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Solarzellen

Solarzellen sind elektrische Bauelemente, die Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umwandeln. Grundlage ist der photovoltaische Effekt an einem Übergang vom positiv zum negativ dotierten Bereich eines halbleitenden Materials. Das Wort Photovoltaik (PV) steht für den Einsatz von Solarzellen zur Elektroenergiegewinnung.

Undotiertes Halbleitermaterial wie Silizium hat keine freien Ladungsträger. Durch den Einbau einer sehr geringen Konzentration (Dotierung) von fünfwertigen Atomen (wie Arsen)  in  vierwertiges Siliziummaterial kommt es zu einer geringen Konzentration von Elektronen im Leitfähigkeitsband. Beim Einbau von dreiwertigen Atomen (wie Aluminium) ergeben sich Elektronenfehlstellen (Löcher) im Valenzband. Ersteres Material ist negativ leitend (n-Typ), letzteres positiv leitend (p-Typ). Die beweglichen Ladungen werden im dotierten Material durch ortsfeste positive bzw. negative Ladungen kompensiert.


Durch Aneinanderreihung von metallischem Kontakt, n‑Typ‑Halbleiter, p-Typ-Halbleiter, metallischem Kontakt entsteht eine Halbleiterdiode, siehe Abbildung links.
In der Grenzschicht (p-n-junction) zwischen n- und p‑leitendem Material löschen sich die beweglichen Ladungsträger (in der Abbildung in Kreisen gezeichnet)gegenseitig aus, während die ortsfesten Ladungen (negative im p-leitenden und positive im n-leitenden Material) erhalten bleiben. Sie erzeugen in der an beweglichen Ladungsträgern verarmten Grenzschicht einen Potenzialwall, der das Nachfließen weiterer beweglicher Ladungsträger verhindert und die Dicke der Grenzschicht auf weniger als 1 µm begrenzt.


Eine Solarzelle ist so dünn, dass das Sonnenlicht bis zur Grenzschicht durchdringt. Dort wird durch den inneren Photoeffekt die Lichtenergie in ein bewegliches Elektron und eine bewegliches Loch umgewandelt. Einigen der
Elektronen gelingt es, aus der Grenzschicht in den n-leitenden Bereich vorzudringen und einige Löcher schaffen es,
in den p-leitenden Bereich zu kommen. Leider rekombiniert die Mehrheit der Ladungsträgerpaare in der Grenzschicht
und begrenzt dadurch den Wirkungsgrad von Solarzellen auf weniger als 25 % bei einer Grenzschicht in Siliziummaterial. Sind die Ladungsträger jedoch aus der Grenzschicht herausgekommen, verhindert der Potenzialwall eine Rückkehr. Falls die Beläge der n- und der p-leitenden Schicht durch einen Draht verbunden sind, vereinen sich diese Ladungsträger nur "hintenherum" über den Stromverbraucher, da der Widerstand der Schicht, des Drahtes und selbst eines Verbrauchers kleiner ist als der der Grenzschicht. Die von einer einzelnen Solarzelle erzeugte Spannung liegt bei etwa einem Volt. Eine reihenschaltung der Zellen ergibt eine höhere Systemspannung, die aus Sicherheitsgründen derzeit auf 1 kV begrenzt ist. Für die Umformung in Wechselstrom und die Erzeugung größere Spannungen werden Wechselrichter verwendet.

Installierte Leistungen neuer Photovoltaik-Freiflächenanlagen haben 2013 (in Deutschland auf dem Flugplatz Neuhardenberg) den Wert von 100 MW überschritten. Solar Star wurde 2015 nahe Rosamond in Kalifornien fertiggestellt und ist mit 579 MW die derzeit größte PV-Anlage. Ende 2014 waren in PV-Anlagen weltweit 177 GW Nennleistung installiert, siehe Wikipedia. In Deutschland deckten PV-Anlagen mit 38 GW Nennleistung 7 % des Strombedarfs, weltweit aber weniger als 1 %. China hat 2015 Deutschland mit einer jährlichen Installation von 21,3 GW nicht nur insgesamt sondern auch in der jährlich intallierten Leistung pro Kopf der Bevölkerung mit 16,3 W überholt.

