Solar Zelle

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7/23/2019 Solar Zelle http://slidepdf.com/reader/full/solar-zelle 1/24 Solarzelle Polykristalline Silicium-Solarzellen in einem Solarmodul Eine  Solarzelle  oder  photovoltaische Zelle  ist ein elektrisches Bauelement , das kurzwellige Strahlungsenergie, in der Regel Sonnenlicht, direkt in elektrische Energie umwandelt . Die Anwendung der Solarzelle ist die Photovoltaik. Die physikalische Grundlage der Umwandlung ist der photovoltaische Effekt, der ein Sonderfall des inneren photoelektrischen Effekts ist. DurchReihenschaltungvoneinzelnenSolarzellenundab- schließende Kapselung entstehen die zur Energieerzeu- gung verwendeten Solarmodule. Die Reihenschaltung ist beiDünnschichtmodulenindenProzessderZellfertigung integriert, bei den weit verbreiteten kristallinen Modu- lendurch Auflöten vonVerbindernauffertigeSolarzellen realisiert. Manchmal werden auch Elemente eines Sonnenkollektors als Solarzelle bezeichnet. Sie erzeugen aber keinen elektrischen Strom, sondern Prozesswärme und ersetzen beispielsweise Warmwasser-Boiler. 1 Einteilung 1.1 Übersicht mono-Si multi-Si Thin-film ribbon-Si 50% 75% 25% 100% 0% 1990 2000 2010 50% 75% 25% 100% 0% Global Market Share by PV Technology from 1990 to 2013 Anteile der verschiedenen Technologien Dünnschicht String-Ribbon  polykristallin monokristallin Schwarzlichttest der GaAs-Triple-Junction-Solarzellen der Raumsonde Dawn [1] Solarzellen kann man nach verschiedenen Kriterien ein- ordnen. Das gängigste Kriterium ist die Materialdicke. Dabei wird nach Dickschicht- und Dünnschichtzellen un- terschieden. Ein weiteres Kriterium ist das verwendete Halbleitermaterial . Am häufigsten wird Silicium eingesetzt. Daneben finden auch weitere Halbleiter Verwendung wie CadmiumtelluridGalliumarsenid. Bei sogenannten Tandem-Solarzellen kommen Schichten unterschiedlicher Halbleiter zur Anwendung, bei- spielsweise Indiumgalliumarsenid in Kombination mit Indiumgalliumphosphid . 1

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Solarzelle

Polykristalline Silicium-Solarzellen in einem Solarmodul

Eine Solarzelle oder photovoltaische Zelle istein elektrisches Bauelement das kurzwelligeStrahlungsenergie in der Regel Sonnenlicht direktin elektrische Energie umwandelt Die Anwendungder Solarzelle ist die Photovoltaik Die physikalischeGrundlage der Umwandlung ist der photovoltaischeEffekt der ein Sonderfall des inneren photoelektrischenEffekts ist

Durch Reihenschaltung voneinzelnen Solarzellen und ab-schlieszligende Kapselung entstehen die zur Energieerzeu-gung verwendeten Solarmodule Die Reihenschaltung istbei Duumlnnschichtmodulen in den Prozess der Zellfertigungintegriert bei den weit verbreiteten kristallinen Modu-len durch Aufloumlten von Verbindern auf fertige Solarzellenrealisiert

Manchmal werden auch Elemente einesSonnenkollektors als Solarzelle bezeichnet Sie erzeugenaber keinen elektrischen Strom sondern Prozesswaumlrmeund ersetzen beispielsweise Warmwasser-Boiler

1 Einteilung

11 Uumlbersicht

mono-Si

multi-Si

Thin-filmribbon-Si

50

75

25

100

0

1990 2000 2010

50

75

25

100

0

Global Market Share by PV Technologyfrom 1990 to 2013

Anteile der verschiedenen TechnologienDuumlnnschicht String-Ribbon

polykristallinmonokristallin

Schwarzlichttest der GaAs-Triple-Junction-Solarzellen der Raumsonde Dawn[1]

Solarzellen kann man nach verschiedenen Kriterien ein-ordnen Das gaumlngigste Kriterium ist die MaterialdickeDabei wird nach Dickschicht- und Duumlnnschichtzellen un-terschieden

Ein weiteres Kriterium ist das verwendeteHalbleitermaterial Am haumlufigsten wird Siliciumeingesetzt Daneben finden auch weitere HalbleiterVerwendung wie Cadmiumtellurid Galliumarsenid Beisogenannten Tandem-Solarzellen kommen Schichten

unterschiedlicher Halbleiter zur Anwendung bei-spielsweise Indiumgalliumarsenid in Kombination mitIndiumgalliumphosphid

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2 1 EINTEILUNG

Die Kristallstruktur kannkristallin (mono-polykristallin)oder amorph sein

Neben anorganischen Halbleitermaterialien gibt es auchorganische Solarzellen und Farbstoffsolarzellen sowieanorganisch-organische Hybride[2] Die Entwicklung ist

keineswegs abgeschlossen

12 Material

Solarpanel

1 Siliciumzellen

bull Dickschicht

bull Monokristalline Siliciumzellen (c-Si)weisen im groszligtechnischen Einsatz einenWirkungsgrad von uumlber 20 und eineLeistungsdichte von 20ndash50 Wkg aufDie Technik gilt als gut beherrscht

bull Polykristalline Zellen auch Multikristal-line Zellen genannt (poly-Si oder mc-Si) besitzen relativ kurze Energieruumlck-laufzeiten und wurden die verbreitetstenZellen Sie erreichen im groszligtechnischenEinsatz Wirkungsgrade bis zu 16 Der

Verzicht auf das energie- und zeitauf-waumlndige Rekristallisieren eines Einkris-talls wird mit etwas geringeren Leistun-gen erkauft Experimentelle Zellen errei-chen Wirkungsgrade bis zu 186 [3]

bull Duumlnnschicht

bull Amorphes Silicium (a-Si) erreichte abden 1980er-Jahren den groumlszligten Marktan-teil bei den Duumlnnschichtzellen Sie sindbekannt von Kleinanwendungen wie Ta-schenrechnern Die Modulwirkungsgradeliegen zwischen 5 und 7 und haben eine

Leistungsdichte bis ca 2000 Wkg Hiergibt es keine Materialengpaumlsse selbst beiProduktion im Terawatt-Maszligstab Durch

Tandem- und Tripelzellen mit teilwei-se unterschiedlicher spektraler Empfind-lichkeit konnten neben der Steigerung desWirkungsgrades um 10-20 die Degra-dationsprobleme verringert werden

bull Kristallines Silicium z B mikrokristal-lines Silicium (microc-Si) wird auch in Kom-bination mit amorphem Silicium als Tan-demzellen eingesetzt und erreicht so houml-here Wirkungsgrade bis erwarteten 15 [4][5] Hergestellt werden sie aumlhnlichwie Solarzellen aus amorphem Silici-um Durch die Kombination von zweiSolarzellen mit unterschiedlicher spek-traler Empfindlichkeit (Bandluumlcke) wo-bei die vordere natuumlrlich semitransparentsein muss ist ein houmlherer Gesamtwir-kungsgrad erreichbar Allerdings ist bei

einer einfach zu realisierenden Reihen-schaltung die erforderliche Uumlbereinstim-mung der Stroumlme nur sehr unvollkom-men zu erreichen Solarzellen-Duos in ei-ner unter Praxisbedingungen erfolgver-sprechenderen Parallelschaltung oder miteiner Anpasselektronik sind bisher nur alsLaborexperiment bekannt

bull Si Wire Array (Laborstadium) Durch Bestuuml-cken einer Oberflaumlche mit duumlnnsten Draumlhtenist diese neue Solarzelle biegsam und benouml-tigt nur 1 der Siliciummenge verglichen mit

herkoumlmmlichen Solarzellen[6][7][8]

2 III-V-Halbleiter -Solarzellen

bull Galliumarsenid-Zellen (GaAs) zeichnen sichdurch hohe Wirkungsgrade (im Jahr 2009 ex-perimentell bis 411 [9]) sehr gute Tem-peraturbestaumlndigkeit geringerem Leistungs-abfall bei Erwaumlrmung als kristalline Sili-ciumzellen und Robustheit gegenuumlber UV-Strahlung aus Sie sind allerdings sehr teuer inder Herstellung Eingesetzt werden sie haumlufigin der Raumfahrt (Galliumindiumphosphid

(GaIn)PGalliumarsenid GaAsGermaniumGe) Tripelzellen (Tandem-Solarzelle mit dreimonolithisch gestapelten p-n-Uumlbergaumlngen) ha-ben den houmlchsten kommerziell lieferbarenWirkungsgrad von fast 30 mit einer Leis-tungsdichte von 50 Wkg (bei 17 um 1000Wkg)[10]

3 II-VI-Halbleiter -Solarzellen

bull CdTe-Zellen sind groszligtechnisch durchchemische Badabscheidung (CBD) oderchemische Gasphasenabscheidung (CVD)

sehr guumlnstig herstellbar und finden Verwen-dung in Duumlnnschichtsolarzellen fuumlr eineLaborsolarzelle sind schon 196 plusmn 04 [11]

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14 Bauformen 3

erreicht worden Modul-Wirkungsgrade in-zwischen (2007) bei 10 Langzeitverhaltennoch nicht bekannt

4 I-III-VI-Halbleiter-Solarzellen

bull CIS- CIGS-Solarzellen (Chalkopyrite) be-stehen aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenidbzw Kupfer-Indium-Disulfid Dieses Materialfindet Anwendung in Duumlnnschichtsolarzellenndash hier ist CIGS das leistungsstaumlrkste Materi-al mit Laborwirkungsgraden von mittlerwei-le 208 (Oktober 2013[12]) Der Modul-Wirkungsgrad betraumlgt derzeit 174 (StandFebruar 2012[13]) 1999 konnte Siemens So-lar die ersten Module zeigen VerschiedensteHersteller haben unterschiedliche Fertigungs-verfahren entwickelt Bisher hat trotz des her-vorragenden Designs noch keiner nennenswer-te Marktanteile erreicht Indium ist teuer undals Ressource beschraumlnkt

5 Organische Solarzellen (OPV) Die organische Che-mie liefert Werkstoffe die moumlglicherweise einekostenguumlnstige Fertigung von Solarzellen erlaubenBisheriger Nachteil ist ihr derzeit noch schlechterWirkungsgrad von maximal 120 [14] und dierecht kurze Lebensdauer (max 5000 h) der Zellen

6 Farbstoffzellen - Graumltzel-Zellen DSC oder DSSC(dye-sensitized (solar) cell) - nutzen organische

Farbstoffe zur Umwandlung von Licht in elektrischeEnergie ein Vorgang der an die Photosynthese an-lehnt Sie sind meistens lila Diese Zellen liefern miteinem leitfaumlhigen Polymer wie Polypyrrol anderKa-thode den besten Wirkungsgrad aller organischenSolarzellen von uumlber 10 haben jedoch aufgrundaggressiver Elektrolyte eine begrenzte Lebensdauer

