmium und Tellur sind sehr giftig, werden aber nur in recht geringen Mengen verwendet und liegen in einer chemisch sehr fest gebundenen Form vor. Ein Austritt giftiger Substanzen während des Betriebs ist ausgeschlossen, und selbst bei Bränden kann kaum etwas von dem sehr schwerflüchtigen Cadmiumtellurit in die Atmosphäre oder in den Boden geraten. Am Ende der Lebensdauer kann das Cadmiumtellurit beim Recycling zurückgewonnen oder zumindest unschädlich beseitigt werden. Die Wirkungsgrade von CdTe-Dünnschichtzellen bewegen sich meist in der Größenordnung von 10 %.

Andere Typen von Solarzellen

Diverse andere Typen von Solarzellen sind bisher noch weniger ausgereift, aber teils langfristig gesehen vielversprechend. Hierzu gehören CIS- und CIGS-Solarzellen, die wie CdTe-Zellen als Dünnschichtzellen ausgeführt werden. Sie basieren auf Elementen wie Kupfer, Indium, Gallium, Schwefel und Selen.

Interessant sind auch organische Solarzellen, die im Prinzip mit billigen Verfahren auf großen Flächen produziert werden könnten, aber bislang relativ niedrige Wirkungsgrade (deutlich unter 10 %) und vor allem eine zu kurze Lebensdauer von einigen tausend Stunden haben. Hierzu gehören die Grätzel-Zellen (Farbstoffzellen), die auf organischen Farbstoffen basieren.

Konzentratorzellen

Ein weiterer Ansatz, um die Menge von Solarzellen für eine bestimmte erzeugte Leistung klein zu halten, ist die Konzentrator-Technik. Hier wird das Sonnenlicht zunächst mit einer Linse (meist einer Fresnel-Linse) fokussiert und somit konzentriert auf eine relativ kleine Solarzelle geschickt. Dies erlaubt den wirtschaftlichen Einsatz von teuren Mehrschichtdesigns (Tandem-Solarzellen, Stapel-Solarzellen). Diese erreichen mit stark konzentriertem Sonnenlicht sogar etwas höhere Wirkungsgrade, was Verluste in der Linse ausgleichen kann. Diese Technik ist freilich relativ aufwendig, da die Anordnung im Tagesverlauf der Sonne nachgeführt werden muss, um den Fokus auf der Solarzelle zu halten, und weil eine ausreichende Kühlung der Zelle gewährleistet werden muss. Die Konzentratortechnik kann nur direkte Sonneneinstrahlung nutzen, nicht aber diffuses Licht, und eignet sich daher am ehesten für Standorte mit sehr guten Wetterbedingungen.

Produktionskosten, Materialverfügbarkeit und Entwicklungspotenziale

Die Produktionskosten für Solarzellen lagen anfangs auf extrem hohem Niveau, sinken jedoch fast jedes Jahr erheblich. Dies beruht nicht nur auf der kontinuierlichen Verbesserung der Herstellungsprozesse (z. B. mit Hilfe von Lasertechnologie) und auf dem rasch zunehmenden Produktionsvolumen, sondern teilweise auch auf der Einführung neuer Solarzellentypen wie z. B. Dünnschichtzellen.

Bei Silizium, dem meistgebrauchten Grundstoff, traten zeitweise Engpässe der Produktion hochreinen Solarsiliziums auf, die eine Zeit lang den Preisverfall stoppten, jedoch mittlerweile behoben sind. Fundamentale Engpässe sind bei Silizium unmöglich, da Silizium buchstäblich wie Sand am Meer vorkommt.

Dagegen basieren andere Zellentypen teilweise auf recht begrenzt verfügbaren Stoffen wie Gallium, Indium, Tellur und Selen. Hier besteht zudem eine Konkurrenz mit anderen Produkten wie z. B. Flachbildschirmen, die ebenfalls Indium brauchen, und mit Leuchtdioden bei Gallium und Indium. Das Recycling solcher Materialien ist eine schwierige Herausforderung, gerade weil die verwendeten Mengen pro Quadratmeter Solarzelle sehr gering sind.

Es ist bislang nicht klar, welche Typen von Solarzellen sich langfristig für den großtechnischen Einsatz durchsetzen werden. Dies hängt damit zusammen, dass noch viele technische Fortschritte möglich sind, aber schwer vorhergesagt werden können. Insbesondere erhofft man sich von der weiteren Entwicklung die folgenden Verbesserungen:

• Der Wirkungsgrad sollte noch weiter gesteigert werden, so dass der Flächen- und Materialbedarf für die Photovoltaik reduziert wird. Theoretisch wären Wirkungsgrade von über 90 % denkbar, jedoch kämpft man mit diversen schwer beherrschbaren Verlustprozessen. Eine Herausforderung entsteht vor allem auch dadurch, dass Sonnenlicht Anteile sehr unterschiedlicher Photonenenergie aufweist und dass Solarzellen nur schwer für all diese Anteile gleichzeitig optimiert werden können. Eine einfach strukturierte Solarzelle mit einem einzigen p-n-Übergang könnte deswegen grundsätzlich nicht mehr als ca. 30 % erreichen. Höhere Wirkungsgrade erfordern Mehrfachzellen-Designs, die jedoch in der Praxis das theoretische Potenzial von über 90 % bisher bei Weitem nicht ausschöpfen können und vermutlich auch längerfristig kaum weit über 50 % steigen dürften.
• Zellentypen mit reduziertem Einsatz kritischer Materialien sind sehr wichtig, soweit nicht ohnehin auf unbegrenzt verfügbares Silizium gesetzt wird.
• Manche neue Typen (insbesondere organische Solarzellen) müssen noch bezüglich der Lebensdauer deutlich verbessert werden. Hier können gewisse raffinierte Details der Herstellungsmethoden oder kleine Veränderungen der Zusammensetzung große Durchbrüche bringen. Dies erfordert jedoch weitere wissenschaftliche Forschung.
• Niedrigere Herstellungskosten sind bei allen Typen ein zentrales Ziel. Der Wettbewerb zwischen den verschiedenen Entwicklungslinien sorgt hier für eine starke Dynamik.

Die Herausforderung besteht darin, dass eine gut einsetzbare Solarzelle natürlich eine ganze Reihe von positiven Merkmalen gleichzeitig aufweisen sollte. Angebliche technische Durchbrüche sind kritisch darauf zu prüfen, ob nicht ein Merkmal auf Kosten eines anderen, ebenfalls wichtigen Merkmals verbessert wird.

Siehe auch: Sonnenenergie, Photovoltaik, Solarmodul, erneuerbare Energie