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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, metallischer Kontakt entsteht eine Halbleiterdiode, siehe Abbildung links.
In der Grenzschicht (p-n-junction) zwischen n- und
p-leitendem Material löschen die beweglichen Ladungsträger (in der Abbildung in Kreisen gezeichnet)sich 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. Für die Umformung in Wechselstrom und die Erzeugung größere
Spannungen werden Wechselrichter verwendet. Ein Solarpark, der 2009 eine Leistung von 40
MW erreichte, ist die auf einem ehemaligen Flugfeld bei Leipzig mit einer
Gesamt-Modulfläche von 0,4 km² installierte
PV-Anlage.
Die genannte 40-MW-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).
Bild rechts ist ein polykrystalliner Waver mit 10 cm Kantenlänge. Der als
"Dickschicht" bezeichnete Si-Waver ist 250 µm dick. Dünnschicht-Zellen haben
eine Dicke in der Größenordnung von 10 µm. Sie werden aus kristallinem Material
mit höherem Wirkungsgrad oder aus amorphen billigerem Material hergestellt. 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 könnte es in der Zukunft mit der
Verfügbarkeit von Indium, Gallium, Tellur und Selen 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.