7 Halbleiter-Elektrolytzellen z B KupferoxidNaCl-Loumlsung Sehr einfach herstellbare Zelle jedoch inLeistungsfaumlhigkeit und Zuverlaumlssigkeit limitiert

13 Materialverfuumlgbarkeit

Silicium der Grundstoff fuumlr die Solarzellen steht in na-hezu unbegrenzter Menge zur Verfuumlgung [15] Siliciumkommt in der Natur als Siliciumoxid (Quarz) oder Silicatvor und wird vom Sauerstoff unter hoher Temperatur ge-trennt

Bei seltenen Solarzellenmaterialien wie etwa IndiumGallium Tellur und Selen uumlberschreitet der weltweiteVerbrauch (Indium etwa 850 Tonnen bei Gallium etwa165 Tonnen) die jaumlhrliche Produktionsmenge[16] Auf-fallend war der stark steigende Verbrauch von Indium

in Form von Indium-Zinn-Oxid in der Fluumlssigkristall-und OLED-Bildschirmherstellung sowie die Verwen-dung von Gallium und Indium in der Produktion von

Leuchtdioden zur Produktion energiesparender Leucht-mittel und als Hintergrundbeleuchtung fuumlr Flachbild-schirme

Bei dem auch bei der Herstellung von Leuchtdiodenbedeutsamen Indium wird einerseits bis 2035 mit ei-

nem Versiegen der Ressourcen gerechnet

[17]

da sich dietheoretischen Indiumvorraumlte im Jahr 2006 auf nur 6000Tonnen die oumlkonomisch abbaubaren Reserven auf so-gar nur 2800 Tonnen beliefen[18] Andere Quellen re-den von 50000 Tonnen und Speisung des Verbrauchsaus Recycling[19] Die Sekundaumlrproduktion also das Re-cycling uumlbertrifft die Primaumlrproduktion und lag im Jahr2008 bei 800 Tonnen[20]

Die Situation bei Selen und beim noch selteneren Tellur(beide Halbmetalle liegen in geringer Konzentration imAnodenschlamm der Kupferelektrolysevor) erscheint aufden ersten Blick weniger kritisch da die Kupferprodu-

zenten derzeit nur einen Teil des in Metallelektrolyse an-fallenden Anodenschlamms zur Selen- oder Tellurgewin-nung einsetzen Die oumlkonomisch erschlieszligbaren Selenre-serven werden auf 82000 Tonnen die Tellurreserven auf43000 Tonnen geschaumltzt Dies ist wenig selbst im Ver-gleich zu den Reserven des ebenfalls nicht besonders haumlu-figen Buntmetalls Kupfer von 550 Millionen Tonnen

Die Produktionsprozesse in denen Gallium Indium Se-len und Tellur eingesetzt werden verfuumlgen uumlber eine un-guumlnstige Materialoumlkonomie und muumlssen verbessert wer-den

14 Bauformen

S t r a h l u n g s i n t e n s i t auml t W m sup2 n m

05

1

15

2

500 750 1000 1250 1500 1750

Wellenlaumlnge nm

Bandluumlcke Si (T=300K)

Terrestrische Sonnenstrahlung(Luftmasse AM15)

nutzbarerSpektralanteil

Ausnutzung der Sonnenstrahlung durch Silicium (mono- und po-lykristallin)

Neben dem Material ist die Bauweise von BedeutungMan unterscheidet verschiedene Oberflaumlchenstrukturie-rungen und Anordnungen der Kontaktierung der trans-parenten jedoch hochohmigen Deckelektrode (schmaleoder sogar durchsichtige Kontakte)

Weitere Bauformen sind Stapeltechniken durch Material-kombinationen unterschiedlicher Absorptionswellenlaumln-gen wodurch der Wirkungsgrad der Gesamtanordnung

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4 1 EINTEILUNG

S t r a h l u n g s i n t e n s i t auml t W m sup2 n m

05

1

15

2

500 750 1000 1250 1500 1750

Wellenlaumlnge nm

Bandluumlcke GaSb(T=300K)

Terrestrische Sonnenstrahlung(Luftmasse AM15)

nutzbarerSpektralanteil

Ausnutzung der Sonnenstrahlung durch Galliumantimonid

erhoumlht werden kann Es wird versucht die Materialien sozu waumlhlen dass das einfallende Sonnenspektrum maxi-

mal ausgenutzt wirdDerzeitig sind kommerziell erhaumlltliche Solarzellen ausHalbleitermaterialien uumlberwiegend aus Silicium AuchIIIV-Halbleitermaterialien werden verwendet (unter an-derem an Raumsonden) Wegen ihrer hohen Kosten wer-den sie fuumlr terrestrische Anwendungen in Konzentrator-Systemen verwendet Polymere Solarzellen befinden sichnoch in der Forschung

Halbleitersolarzellen muumlssen zur Energiegewinnung zuSolarmodulen verschaltet werden Kristalline Zellen wer-den dafuumlr mit Leiterbahnen an Vorder- und Ruumlckseite in

Reihe geschaltet Die Spannung der Einzelzellen von ca05 V unter Belastung und 064 V im Leerlauf addiertsich dabei Bei der heute uumlblichsten Anzahl von 60 Zellenentsteht ein Modul mit einer typischen Arbeitsspannungvon 30 V und einer Leerlaufspannung von 384 V Solchein Modul aus 6+-Zellen liefert dabei etwa 230ndash260 WLeistung bei STC-Testbedingungen Diese Solarmodulekoumlnnen selbst wieder mittels integrierter spezieller Steck-verbinder an Kabeln einfach in Reihe geschaltet werdenum die Leistung zu erhoumlhen Dabei werden Leerlaufspan-nungen bis zu 1000 V bei Umgebungstemperaturen unterndash10 degC als maximal zulaumlssiger Grenzwert erreicht AlsSchutz vor einem Lawinendurchbruch in den einzelnen

Zellen (etwa bei Teilabschattung durch herabgefallenesLaub) muumlssen jedoch zusaumltzlich Schutz-Dioden (Bypass-Dioden) parallel zu den Zellen eingebaut werden die dieabgeschatteten Zellen uumlberbruumlcken koumlnnen In Generato-ranschlusskaumlsten kann in Groszliganlagen eine Parallelschal-tung uumlber Sicherungen zur weiteren Leistungssteigerungerfolgen

15 Funktionsprinzip

Solarzellen aus Halbleitermaterialien sind im Prinzip wie

groszligflaumlchige Photodioden aufgebaut Sie werden jedochnicht als Strahlungsdetektor sondern als Stromquelle be-trieben

Ruumlckseitenkontakt

p - dotiert+p - dotiert-

n - dotiert+

Raumladungszone

geladene

Atomruumlmpfe

(Raumladung)

E-Feld

Sonneneinstrahlung

Loch(Defektelektron)

Elektron

Frontkontakt

Lichtintensitaumlt

Eindringungstiefe

nutzbarer Lichtanteil

Einfallende Photonen erzeugen Elektronen und Loumlcher die imelektrischen Feld der Raumladungszone des p-n-Uumlbergangs ge-trennt werden (Diese Abbildung gilt nicht fuumlr waferbasierteSilicium-Solarzellen denn dort dringt das Licht tief in die Basis ein und es uumlberwiegt der Beitrag der zum p-n-Uumlbergang diffun-dierenden Minoritaumltsladungstraumlger siehe Text und [21])

Va le n z ba n d

Le i t u n g s ba n d

Ferminiveau

F r o n t k o n t a k t

R uuml c k s e i t e n k o n t a k t

p+n+ p-

P h

o t o

n

w i r d

a b

s o r b i e

r t G e n e r a t i o n

( E l e k t r o n - L o c h - P a a r )

Bandstruktur einer einfachen pin-dotierten Siliciumsolarzelle

Die Besonderheit von Halbleitern ist dass durch zuge-fuumlhrte Energie (elektromagnetische Strahlung) in ihnenfreie Ladungstraumlger erzeugt werden koumlnnen (Elektronenund Loumlcher siehe Generation) Um aus diesen Ladun-gen einen elektrischen Strom zu erzeugen ist es noumltigdie erzeugten freien Ladungstraumlger in unterschiedlicheRichtungen zu lenken dies geschieht sehr haumlufig durchein internes elektrisches Feld welches durch einen p-n-

Uumlbergang erzeugt werden kannJe nach Bauform der Solarzelle sind fuumlr die Erzeugungdes Photostroms zwei unterschiedliche Transportmecha-nismen relevant Diffusion bzw Drift

Bei typischen kristallinen Siliciumsolarzellen mit Wafer-dicken von rund 200 microm ist der groumlszligte Teil des lichtab-sorbierenden Materials feldfrei er wird Basis genannt Inder Basis diffundieren die optisch angeregten Minoritaumlts-ladungstraumlger (Elektronen bei n-dotierter Basis bzw Louml-cher bei p-dotierter Basis) frei umher (Die bei der Licht-absorption mit angeregten Majoritaumltsladungstraumlger spie-len fuumlr die Funktionsweise der Solarzelle keine Rolle)

Sobald Minoritaumltsladungstraumlger die Raumladungszonedes p-n-Uumlbergangs erreichen werden sie durch das elek-trische Feld zur anderen Seite des p-n-Uumlbergangs hin be-

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schleunigt und so von den Majoritaumltsladungstraumlgern derBasis getrennt letztere werden vom elektrischen Feld desp-n-Uumlbergangs aufgrund ihrer entgegengesetzten Ladungzuruumlckgehalten Diese Solarzellen erreichen eine hohePhotostromausbeute wenn die Diffusionslaumlnge der Mi-noritaumltsladungstraumlger groszlig im Verhaumlltnis zur Dicke der

Basis istund die Ruumlckseite der Solarzelle entweder ein so-genanntes Back Surface Field (BSF) aufweist oder dielek-trisch passiviert ist wodurch die Rekombinationsverlustereduziert werden

Bei Solarzellen die aus einem Material mit kleiner Dif-fusionslaumlnge bestehen reicht die Raumladungszone mitdem elektrischen Feld moumlglichst weit in das Material hin-ein Dies wird durch gezielte Dotierung des Materials ein-gestellt (siehe Halbleitertechnologie) Um das gewuumlnsch-te Profil zu erzeugen wird gewoumlhnlich eine duumlnne Ober-flaumlchenschicht stark n-dotiert die dickere Schicht dar-unter schwach p-dotiert Das hat eine Raumladungszone

mit hoher Weite zur Folge Wenn in dieser Zone nunPhotonen einfallen und Elektron-Loch-Paare erzeugen(innerer Photoeffekt) so werden durch das elektrischeFeld die Loumlcher zum untenliegenden p-Material be-schleunigt und umgekehrt die Elektronen zum n-Kontaktauf der (sonnenzugewandten) Oberseite

Ein Teil der Minoritaumltsladungstraumlger rekombiniert ihreAnregungsenergie geht dabei in Waumlrme verloren Wei-tere Verluste entstehen aufgrund des unvermeidlichenSerienwiderstands Der Photostrom kann direkt voneinem Verbraucher benutzt in einem Akkumulatorzwischengespeichert oder mit einem netzgefuumlhrten