Der Energiepark Waldpolenz ist die damals größte PV-Anlage, die zwischen 2007 und 2011 auf einer Fläche von 220 ha eines ehemaligen Flugfeldes bei Leipzig errichtet wurde, aus 700.000 Modulen besteht, eine elektrische Leistung von 52 MW hat und jährlich 52 GWh Stromertrag liefert. Die PV-Anlage wurde aus CdTe-Dünnschicht-Modulen errichtet. Das sind II-VI-Halbleiter, die neben III-V-Halbleitern (GaAs) und vor allem vierwertigen Halbleitern wie Si oder Ge verwendet werden. Die römischen Zahlen II, III, V und VI bezeichnen die Wertigkeit von je einer Komponente des Materials. In der Cd-Te-Kombination lassen sich die Module großtechnisch günstig herstellen. Höhere Wirkungsgrade werden bei GaAs-Zellen erreicht. Si-Materialien unterteilt man bei dickeren Schichten in monokristallin (höherer Wirkungsgrad) und polykristallin (besseres Preis-Leistungs-Verhältnis).

Das Bild rechts ist ein polykrystalliner Waver mit 10 cm Kantenlänge. Der als "Dickschicht" bezeichnete Si-Waver ist 250 µm dick. Dünnschicht-Zellen aus kristallinen oder polykristallinen Material haben eine Dicke in der Größenordnung von 10 µm. Auf Kupfer, Indium, Gallium und Diselenid basiert die CIGS-Solarzelle, die aus einer polykristallinen 1-2 µm dicken Schicht besteht. Als maximaler Labor-Wirkungsgrad war 2014 der Wert von 21,7 % erreicht worden, während technisch gefertigte Module bei 17,4 % liegen und wegen der hohen Kosten für Indium einen geringen Marktanteil haben.

Als noch billigere und einfacher herstellbare Solarzellen werden solche aus organischen Halbleitern angesehen. Bisher sind mit Polymeren jedoch nur geringe Wirkungsgrade und Haltbarkeiten erreicht worden. Für Polymere und Silizium sind keine Materialengpässe zu erwarten. Schwieriger wird es in Zukunft mit der Verfügbarkeit von Indium, Gallium, Tellur und Selen. Aktuelle Entwicklungen auf dem Gebiet der Solarzellen können auf der englischen Seite von Wikipedia verfolgt werden.

Mehrere Kriterien werden angewendet, um die Einsatzmöglichkeiten von PV-Anlagen zu beurteilen. Die Einschätzung der wirtschaftlichen Amortisierung wird dadurch erschwert, dass keine genauen Voraussagen über staatliche Subventionen der PV-Stromerzeugung und die Entwicklung der Strompreise möglich sind. Ein genauer messbarer Parameter ist die energetische Amortisationszeit. Das ist die Zahl von Jahren, in der die PV-Anlage die Energie in Kilowattstunden erzeugt, die für die Herstellung der Anlage aufgewandt wurde. Dünnschichtmodul-Alagen können sich schon nach etwa 2-3 Jahren amortisieren. Anlagen mit polykristallinen Zellen benötigen 3-5 Jahre und solche mit monokristallinen Zellen 4-6 Jahre. Dazu muss die Sonne reichlich scheinen. In Berlin ist mit den doppelten Zeiten zu rechnen. Erst wenn die berechneten Zeiten die veranschlagte Lebensdauer von etwa 20 Jahren überschreiten, wird die Bilanz negativ.

Viele Neuheiten und Details der Photovoltaik findet man auf dem Solarserver.

 

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letzte Änderung: 12.12.2015