Solarwechselrichter in das Stromnetz eingespeist wer-den Die elektrische Spannung bei maximaler Leistung(Maximum Power Point Leistungsanpassung) liegt beiden gebraumluchlichsten Zellen (kristalline Siliciumzellen)bei etwa 05 V

Die Struktur von Solarzellen wird zudem so angepasstdass moumlglichst viel Licht eingefangen wird und es inder aktiven Schicht (Basis bzw schwach dotierter Be-reich) freie Ladungstraumlger erzeugen kann Dazu muss dieDeckelektrode transparent sein die Kontakte zu dieserSchicht muumlssen moumlglichst schmal sein auf der Obersei-te wird eine Antireflexionsschicht (zur Verringerung des

Reflexionsgrades) aufgetragen ggfs wird die Ruumlcksei-te verspiegelt Die Antireflexionsschicht sorgt fuumlr die ty-pisch blaumluliche bis schwarze Farbe von Solarzellen Un-beschichtete Solarzellen haben dagegen ein silbrig-grauesErscheinungsbild

Manchmal wird die Vorderseite strukturiert oder aufge-raut Wegen dieses Vorteils wurden urspruumlnglich Wafermit Fehlern beim Schleifprozess o a als Ausgangsmate-rial fuumlr Solarzellen verkauft Schwarzes Silicium hat ei-ne aufgeraute nadelfoumlrmige Oberflaumlche die sehr geringeReflexionen aufweist

Die Antireflexschicht wird bei modernen Solarzel-len aus Siliciumnitrid mittels PE-CVD-Verfahren her-gestellt Die Schichtdicke betraumlgt dabei ca 70 nm

(Lambda-Viertel bei einem Brechungsindex von 20)Daruumlber hinaus kommen noch Antireflexschichten ausSiliciumdioxid und Titandioxid die beispielsweise perAP-CVD-Verfahren aufgebracht werden zur Anwen-dung

Uumlber die Schichtdicke wird auch die Farbe bestimmt(Interferenzfarbe) Eine moumlglichst hohe Gleichmaumlszligig-keit der Beschichtungsstaumlrke ist dabei wichtig da be-reits Schwankungen um einige Nanometer in der Schicht-staumlrke den Reflexionsgrad erhoumlhen Blaue Reflexion er-gibt sich aus der Einstellung der Antireflexschicht aufden roten Teil des Spektrums ndash der bevorzugten Absorp-tionswellenlaumlnge des Siliciums Prinzipiell sind jedochauch beispielsweise rote gelbe oder gruumlne Solarzellen aufdiese Weise fuumlr spezielle architektonische Anwendun-gen herstellbar sie haben jedoch einen schlechteren Wir-kungsgrad

Im Falle von Siliciumnitrid und Siliciumdioxid erfuumllltdie Antireflexschicht dabei noch die Funktion einer Pas-sivierungsschicht die die Oberflaumlchenrekombinationsge-schwindigkeit herabsetzt Die an der Oberflaumlche erzeug-ten Ladungstraumlger koumlnnen dadurch ndash vereinfacht ausge-druumlckt ndash nicht so schnell rekombinieren und die erzeugteLadung kann als Strom abgeleitet werden

2 Typen von Silicium-Solarzellen

Poly- und monokristalline Solarzelle

Das traditionelle Grundmaterial fuumlr Halbleitersolarzellenist Silicium Bis in das Jahr 2005 wurde vor allem Rest-silicium aus der Chipproduktion verwendet heute wirdzunehmend Silicium speziell fuumlr die Solaranwendungenproduziert Silicium ist allgemein fuumlr die Halbleitertech-nik nahezu ideal Es ist preiswert laumlsst sich hochrein undeinkristallin herstellen und als n- und p-Halbleiter dotie-ren Einfache Oxidation ermoumlglicht die Herstellung duumln-ner Isolationsschichten Jedoch ist die Auspraumlgung seiner

Bandluumlcke als indirekter Halbleiter fuumlr optische Wechsel-wirkung wenig geeignet Siliciumbasierte kristalline So-larzellen muumlssen eine Schichtdicke von mindestens 100

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6 2 TYPEN VON SILICIUM-SOLARZELLEN

Polykristalliner Wafer

Polykristallines Silicium

Moderne kristalline Silizium Solarzelle Das PERC Design (pas-sivated emitter and rear cell) hat fingerfoumlrmige Kontakte auf der Ruumlckseite die als Linien sichtbar sind (rechtes Bild) Damit er-reicht man Zellwirkungsgrade uumlber 20 Hergestellt im Institut

fuumlr Solarenergieforschung Hameln (ISFH) Deutschland

microm und mehr aufweisen um Licht ausreichend stark zuabsorbieren Bei Duumlnnschichtzellen direkter Halbleiter wie z B Galliumarsenid oder auch Silicium mit stark ge-stoumlrter Kristallstruktur (siehe unten) genuumlgen 10 microm

Je nach Kristallaufbau unterscheidet man bei Siliciumfolgende Typen

bull Monokristalline Zellen werden aus sogenanntenWafern (einkristalline Siliciumscheiben) herge-

stellt wie sie auch fuumlr die Halbleiterherstellung ver-wendet werden Sie sind verhaumlltnismaumlszligig teuer

bull Polykristalline Zellen bestehen aus Scheiben dienicht uumlberall die gleiche Kristallorientierung auf-weisen Sie koumlnnen z B durch Gieszligverfahren (s

u) hergestellt werden und sind preiswerter und inPhotovoltaikanlagen am meisten verbreitet

bull Amorphe Solarzellen bestehen aus einer duumlnnennichtkristallinen (amorphen) Siliciumschicht undwerden daher auch als Duumlnnschichtzellen bezeich-net Sie koumlnnen etwa durch Aufdampfen hergestelltwerden und sind preiswert haben im Sonnenlicht ei-nen nur geringen Wirkungsgrad bieten jedoch Vor-teile bei wenig Licht Streulicht und bei hoher Be-triebstemperatur Zu finden sind die amorphen Zel-len beispielsweise auf Taschenrechnern oder Uhren

bull Mikrokristalline Zellen sind Duumlnnschichtzellen mitmikrokristalliner Struktur Sie weisen einen houmlherenWirkungsgrad als amorphe Zellen auf und sind nichtso dick wie die gaumlngigen polykristallinen Zellen Siewerden teilweise fuumlr Photovoltaikanlagen verwen-det sind jedoch noch nicht sehr weit verbreitet

bull Tandem-Solarzellen sind uumlbereinander geschichte-te Solarzellen meist eine Kombination von poly-kristallinen und amorphen Zellen Die einzelnenSchichten bestehen aus unterschiedlichem Materialund sind so auf einen anderen Wellenlaumlngenbereichdes Lichtes abgestimmt Die zuoberst angeord-neten Zellen absorbieren nur einen Teil desLichtspektrums der Rest kann durchtreten und vonder darunter angeordneten Schicht verwertet wer-den Durch ein breiteres Ausnuumltzen des Lichtspek-trums der Sonne haben diese Zellen einen besserenWirkungsgrad als einfache Solarzellen Sie werdenteilweise bei Photovoltaikanlagen verwendet sindjedoch noch relativ teuer

21 Herstellung aus Siliciumbloumlcken oder -staumlben

Solarzellen koumlnnen nach verschiedenen Verfahren herge-stellt werden

Das Grundmaterial Silicium ist das zweithaumlufigstechemische Element das in der Erdkruste vorkommtEs liegt in Form von Silikaten oder als Quarz vorAus Quarzsand kann in einem Schmelz-ReduktionsofenRohsilicium sogenanntes metallurgisches Silicium mitVerunreinigungen von circa 1 bis 2 hergestellt wer-den 2005 wurden auf diese Weise 47 Mio TonnenSilicium hergestellt Ein Groszligteil davon geht in dieStahlindustrie und in die Chemische Industrie Nur ein

kleiner Anteil des metallurgischen Siliciums wird fuumlr dieMikroelektronik und die Photovoltaik verwendet Ausdem Rohsilicium wird dann uumlber einen mehrstufigen auf

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21 Herstellung aus Siliciumbloumlcken oder -staumlben 7

Silicium-Einkristall zur Waferherstellung hergestellt nach demCzochralski-Verfahren

Trichlorsilan basierenden Prozess polykristallines Reinst-silicium hergestellt Das bis heute (2006) hier angewen-dete Siemens-Verfahren[22] ein CVD-Verfahren wurdeallerdings fuumlr die Mikroelektronik entwickelt und opti-

miert Dort werden zum Teil voumlllig andere Anforderun-gen an die Qualitaumlt des Siliciums gestellt als in der Pho-tovoltaik Fuumlr Solarzellen ist beispielsweise die Reinheit

des Wafers in seiner gesamten Staumlrke wichtig um einemoumlglichst lange Ladungstraumlger-Lebensdauer zu gewaumlhr-leisten In der Mikroelektronik muumlssten dagegen prinzi-piell nur die oberen etwa 20 bis 30 microm hochrein sein Damittlerweile der Verbrauch an hochreinem Silicium fuumlrdie Photovoltaik den Verbrauch in der Mikroelektronik

uumlbertroffen hat wird zur Zeit intensiv an speziellen kos-tenguumlnstigeren und fuumlr die Photovoltaik optimierten Her-stellverfahren fuumlr Solarsilicium gearbeitet

Der gesamte Herstellprozess fuumlr hochreines Silicium istzwar sehr energieaufwendig aber dennoch koumlnnen dieheute verwendeten Solarzellen die fuumlr ihre Produktion er-forderliche Energiemenge ndash je nach Bauart ndash innerhalbvon 15 bis 5 Jahren wieder kompensieren Sie haben al-so eine positive Energiebilanz

Das Reinstsilicium kann auf unterschiedliche Weise wei-terverarbeitet werden Fuumlr polykristalline Zellen kom-

men groumlszligtenteils das Gieszligverfahren das Bridgman-Verfahren und das kantenbegrenzte Bandziehverfahren(EFG-Verfahren vonengl edge-defined film-fed growth)zum Einsatz Monokristalline Zellen werden fast immernach dem Czochralski-Verfahren hergestellt Bei allenVerfahren gilt dass die Dotierung mit Bor (siehe unten)schon beim Herstellen der Bloumlcke (Ingots) beziehungs-weise Staumlbe vorgenommen wird

211 Blockgussverfahren

Dieses Verfahren dient zur Herstellung von polykristalli-

nem Silicium Das Reinstsilicium wird in einem Tiegelmit Hilfe einer Induktionsheizung aufgeschmolzen unddann in eine quadratische Wanne gegossen in der es moumlg-lichst langsam abgekuumlhlt wird Dabei sollen moumlglichstgroszlige Kristallite in den Bloumlcken entstehen Die Kanten-laumlnge der Wanne betraumlgt etwa 50 cm die Houmlhe der er-starrten Schmelze etwa 30 cm Der groszlige Block wird inmehrere kleine Bloumlcke von etwa 30 cm Laumlnge zerteilt

Ein weiteres Gieszligverfahren ist der Strangguss wobei dieMasse schon in der am Ende benoumltigten Staumlrke auf dasTraumlgermaterial aufgebracht wird Der Vorteil ist dass einSaumlgevorgang mit seinen Verlusten entfaumlllt

212 Bridgman-Verfahren

Das Bridgman-Verfahren dient zur Herstellung von po-lykristallinem Silicium[23] und ist nach Percy WilliamsBridgman benannt Es ist nicht zu verwechseln mit derBridgman-Stockbarger-Methode diezur Herstellung vonMonokristallen dient Das Reinstsilicium wird hier eben-falls in einem Tiegel mit Hilfe einer Induktionsheizungbei uumlber 1400 degC aufgeschmolzen Die langsame Abkuumlh-lung der Schmelze bei der sich groszlige Zonen einheitlicherKristalle ausbilden findet hier im gleichen Tiegel statt

Die geheizte Zone wird langsam von unten nach oben imTiegel angehoben so dass sich oben bis zum Schluss fluumls-siges Silicium befindet waumlhrend vom Tiegelboden her

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8 2 TYPEN VON SILICIUM-SOLARZELLEN

das Erstarren erfolgt Hier sind die Kantenlaumlngen etwasgroumlszliger als beim Gieszligverfahren (zumeist Standardgroumlszlige690 mm)[24] die Houmlhe des Blocks betraumlgt etwa 20 bis25 cm Der groszlige Block wird ebenfalls in mehrere kleineBloumlcke von zumeist 156 mm Kantenlaumlnge zerteilt DieserArbeitsschritt wird Brikettieren genannt[25]

213 Czochralski-Verfahren

Das Czochralski-Verfahren wird fuumlr die Herstellung vonlangen monokristallinen Staumlben genutzt Der sogenann-te Impfkristall gibt die Orientierung im Kristall vor Vorder Herstellung der Zellen wird der entstandene Zylindernoch zurechtgeschnitten

214 Zonenschmelzverfahren

Das Zonenschmelzverfahren auch Float-Zone-Verfahrengenannt dient auch der Herstellung monokristalliner Si-liciumstaumlbe Die bei diesem Verfahren erzielte Reinheitist im Normalfall houmlher als fuumlr die Solartechnik benouml-tigt und auch mit sehr hohen Kosten verbunden Deshalbwird diese Technik fuumlr die Solartechnik eher selten be-nutzt Das einzige Unternehmen das Float-Zone-Waferin nennenswerten Mengen fuumlr Solarzellen verwendet istdas US-Unternehmen SunPower

215 Waferherstellung

Die Kristallstaumlbe muumlssen nun mit einemDrahtsaumlgeverfahren in Scheiben die sogenanntenWafer gesaumlgt werden Dabei entsteht aus einem groszligenTeil des Siliciums Saumlgestaub dessen Verwertung ab2013 erforscht wurde [26] Die Dicke der entstehendenScheiben liegt bei etwa 018 bis 028 mm

Eine weitere Quelle fuumlr Wafer war urspruumlnglich der Aus-schuss an Rohlingen fuumlr die Herstellung von integriertenSchaltkreisen der Halbleiterfertigung deren zur Weiter-verarbeitung ungeeigneten Rohlinge als Solarzelle ver-wendet werden

Die monokristallinen Zellen zeichnen sich durch eine ho-mogene Oberflaumlche aus waumlhrend bei den polykristallinenZellen gut die einzelnen Zonen mit verschiedener Kris-tallorientierung unterschieden werden koumlnnen ndash sie bil-den ein eisblumenartiges Muster auf der Oberflaumlche

Im Waferstadium sind Vorder- und Ruumlckseite der Zellenoch nicht festgelegt

216 Waferprozessierung

Die gesaumlgten Wafer durchlaufen nun noch mehrere che-

mische Baumlder um Saumlgeschaumlden zu beheben und eineOberflaumlche auszubilden die geeignet ist Licht einzufan-gen Im NormalfallsinddieWafer schon mit einer Grund-

dotierung mit Bor versehen Diese bewirkt dass es uumlber-schuumlssige Defektelektronen (positive Ladungen) gibt dasheiszligt es koumlnnen Elektronen eingefangen werden Daswird auch p-Dotierung genannt Auf dem Weg zur fer-tigen Solarzelle mit p-n-Uumlbergang muss nun die Oberflauml-che noch eine n-Dotierung bekommen was durch Pro-

zessierung der Zelle in einem Ofen in einer Phosphor-Atmosphaumlre geschieht Die Phosphoratome schaffen ei-ne Zone mit Elektronenuumlberschuss auf der Zelloberflauml-che die etwa 1 microm tief ist Nach der Diffusion mit Phos-phor entsteht auf der Oberflaumlche des Wafers Phosphor-glas Um dieses zu entfernen ist ein weiterer sehr kur-zer Aumltzschritt mit Flusssaumlure noumltig Danach wird in einemweiteren Ofen mittels PECVD die Antireflexschicht auf-getragen die der Zelle erst die typische Farbe gibt

Danach erfolgt die Bedruckung der Zelle z B durchSiebdruck mit den notwendigen Loumltzonen und der Struk-tur welche fuumlr den besseren Abgriff des generierten elek-

trischen Stroms sorgt Die Vorderseite erhaumllt meist zweibreitere Streifen auf denen spaumlter die Baumlndchen zumVerbinden mehrerer Zellen befestigt werden Auszligerdemwird ein sehr duumlnnes elektrisch gut leitendes Raster auf-gebracht was einerseits den Lichteinfall so wenig wiemoumlglich behindern und andererseits den ohmschen Wi-derstand der Deckelektrode verringern soll Die Ruumlcksei-te wird meist vollflaumlchig mit einem gut leitenden Materialbeschichtet

Nach der Prozessierung werden die Zellen nach optischenund elektrischen Merkmalen klassifiziert sortiert und fuumlrdie Fertigung von Solarmodulen zusammengestellt

22 Direkte Herstellung von Platten bzwSchichten

Um den Umweg des Saumlgens von Wafern aus Kristallblouml-cken zu vermeiden gibt es umfangreiche Aktivitaumlten So-larzellen direkt zu erzeugen

221 EFG-Verfahren

Beim EFG-Verfahren (von engl edge-defined film-fed growth ungefaumlhre Uumlbersetzung bdquokantendefiniertesFilmwachstumldquo) werden aus einer elektrisch beheiztenGraphitwanne aus fluumlssigem Reinstsilicium achteckigeRoumlhren von etwa 6 bis 7 m Laumlnge nach oben gezo-gen Die Ziehgeschwindigkeit liegt im Bereich von ca 1mms Die Kantenlaumlnge der einzelnen Seiten betraumlgt 10bzw 125 cm die Wandstaumlrke ca 280 microm Nach Fer-tigstellung der Roumlhre wird diese entlang der Kanten mitNdYAG-Lasern geschnitten und in einem bestimmtenRaster dann uumlber die Breite der jeweiligen Seite Darausergibt sich die Moumlglichkeit der Herstellung von Zellenmit unterschiedlichen Kantenlaumlngen (zum Beispiel 125

cm times 15 cm oder 125 cm times 125 cm) Es wird eineAusbeute von etwa 80 des Ausgangsmaterials erzieltBei den so erzeugten Zellen handelt es sich ebenfalls um

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24 Solarzellen aus speziellen Siliciumstrukturen 9

polykristallines Material welche sich vom Aussehen herdeutlich von den gesaumlgten Zellen unterscheidet Unter an-derem ist die Oberflaumlche der Zellen welliger Ein Vor-teil im Vergleich zum Saumlgen aus Bloumlcken ist die weit-gehende Vermeidung von Verschnitt der zudem nichtmit Schneidefluumlssigkeit (engl slurry vgl Kolloide) ver-

unreinigt ist Dieses Verfahren wird auch Bandzieh- oderOctagon-Verfahren genannt

Das EFG-Verfahren wurde bis 2009 von der FirmaSchott Solar (Deutschland) angewendet Von einer wei-teren Verwendung musste abgesehen werden da SchottSolar als einziger Anwender dieses Prozesses die Wei-terentwicklung im Vergleich zu anderen Prozessen mitmehr Entwicklern im Hintergrund nicht schnell genugvorantreiben konnte[27] Entwickelt wurde das Verfahrenvon der Firma ASE Solar (USA)

222 String-Ribbon-Verfahren

Weiterhin gibt es das String-Ribbon-Verfahren der insol-venten US-amerikanischen Firma Evergreen Solar beidem die Wafer zwischen zwei Faumlden direkt aus der Sili-ciumschmelze gezogen werden[27] Dabei entsteht weni-ger Abfall (wie Spaumlne usw die normalerweise direkt ent-sorgt werden) als bei den herkoumlmmlichen Verfahren Alsdeutsches Unternehmen verwendete die Sovello AG dasString-Ribbon-Verfahren zur Produktion von Wafern

223 Schichttransfer-Verfahren

Beim Schichttransfer-Verfahren wird eine nur ca 20 micromduumlnne Schicht aus einkristallinem Silicium direkt flachauf einem Substrat gezuumlchtet Als Traumlgermaterial eignensich keramische Substrate oder auch speziell oberflaumlchen-behandeltes Silicium wodurch das Abloumlsen des entstan-denen Wafers und die Wiederverwendung desTraumlgers ge-geben ist Die Vorteile dieser Verfahren sind der deut-lich geringere Siliciumbedarf durch die geringe Dickeund der Wegfall der Saumlgeverluste Der Saumlgevorgang als

zusaumltzlicher Prozessschritt entfaumlllt Der erreichbare Wir-kungsgrad ist hoch und liegt im Bereich von monokris-tallinen Zellen

23 Solarzellen aus bdquoschmutzigemldquo Silici-um

Der Prozess des Zonenschmelzens und Dotierens laumlsstsich auch in eine bereits gefertigte flache Platte bzwSchicht verlagern Das Prinzip ist dass die Verunreini-

gungen durch Waumlrmebehandlung (mehrfach lateral fort-schreitende Umschmelzung z B mit Laserstrahlung) desSiliciums an wenigen Stellen konzentriert werden[28]

24 Solarzellen aus speziellen Silicium-strukturen

Seit den 2000er Jahren arbeiten verschiedene For-schungsgruppen an Solarzellen auf Basis von langen bdquoSi-liciumstaumlbchenldquo (manchmal auch bdquoSiliciummikrodraumlh-teldquo genannt) im Mikrometermaszligstab[29][30] Die einzel-nen Siliciumstaumlbchen sind in der Regel einige Mikrome-ter dick und ca 200 Mikrometer lang Strukturen aussenkrecht zu einer Traumlgerflaumlche angeordneten Staumlbchenzeigen gegenuumlber konventionellen Solarzellen aus Silici-um eine erhoumlhte Absorption von Sonnenlicht in einembreiten Spektralbereich vgl Schwarzes Silicium

Ein Beispiel fuumlr eine solche Solarzelle wurde 2010 voneiner Arbeitsgruppe um Harry Atwater vom CaliforniaInstitute of Technology vorgestellt Sie stellten uumlber 100Mikrometer lange Staumlbchen mithilfe der sogenanntenVLS-Technik[31] (von engl vapor -liquid -solid ) her uumlber-gossen diese anschlieszligend zur Stabilisierung mit durch-sichtigem biegsamem Kunststoff (PolydimethylsiloxanPDMS) und loumlsten danach die fertige Zelle von derPlatte[29] Diese Zellen zeigen wie zuvor erwaumlhnt eineerhoumlhte Absorption von insgesamt bis zu 85 des einfal-lenden Lichts uumlber einen groszligen Spektralbereich Die soerzeugten Solarzellen im Laborstatus haben einen hohenWirkungsgrad Ihre Herstellung verbraucht nur 1 Prozentder sonst zur Solarzellenproduktion uumlblichen Silicium-menge auszligerdem sind diese Solarzellen biegbar[32]

3 Andere Solarzellentypen

31 Duumlnnschichtzellen

Kleine amorphe Si-Duumlnnschichtsolarzelle auf Glas vier Zellenin Reihe

Duumlnnschichtzellen gibt es in verschiedenen Ausfuumlhrun-gen je nach Substrat und aufgedampften Materialien

Die Spannbreite der physikalischen Eigenschaften undder Wirkungsgrade ist entsprechend groszlig Duumlnnschicht-zellen unterscheiden sich von den traditionellen Solar-

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10 3 ANDERE SOLARZELLENTYPEN

Ruumlckseite (Schichtseite braun lackiert)

Solarzellentypen

zellen (kristallinen Solarzellen basierend auf Silicium-wafern) vor allem in ihren Produktionsverfahren unddurch die Schichtdicken der eingesetzten MaterialienDie physikalischen Eigenschaften amorphen Siliciumsdie von kristallinem Silicium verschieden sind beeinflus-sen die Solarzelleneigenschaften Manche Eigenschaftensind auch noch nicht vollstaumlndig verstanden

Auch bei kristallinen Solarzellen wird das Licht bereitsin einer duumlnnen Oberflaumlchenschicht (ca 10 microm) absor-biert Es liegt daher nahe Solarzellen sehr duumlnn zu fer-tigen Verglichen mit kristallinen Solarzellen aus Silici-umwafern sind Duumlnnschichtzellen etwa 100-mal duumlnner

Diese Duumlnnschichtzellen werden meist durch Abscheidenaus der Gasphase direkt auf einem Traumlgermaterial aufge-bracht Das kann Glas Metallblech Kunststoff oder auchein anderes Material sein Der aufwaumlndige im vorigenKapitel beschriebene Prozess des Zerschneidens von Si-liciumbloumlcken kann also umgangen werden

Das bisher gaumlngigste Material fuumlr Duumlnnschichtzellen istamorphes Silicium (a-SiH) Solche Duumlnnschichtmodu-le sind langlebige Produkte Freiluft-Tests zeigen sta-bile Wirkungsgrade uumlber mehr als zehn Jahre Moumlgli-che weitere Materialien sind mikrokristallines Silicium(microc-SiH) Gallium-Arsenid (GaAs) Cadmiumtellurid

(CdTe) oder Kupfer-Indium-(Gallium)-Schwefel-Selen-Verbindungen die so genannten CIGS-Solarzelle bzwCIS-Zellen wobei hier je nach Zelltyp S fuumlr Schwefel

oder Selen stehen kann Ein neuesMaterial das neu in derDuumlnnschichttechnologie Anwendung findet ist CZTS

Wirkungsgrade im Bereich von 20 (217 mit CIGS-Solarzellen siehe[33]) fuumlr kleine CIGS-Laborzellen (asymp 05cmsup2) sind durchaus moumlglich CIGS-Duumlnnschichtmodule

erreichen inzwischen aumlhnliche Wirkungsgrade wie Mo-dule aus polykristallinem Silicium (11ndash12 [34])Fuumlr Cadmiumtellurid-Zellen lag der Wirkungsgrad beiLaborzellen im August 2014 bei 21 [35]

Wichtiger sind oft die Kostenzu denen Stromaus den So-larzellen produziert werden kann dazu kommen wichti-ge Kriterien wie die Emission von Schadstoffen Aktuel-le Studien belegen dass Cadmiumtellurid-Duumlnnschicht-Solarzellen hier eine bessere Bilanz als konventionelle Si-liciumzellen aufweisen[36]

Eine weitere Staumlrke von Duumlnnschichtmodulen ist dasssie einfacher und groszligflaumlchiger produziert werden koumln-

nen insbesondere die Duumlnnschichtzellen aus amorphemSilicium Duumlnnschichtmodule sind nicht auf ein rigidesSubstrat wie Glas oder Aluminium angewiesen bei auf-rollbaren Solarzellen fuumlr den Wanderrucksack oder ein-genaumlht in Kleider wird ein geringerer Wirkungsgrad inKauf genommen der Gewichtsfaktor ist wichtiger als dieoptimale Lichtumwandlung

Zur Herstellung eignen sich Maschinen welche auchzur Herstellung von Flachbildschirmen eingesetzt wer-den Dabei werden Beschichtungsflaumlchen von uumlber 5 msup2erreicht Mit den Verfahren zur Herstellung von amor-phem Silicium laumlsst sich auch kristallines Silicium induumlnnen Schichten herstellen sogenanntes mikrokristal-lines Silicium Es vereint Eigenschaften von kristalli-nem Silicium als Zellenmaterial mit den Methoden derDuumlnnschichttechnik In der Kombination aus amorphemund mikrokristallinem Silicium wurden in den letztenJahren beachtliche Wirkungsgradsteigerungen erzielt

Ein Verfahren fuumlr die Fertigung kristalliner Duumlnnschicht-zellen aus Silicium ist CSG (Crystalline Silicon onGlass) dabei wird eine weniger als zwei Mikrometerduumlnne Siliciumschicht direkt auf einen Glastraumlger aufge-bracht die kristalline Struktur wird nach einer Waumlrme-behandlung erreicht Das Aufbringen der Stromfuumlhrungerfolgt mittels Laser- und Tintenstrahldrucktechnik Da-fuumlr wurde 2005 von der Firma CSG Solar eine Fabrika-tionsanlage in Deutschland gebaut Weil das Verfahrennicht wirtschaftlich zu betreiben war musste das Unter-nehmen nach kurzer Zeit seine Produktion einstellen Derchinesische Solarkonzern Suntech erwarb das Unterneh-men und seine Technologie hat aber 2011 die Aktivitauml-ten in diesem Bereich aufgegeben und das Unternehmengeschlossen[37]

Es werden derzeit Duumlnnschichtsolarzellen aus schwarzemSilicium entwickelt die einen etwa doppelten Wirkungs-grad erreichen sollen[38]

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34 Elektrochemische Farbstoff-Solarzelle 11

Schematischer Aufbau einer Konzentratorzelle

32 Konzentratorzellen

Bei Konzentratorzellen (auch Konzentrator-Photovoltaik engl Concentrated PV CPV) wird Halbleiterflaumlche ein-gespart indem das einfallende Sonnenlicht zunaumlchst

auf einen kleineren Bereich konzentriert wird Das er-reicht man durch Konzentratoren wie z B Linsen zu-meist Fresnel-Linsen oder auch Lichtleitkoumlrper die dieTotalreflexion nutzen[39][40] Diese sind im Vergleich zuHalbleitern bezogen auf die Flaumlche preiswerter Es kannsomit zu geringeren Kosten die Sonneneinstrahlung ei-ner groumlszligeren Flaumlche ausgenutzt werden Haumlufig verwen-dete Materialien fuumlr Konzentratorsolarzellen sind III-V-Halbleiter Zumeist werden Mehrfachsolarzellen (siehenaumlchster Abschnitt) verwendet die fuumlr vollflaumlchige So-larzellen unwirtschaftlich waumlren Sie arbeiten noch zu-verlaumlssig bei mehr als dem 500-fachen der Sonneninten-

sitaumlt Konzentratorsolarzellen muumlssen dem Sonnenstandnachgefuumlhrt werden damit ihre Optik die Sonnenstrah-lung auf die Zellen buumlndeln kann Zusaumltzlicher Effekt derLichtkonzentration ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wir-kungsgrades da die Leerlaufspannung ansteigt Die US-Energiebehoumlrde hat mit dieser Technik Wirkungsgradevon uumlber 40 erreicht[41][42]

33 Mehrfachsolarzellen

rarr Hauptartikel Tandem-Solarzelle

Mehrfachsolarzellen bestehen aus zwei oder mehr So-larzellen mit verschiedenem Material die monolithisch

uumlbereinander geschichtet sind Zweck dieser Anord-nung ist es den Wirkungsgrad der gesamten Anordnungzu erhoumlhen Die Wirkungsgrade bei Labormustern vonTandem-Konzentratorsolarzellen erreichten 2008 und2009 uumlber 40 So wurde am Fraunhofer Institut fuumlrSolare Energiesysteme ISE mit einer Mehrfachsolarzel-

le und 454-facher Konzentration ein Wirkungsgrad von411 erzielt[43]

34 Elektrochemische Farbstoff-Solarzelle

rarr Hauptartikel Graumltzel-Zelle

Bei Farbstoffsolarzellen auch bekannt als Graumltzel-Zellenwird der Strom anders als bei den bisher aufgefuumlhrtenZellen uumlber die Lichtabsorption eines Farbstoffes gewon-nen als Halbleiter kommt Titandioxid zum Einsatz Als

Farbstoffe werden hauptsaumlchlich Komplexe des seltenenMetalls Ruthenium verwendet zu Demonstrationszwe-cken koumlnnen aber selbst organische Farbstoffe zum Bei-spiel der Blattfarbstoff Chlorophyll oder Anthocyane (ausBrombeeren) als Lichtakzeptor verwendet werden (die-se besitzen jedoch nur eine geringe Lebensdauer) DieFunktionsweise der Zelle ist noch nicht im Detail geklaumlrtdie kommerzielle Anwendung gilt als recht sicher ist aberproduktionstechnisch noch nicht in Sicht

Konventionelle n-Typ-Farbstoffsolarzellen arbeiten miteiner Photoanode einer positiven Elektrode die mit ei-nem n-Halbleiter zB Titandioxid und einem Farbstoff

beschichtet ist Trifft Licht darauf werden die Farbstoff-molekuumlle angeregt und setzen Elektronen frei Ein Re-doxmediator der als Bestandteil des Elektrolyten zwi-schen den Elektroden frei beweglich ist regeneriert denFarbstoff Beim p-Typ (p-DSC p-dye-sensitized solarcell) laumluft der Prozess genau entgegengesetzt Ein spezi-eller Farbstoff und ein p-Halbleiter befinden sich auf ei-ner Photokathode Der durch Licht angeregte Farbstoffsaugt Elektronen aus dem Valenzband des p-HalbleiterszB Nickeloxid heraus Das uumlblicherweise eingesetz-te System aus Iodid und Tri-Iodid ersetzten Wissen-schaftler der Monash University der Commonwealth Sci-

entific and Industrial Research Organization (Australi-en) und der Universitaumlt Ulm durch den Kobalt-KomplexTris(12-diaminoethan)cobalt(IIIII) bei dem das Ko-balt zwischen den Oxidationsstufen +2 und +3 wech-seln kann Zellen auf dieser Basis erreichen dabei einehoumlhere Energieumwandlungseffizienz Ein weiterer An-satz um die Leistung von photovoltaischen Zellen zusteigern ist die Kombination einer n- und einer p-Typ-Farbstoffsolarzelle zu einer Tandem-Solarzelle[44]

35 Organische Solarzellen

rarr Hauptartikel Organische SolarzelleEine organische Solarzelle ist eine Solarzelle die aus

Werkstoffen der organischen Chemie besteht d h aus

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12 3 ANDERE SOLARZELLENTYPEN

Ein kommerziell erhaumlltliches flexibles Modul einer polymeren or- ganischen Solarzelle

Kohlenwasserstoff-Verbindungen (Kunststoffen) Diese

Verbindungen haben elektrisch halbleitende Eigenschaf-ten Der Wirkungsgrad mit dem Sonnenenergie inelektrische Energie umgewandelt wird liegt mit 120 (Stand Januar 2013)[45] noch unterhalb von dem von So-larzellen aus anorganischem Halbleitermaterial Organi-sche Solarzellen bzw Plastiksolarzellen wie sie auch ge-nannt werden sind aufgrund der Moumlglichkeiten hinsicht-lich guumlnstiger und vielseitiger Herstellungsverfahren einaktuelles Forschungsthema Die von den Herstellern die-ser Zellen auf Kunststoffbasis genannten Vorteile gegen-uumlber herkoumlmmlichen Siliciumsolarzellen sind

bull

Geringe Herstellungskosten aufgrund billiger Pro-duktionstechnologien

bull Hohe Stromausbeuten durch Duumlnnschicht-Groszligflaumlchentechnologien fuumlr Kunststoffe

bull Flexibilitaumlt Transparenz und einfache Handhabung(mechanische Eigenschaften von Kunststoffen)

bull Hohe Umweltvertraumlglichkeit (Kunststoffe auf Koh-lenstoffbasis)

bull Anpassung an das Sonnenspektrum durch gezieltePolymersynthese

bull bdquoBunteldquo Solarzellen fuumlr architektonische Stilele-mente

Im Vergleich zu den ersten organischen Solarzellen wur-den inzwischen viele Fortschritte erzielt

Das Material fuumlr diesen Solarzellentyp basiert auf or-ganischen Kohlenwasserstoffverbindungen mit spezifi-scher elektronischer Struktur dem konjugierten π-Elektronensystem welches den betreffenden Materiali-en die wesentlichen Eigenschaften amorpher Halblei-ter verleihen Typische Vertreter organischer Halbleitersind konjugierte Polymere und Molekuumlle wobei auch

speziell synthetisierte Hybridstrukturen verwendet wer-den Die ersten Kunststoffsolarzellen die aus konju-gierten Polymeren (Elektronendonatoren) und Fullerenen

(Elektronenakzeptoren) hergestellt wurden waren Zwei-Schicht-Solarzellen Diese Zellen bestehen aus einer duumln-nen Schicht des konjugierten Polymers auf die eineweitere duumlnne Schicht von Fullerenen aufgebracht wirdAus technologischer Sicht stellen konjugierte Polyme-re und funktionalisierte Molekuumlle auf Grund ihrer Pro-

zessierbarkeit aus der Fluumlssigphase attraktive Basisma-terialien fuumlr die kostenguumlnstige Massenproduktion flexi-bler PV-Elemente mit vergleichsweise einfacher Strukturdar Molekulare Halbleiter hingegen werden uumlblicherwei-se in vakuumgestuumltzten Aufdampfprozessen zu wohlde-finierten Mehrschichtsystemen verarbeitet und lassen dieHerstellung sequentiell abgeschiedener Halbleiterschich-ten und somit komplexere Zelltypen (z B Tandemzellen)zu

Die organische Photovoltaik (OPV) hat das technologi-sche Potenzial als sogenannte bdquoLow-cost Energy SourceldquoEinzug in die mobile Stromversorgung zu halten Dies

auch aufgrund der kostenguumlnstigen Massenfertigung aufBasis etablierter Druckverfahren Damit koumlnnte mit derorganischen Photovoltaik ein neuer Anwendungsbereicherschlossen werden bei gleichzeitig niedrigen Investiti-onskosten Die Firma Konarka Technologies GmbH inNuumlrnberg hatte 2009 erste organische Kollektoren fuumlrMobilgeraumlte auf den Markt gebracht[46]

36 Hybrid-Solarzelle

Eine Hybridsolarzelle ist eine Solarzelle die organischeund anorganische Bestandteile enthaumllt[47]

37 Fluoreszenz-Zelle

Fluoreszenz-Zellen sind Solarzellen die zunaumlchst in ei-ner Platte durch Fluoreszenz Licht groumlszligerer Wellenlaumlngeerzeugen um dieses an den Plattenkanten zu wandeln

38 Thermische Photovoltaik-Zellen(TPV)

Unter dem Namen Thermische Photovoltaik-Zellen(TPV) werden Zellen auf Basis von InP (fruumlher GaSb)verstanden die nicht Sonnenlicht verwerten sondernWaumlrmestrahlung also Licht wesentlich houmlherer Wel-lenlaumlnge Der Wirkungsgrad wurde dabei durch neuereArbeiten[48] bis auf 12 gesteigert (vorher maximal 9) Eine potentielle Anwendung solcher Zellen waumlre

die Verwertung von Waumlrme wie sie bei groszligtechnischenAnwendungen in groszligen Mengen entsteht und die bishermit zusaumltzlichem Aufwand entsorgt werden muss

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4 Geschichte

rarr Hauptartikel Geschichte der Photovoltaik

Die Nutzung der Sonne zur Gewinnung von elektrischerEnergie kann man grob in das Jahr 1839 datieren DerFranzose Alexandre Edmond Becquerel stellte fest dasseine Batterie wenn man sie dem Sonnenlicht aussetzteine houmlhere Leistung hat als ohne Sonnenlicht Er nutz-te den Potentialunterschied zwischen einer verdunkeltenund einer belichteten Seite einer chemischen Loumlsung indie er zwei Platinelektroden eintauchte Als er nun die-se Konstruktion in die Sonne stellte beobachtete er dassein Strom zwischen den zwei Elektroden entstand So ent-deckte er den photovoltaischen Effekt konnte ihn aller-dings noch nicht erklaumlren Spaumlter wies man nach dassauch andere Materialien wie Kupfer photoleitfaumlhig sind

Die Photoleitfaumlhigkeit wurde bei Selen 1873 nachgewie-sen Zehn Jahre spaumlter wurde die erste bdquoklassischeldquo Pho-tozelle aus Selen gefertigt Wiederum zehn Jahre spaumlter1893 wurde die erste Solarzelle zur Erzeugung von Elek-trizitaumlt gebaut

1904 entdeckte der oumlsterreichisch-ungarische PhysikerPhilipp Lenard dass Lichtstrahlen beim Auftreffen aufbestimmte Metalle Elektronen aus deren Oberflaumlche her-ausloumlsen und lieferte damit die ersten Erklaumlrungen fuumlrdenEffekt der Photovoltaik Ein Jahr spaumlter erhielt er den No-belpreis fuumlr Physik fuumlr die Erforschung des Durchgan-ges von Kathodenstrahlen durch Materie und fuumlr seineElektronentheorie Den endguumlltigen Durchbruch schaffte1905 Albert Einstein als er mit Hilfe der Quantentheo-rie die gleichzeitige Existenz des Lichtes sowohl als Welleals auch als Teilchen erklaumlren konnte Bis dahin glaubteman dass Licht nur als eine Energie mit unterschiedlicherWellenlaumlnge auftritt Doch Einstein stellte in seinen Ver-suchen die Photovoltaik zu erklaumlren fest dass sich Lichtin manchen Situationen genauso wie ein Teilchen verhaumlltund dass die Energie jedes Lichtteilchens oder Photonsnur von der Wellenlaumlnge des Lichts abhaumlngt Er beschriebdas Licht als eine Ansammlung von Geschossen die aufdas Metall treffen Wenn diese Geschosse genuumlgend En-

ergie besitzen wird ein freies Elektron das sich im Me-tall befindet und von einem Photon getroffen wird vomMetall geloumlst Auszligerdem entdeckte er dass die maxima-le kinetische Energie der losgeloumlsten Elektronen von derIntensitaumlt des Lichtes unabhaumlngig ist und nur durch dieEnergie des auftreffenden Photons bestimmt wird DieseEnergie haumlngt wiederum nur von der Wellenlaumlnge (oderder Frequenz) des Lichtes ab Fuumlr seine Arbeit zum pho-toelektrischen Effekt erhielt er 1921 den Nobelpreis fuumlrPhysik

Die Entdeckung des p-n-Uumlbergangs (Kristallgleichrich-ters) im Jahre 1947 durch William B Shockley Walther

H Brattain und John Bardeen war ein weiterer groszligerSchritt zur Solarzelle in ihrer heutigen Form Nach die-sen Entdeckungen stand dem Bau einer Solarzelle in ih-

rer heutigen Form nichts mehr entgegen Es ist jedocheinem gluumlcklichen Zufall zu verdanken dass diese ersteSolarzelle 1954 in den Laboratorien der amerikanischenFirma Bell gebaut wurde Die Mitarbeiter der Firma (un-ter Teamleiter Morton Price) beobachteten als sie einenGleichrichter der mit Hilfe von Silicium arbeitete un-

tersuchten dass dieser mehr Strom lieferte wenn er inder Sonne stand als wenn er zugedeckt war Bei Bell er-kannte man schnell den Nutzen dieser Entdeckung zurVersorgung des Telefonnetzes von laumlndlichen Regionenmit Strom was bis dahin noch mit Batterien geschah DieFirma Bell genauer Daryl Chapin Calvin Souther Fullerund Gerald Pearson entwickelte 1953 die erste mit Arsendotierte Solarzelle auf Siliciumbasis welche einen Wir-kungsgrad von etwa 4 besaszlig Durch den Wechsel desDotierungsmittels konnte der Wirkungsgrad auf etwa 6 erhoumlht werden

Modell von Vanguard 1

Die Raumfahrt erkannte sehr schnell den Nutzen derSolartechnik und ruumlstete 1958 zum ersten Mal einenSatelliten mit Solarzellen aus Vanguard 1 startete am17 Maumlrz 1958 und war erst der vierte Satellit uumlber-haupt Er besaszlig ein Solarpanel welches mit 108 Silicium-Solarzellen ausgestattet war Diese dienten nur als Lade-

station der Akkus und nicht zur direkten Stromversor-gung Dabei wurde errechnet dass die Zellen einen Wir-kungsgrad von 105 besaszligen Die Konstrukteure hatteneine geringere Energieausbeute und eine kuumlrzere Lebens-dauer angenommen so dass man diesen Satelliten nichtmit einem bdquoAusschalterldquo versehen hatte Erst nach achtJahren stellte der Satellit aufgrund von Strahlenschaumldenseinen Betrieb ein

Kurz darauf entstand die CdS-Cu2S-Solarzelle die bisAnfang der 1990er noch in Satelliten eingesetzt wurdenHeutige Satelliten sind zum Vergleich mit Vanguard I mitrund 40000 Solarzellen ausgestattet

Im Weltraum steht der natuumlrlichen Sonnenstrahlung imVergleich zur Erdoberflaumlche nichts entgegen keine Wol-kendecken und keine Strahlung absorbierende und mehr

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14 5 FORMEN UND GROumlszligEN

oder weniger verschmutzte Atmosphaumlre die das Sonnen-licht behindert Andererseits fuumlhren die extremen Strah-lungsverhaumlltnisse im Weltraum zu einer staumlrkeren Degra-dation der Solarzellen als es auf der Erde der Fall ist Seit-her versuchen Industrie und Forschung immer groumlszligereWirkungsgrade zu erreichen und zugleich die Degradati-

on und Strahlungsresistenz zu verbessern

Grafik Juno vor dem Jupiter

Uumlblicherweise werden Raumsonden im inneren Sonnen-system durch Solarzellen mit Strom versorgt Dadurchdass heutige fuumlr Raumfahrtzwecke verwendete Solarzel-len nicht nur 50 effizienter sondern auch strahlungs-resistenter als die noch vor 20 Jahren verwendeten Sili-

ciumzellen sind[49] kann im Jahr 2011 die RaumsondeJuno als erste mit Solarzellen ausgeruumlstete Raumsondezum in Strahlung getauchten Planeten Jupiter starten

Durch die Verwendung reineren Siliciums und bessererDotierungsmoumlglichkeiten wurde der Wirkungsgrad ge-steigert und die Lebensdauer erhoumlht Mandelkorn undLamneck verbesserten die Lebensdauer der Zellen 1972durch eine Reflexion der Minoritaumltsladungstraumlger in demsie ein sogenanntes back surfaces field (BSF) in die p-leitende Schicht einbrachten 1973 stellten Lindmayerund Ellison die sog violette Zelle vor die bereits ei-nen Wirkungsgrad von 14 besaszlig Durch das Reduzie-

ren des Reflexionsvermoumlgens wurde 1975 der Wirkungs-grad auf 16 gesteigert Diese Zellen heiszligen CNR-Solarzellen (englisch Comsat Non Reflection Comsat =Telefonsatellit ) und wurden fuumlr Satelliten entwickelt In-zwischen sind von Green sowie an der Stanford Univer-sitaumlt und bei Telefunken Solarzellen mit Wirkungsgradenum 20 entwickelt worden Der theoretische Wirkungs-grad fuumlr Silicium-Solarzellen liegt bei 29 fuumlr die Strah-lungsverhaumlltnisse in mittleren Breiten Zu den Wirkungs-graden siehe auch technische Merkmale

Maszliggeblicher Anstoszlig fuumlr diese Entwicklung war Anfangder Siebziger die Vervierfachung des Oumllpreises Nach

dieser Preissteigerung rief Richard Nixon 1974 ein For-schungsprogramm ins Leben welches sich mit regenera-tiven Energien auseinandersetzte Bis dahin kostete jedes

Watt 200 Dollar und war somit nicht konkurrenzfaumlhigUm die Akzeptanz und das Vertrauen bei der Bevoumllke-rung zu gewinnen wurden Anfang der 1980er Rennenmit Solarmobilen ausgetragen und im Juli 1981 uumlber-querte ein mit Solarkraft angetriebenes Flugzeug den Aumlr-melkanal

Duumlnnschichtmodule aus amorphenSilicium ermoumlglichtendie autonome Versorgung von Taschenrechnern Uhrenund anderen Kleinverbrauchern

Module mit kristallinen Zellen wurden zunaumlchst fuumlr Insel-Systeme mit 12 V Systemspannung auf der Basis einerBleibatterie genutzt Ab 1990 begann in Deutschland mitdem 1000-Daumlcher-Programm der groszligflaumlchige Einsatz innetzgekopplten Systemen

Bis gegen Ende der 1990er Jahre waren Zellen mit et-wa 100 mm Kantenlaumlnge (im Fachjargon auch Vier-Zoll-Zellen genannt) und 36 Zellen pro Modul fuumlr 12-V-

Systeme die uumlblichste Baugroumlszlige Danach wurden 125-mm-Zellen (5rdquo) verstaumlrkt fuumlr Module mit 72 Zellen fuumlr 24V Systemspannung genutzt und seit etwa 2002 sind 156-mm-Zellen (Kantenlaumlnge 156 mm bzw 6 Zoll) fuumlr Stan-dardmodule mit typisch 60 Zellen die gaumlngige Groumlszlige[50]

Versuche zur Einfuumlhrung von 8-Zellen wurden abge-brochen da die mechanische Stabilitaumlt eine Erhoumlhungder Waferdicke und damit des Materialeinsatzes erfor-dert haumltte

Ab 2007 konnten Duumlnnschichtmodule mit Zellen aus Cd-Te der Firma FirstSolar einen Preisrutsch fuumlr Solarmo-dule ausloumlsen Werke fuumlr Module mit CIS- und CIGS-

Zellen wurden aufgebaut Aber seit 2012 haben Moduleaus kristallinem Silicium gefertigt in China mit ihremKostenvorteil zusammen mit der inzwischen gesichertenVersorgung mit ausreichend Rohsilicium den Markt er-obert

5 Formen und Groumlszligen

Zu Beginn der Kommerzialisierung der Solartechnikwurden haumlufig runde Zellen eingesetzt deren Ursprung

von den meist runden Siliciumstaumlben der Computerin-dustrie herruumlhrt Inzwischen ist diese Zellenform relativselten und es werden quadratische Zellen oder fast qua-dratische mit mehr oder weniger abgeschraumlgten Eckeneingesetzt Als Standardformate werden derzeit Wafermit einer Kantenlaumlnge von 125 und 156 mm prozessiertkuumlnftig sollen aber auch Zellen mit einer Kantenlaumlnge von210 mm Bedeutung erlangen

Durch Saumlgen der fertig prozessierten Zellen entstehen fuumlrspezielle Anwendungen im Kleingeraumltebereich auch Zel-len mit kleineren Kantenlaumlngen Sie liefern annaumlhernd diegleiche Spannung wie die groszligen Zellen jedoch entspre-

chend der kleineren Flaumlche einen kleineren StromIm EFG-Verfahren werden auch Zellen hergestellt beidenen die Seiten des entstehenden Rechtecks nicht die

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61 Thermodynamisches Limit I 15

gleichen Laumlngen haben

6 Wirkungsgrad

Vergleich der praktisch erzielbaren Wirkungsgrade verschie-

dener Solarzellen und deren zeitliche Entwicklung Die vio-letten Kurven im oberen Bereich stellen sogenannte Tandem-Solarzellen eine Kombination verschiedener pn-Uumlbergaumlnge dar

Der Wirkungsgrad η einer Solarzelle ist das Verhaumlltnisder von ihr erzeugten elektrischen Leistung P elektrisch undder Leistung der einfallenden Strahlung P Licht

η = P elektrisch

P Licht

Der maximale Wirkungsgrad η einer Solarzelle ist vom

Bandabstand und der Anzahl der auf verschiedene Spek-tralbereiche optimierten pn-Uumlbergaumlnge abhaumlngig Bei ei-nem pn-Uumlbergang ist bei optimalem Bandabstand unddarauf in der Wellenlaumlnge abgestimmtem Licht theo-retisch ein Wirkungsgrad von bis zu 41 erzielbarIn praktischen Anwendungen liegen tatsaumlchlich erziel-bare Wirkungsgrade um und unter 25 Bei Tandem-Solarzellen welche durch mehrere unterschiedliche pn-Uumlbergaumlnge groumlszligere Spektralbereiche abdecken koumlnnenkoumlnnen die Gesamtwirkungsgrade aller pn-Uumlbergaumlnge inSumme auch uumlber der theoretischen Grenze von 41 liegen

Der Rekord fuumlr im Labor hergestellte Silicium-Solarzellen liegt bei 247 Prozent (University of NewSouth Wales Australien) mit denen Module mit uumlber22 Prozent Wirkungsgrad hergestellt wurden DieDegradation des Wirkungsgrades (Alterungsverhalten)liegt bei ca 10 Prozent in 25 Jahren Hersteller gebenbeispielsweise Garantien auf mindestens 80 Prozent derPeak-Leistung nach 20 Jahren

Im Weltraum ist einerseits die Solarkonstante groumlszliger alsdie Globalstrahlung auf der Erde andererseits altern dieSolarzellen schneller Solarpanele fuumlr Satelliten erreichenzur Zeit (2005) einen Wirkungsgrad von fast 25 [51] bei

einer Betriebszeit von 15 JahrenEin hoher Wirkungsgrad ist erstrebenswert weil er beigleichen Lichtverhaumlltnissen und gleicher Flaumlche zu einer

groumlszligeren Ausbeute an elektrischem Strom fuumlhrt Fuumlr jedeMaschine die auf der Erde aus Sonnenlicht oder auf an-dere Weise mechanische oder elektrische Arbeit erzeugt(z B Aufwindkraftwerke Stirlingmotoren etc) gilt einthermodynamisches Limit

61 Thermodynamisches Limit I

Die groumlbste Abschaumltzung des Wirkungsgrades erhaumllt mandurch den Carnot-Wirkungsgrad Er beschreibt den ma-ximalen Wirkungsgrad den eine beliebige physikalischeMaschine erreichen kann wenn sie ihre Energie aus derTemperaturdifferenz von zwei Waumlrmebaumldern beziehtDer Carnot-Wirkungsgrad ergibt sich aus der Tempera-tur T warm des waumlrmeren Bades und der Temperatur T kalt

des kaumllteren Bades gemaumlszlig

η = 1 minusT kalt

T warm

Im Falle der Solarzelle ist das waumlrmere Energiebaddie Sonnenoberflaumlche mit einer Temperatur von etwa5800 K und das kaumlltere Bad die Solarzelle mit einerTemperatur von 300 K Daraus ergibt sich ein Carnot-Wirkungsgrad von 95 Im Weltraum genutzte Solarzel-len haben infolge der houmlheren Temperaturdifferenz ent-sprechend houmlhere Wirkungsgrade

62 Thermodynamisches Limit II

Die Abschaumltzung im obigen Abschnitt vernachlaumlssigtdass die Energie von der Sonne zur Solarzelle durchStrahlung uumlbertragen wird In einem ausfuumlhrlicheren Mo-dell setzt man vor die Solarzelle einen Absorber Dieserabsorbiert die Strahlung der Sonne und strahlt selber ei-nen kleinen Teil der Waumlrmestrahlung wieder an die Sonneab Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz flieszligt somit ins-gesamt die Waumlrmeleistung

σT 4Sonne minus σT 4Absorber

von der Sonne zum Absorber wobei σ die Stefan-Boltzmann-Konstante ist Nach dem Carnot-Wirkungsgrad kann der Absorber von dieser Waumlrme nurden Anteil

1 minusT Solarzelle

T Absorber

in elektrische Arbeit uumlberfuumlhren Der Wirkungsgrad be-stimmt sich nun aus diesem Anteil und der gesamten vonder Sonne abgestrahlten Leistung σT 4Sonne zu

η =

9830801 minus

T 4Absorber

T 4Sonne

983081 middot

9830801 minus

T Solarzelle

T Absorber

983081

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16 7 TECHNISCHE MERKMALE

Bei einer Temperatur von 5800 K fuumlr die Sonnenober-flaumlche und 300 K Umgebungstemperatur wird der Wir-kungsgrad bei einer Absorbertemperatur von etwa 2500K maximal und betraumlgt 85 [57]

63 Shockley-Queisser-Grenze

0 1 2 30

10

20

30

m a

x

W i r k u n g s g r a d i n

Bandabstand in eV

Maximaler Wirkungsgrad als Funktion des Bandabstandes wiees die Shockley-Queisser-Grenze beschreibt

rarr Hauptartikel Shockley-Queisser-Grenze

Die Shockley-Queisser-Grenze betrachtet den fuumlr Solar-zellen typischen Anregungsprozess von Elektronen in ei-nem Halbleiter In einer Solarzelle wird dadurch Licht in

elektrische Energie umgewandelt dass das Licht Elek-tronen aus dem Valenzband in das Leitungsband anregtNur ein schmaler Ausschnitt des angebotenen Energie-spektrums wird genutzt Der theoretische Grenzwert en-ergieselektiver Zellen ist deshalb kleiner als das thermo-dynamische Limit eines Gesamtsystems

Entscheidend fuumlr die Energie die man pro angeregtemElektron gewinnen kann ist dabei die Groumlszlige der Bandluuml-cke E g des Halbleiters Unabhaumlngig davon wie weit dasElektron uumlber die untere Kante des Leitungsbandes an-geregt wird erhaumllt man pro Elektron maximal die Ener-gie der Bandluumlcke als elektrische Energie Bei der elektri-

schen Leistung die man aus allen angeregten Elektronengewinnt muss man beruumlcksichtigen dass bei einer klei-nen Bandluumlcke mehr Elektronen erzeugt werden Bei ei-ner groszligen Bandluumlcke hat jedes einzelne Elektron dafuumlrmehr Energie Es muss daher ein Kompromiss aus fol-genden Grenzfaumlllen gefunden werden

bull Groszlige Bandluumlcke Nur energiereiches Licht (blauesund ultraviolettes Licht) kann Elektronen erzeugenda laumlngere Wellenlaumlngen nicht absorbiert werdenWegen der groszligen Bandluumlcke besitzt jedes Elektroneine hohe Energie

bull Kleine Bandluumlcke Auch langwelliges Licht kannElektronen anregen so dass insgesamt viele Elektro-

nen ins Leitungsband angeregt werden Diese ver-lieren jedoch durch Stoszligprozesse mit dem Kristall-gitter in wenigen hundert Femtosekunden einen Teilihrer Energie bis sie nur noch die Energie der Band-luumlcke besitzen

Die Shockley-Queisser-Grenze gilt fuumlr den Fall einer Zel-le mit nur einem pn-Uumlbergang Mit sogenanntenTandem-Solarzellen (englisch multi-junction solar cell ) in de-nen mehrere pn-Uumlbergaumlnge mit verschiedenen Band-luumlcken kombiniert sind koumlnnen prinzipiell auch houml-here Wirkungsgrade erreicht werden siehe AbschnittMehrfachsolarzellen

7 Technische Merkmale

Die Kenngroumlszligen einer Solarzelle werden fuumlr normierteBedingungen die Standard-Testbedingungen haumlufig ab-gekuumlrzt STC (englisch Standard Test Conditions ) angege-ben

bull Einstrahlungsstaumlrke von1000 Wmsup2in Modulebene

bull Temperatur der Solarzelle 25 degC konstant

bull Strahlungsspektrum AM 15 global DIN EN 61215IEC 1215 DIN EN 60904 IEC 904

Dabei steht AM 15 global fuumlr den Begriff Air Mass die

15 dafuumlr dass die Sonnenstrahlen das 15-fache der At-mosphaumlrenhoumlhe durchlaufen weil sie schraumlg auftreffenDas entspricht sehr gut den sommerlichen Gegebenhei-ten in Mitteleuropa von Norditalien bis MittelschwedenIm Winter steht die Sonne in unseren Breiten erheblichtiefer und ein Wert von AM 4 bis AM 6 ist hier realisti-scher

Durch die Absorption in der Atmosphaumlre verschiebt sichauch das Spektrum des auf das Modul treffenden Lich-tes bdquoGloballdquo steht fuumlr Globalstrahlung die sich aus demDiffus- und dem Direktstrahlungsanteil der Sonne zusam-mensetzt

Dabei ist zu beachten dass in der Realitaumlt insbesonderedie Zellentemperatur bei einer solchen Einstrahlung diein Deutschland im Sommer zur Mittagszeit erreicht wirdbei normalem Betrieb wesentlich houmlher liegt (je nach An-bringung Windanstroumlmung etc kann sie zwischen etwa30 und 60 degC liegen) Eine erhoumlhte Zellentemperatur be-deutet aber gleichzeitig einen herabgesetzten Wirkungs-grad der Solarzelle Aus diesem Grund wurde auch eineweitere Bezugsgroumlszlige geschaffen PNOCT die Leistungbei normaler Betriebstemperatur (normal operating celltemperature)

Gebraumluchliche Abkuumlrzungen fuumlr die Bezeichnungen sind

bull SC Short Circuit ndash Kurzschluss

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71 Schaltbilder 17

Stromstaumlrke I Leistung P

e r z e u g

t e L e i s

t u n g

Spannung U

o h

n e

B e l e

u c h t u

n g

m i t

B e l e

u c h t u

n g

Kurzschluszligstrom

Leerlaufspannung

Punkt maximaler

Leistung

oc

I

I

mp UU

mp

sc

Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzelle beleuchtet und un-beleuchtet

bull OC Open Circuit ndash Leerlauf

bull MPP Maximum Power Point ndash Betriebspunkt ma-ximaler Leistung

bull PR Performance Ratio Qualitaumltsfaktor der an-gibt welcher Teil des vom Solargenerator erzeug-ten Stromertrages (unter Nennbedingungen) real zurVerfuumlgung steht

Die Kennwerte einer Solarzelle sind

bull Leerlaufspannung U OC (auch V OC )

bull Kurzschlussstrom I SC

bull Spannung im bestmoumlglichen Betriebspunkt U MPP

(auch V MPP )

bull Strom im Betriebspunkt mit maximaler LeistungI MPP

bull Maximale erzielbare Leistung P MPP Solarzellenher-steller geben diese unter standardisierten Bedin-gungen maximal erzielbare Leistung in der Einheit

kWp sprich bdquoKilowatt-Peakldquo an

bull Fuumlllfaktor F F = PMPPU OCmiddotI SC

bull Koeffizient fuumlr die Leistungsaumlnderung mit der Zell-temperatur

bull Zellwirkungsgrad η = P MPPAmiddotE e

mit der bestrahlten Flauml-che A und der Bestrahlungsstaumlrke E e

Solarzellen koumlnnen also eine Leistung von sehr grob 160Wmsup2 abgeben Eingebaut in ein Modul ist die Leistung

pro Flaumlche geringer da zwischen den Zellen und zumModulrand Abstaumlnde vorhanden sind Im Weltraum wirdeine Leistung von 220 Watt pro Quadratmeter erzielt[58]

Schaltsymbol einer Fotodiode

Schaltzeichen und einfaches Ersatzschaltbild einer Solarzelle

71 Schaltbilder

Das Schaltsymbol einer Solarzelle gibt wie das Schalt-symbol einer Diode oder Photodiode mit einem Pfeil

die technische Stromrichtung zur Verschaltung an DerKennlinienverlauf einer realen Solarzelle weicht aller-dings von der einer idealen Fotodiode ab Um die-se Abweichungen zu modellieren existieren mehrereErsatzschaltbilder

711 Vereinfachtes Ersatzschaltbild

Das Schaltbild besteht zunaumlchst nur aus einerStromquelle die parallel zu einer idealen Diode ge-schaltet wird Diese produziert einen Strom der vonder Bestrahlungsstaumlrke abhaumlngt und den Photostrom I ph

modelliert Die Gesamtstromstaumlrke ergibt sich damit mitdem Diodenstrom I D (siehe Diode) zu

I = I ph minus I D = I ph minus I S

983131e

U DnmiddotU T minus 1

983133

712 Erweitertes Ersatzschaltbild (Ein- undZweidiodenmodell)

Das erweiterte Ersatzschaltbild nimmt Ruumlcksicht auf rea-le Faktoren des Bauelementes die durch die Fertigung

entstehen Mit diesen Modellen soll ein moumlglichst rea-listisches Modell der tatsaumlchlichen Solarzelle geschaffenwerden Beim Eindiodenmodell wird so das vereinfach-

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18 9 UMWELTSCHUTZ

Eindiodenmodell einer Solarzelle

te Ersatzschaltbild zunaumlchst nur durch einen parallel undeinen in Reihe geschalteten Widerstand ergaumlnzt

bull Der Parallelwiderstand Rp symbolisiertKristallfehler nichtideale Dotierungsverteilungenund andere Materialdefekte durch dieVerluststroumlme entstehen die den p-n-Uumlberganguumlberbruumlcken Bei Solarzellen aus guter Herstellungist dieser Widerstand relativ groszlig

bull Mit dem Serienwiderstand Rs werden alle Effektezusammengefasst durch die ein houmlherer Gesamtwi-derstand des Bauelementes entsteht Das sind haupt-saumlchlich der Widerstand des Halbleitermaterials derWiderstand an den Kontakten und der ZuleitungenDiese Groumlszlige sollte bei gefertigten Solarzellen moumlg-lichst gering sein

Die Formel fuumlr den Gesamtstrom ist fuumlr dieses Modellbereits eine rekursive Funktion und lautet

I = I phminusI dminusU p

Rp= I phminusI S

983131eU +RsmiddotInmiddotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

Beim Uumlbergang zum Zweidiodenmodell fuumlgt man ei-

Zweidiodenmodell mit spannungsgesteuerter Stromquelle fuumlr denLawinendurchbruch in Sperr-Richtung

ne weitere Diode mit einem anderen Idealitaumltsfaktor nein Normalerweise werden diese uumlber die Werte 1 und2 angesetzt Weiterhin lassen sich alle diese Modellebei Betrieb in Sperr-Richtung durch eine spannungsge-steuerte Stromquelle ergaumlnzen um den Lawinendurch-bruch zu modellieren Die Formeln fuumlr die Stroumlme beim

Zweidiodenmodell lauten dann bei Anpassungsleitwert g Durchbruchspannung U und Lawinendurchbruchex-ponent n

I = I phminusI bminusI S1

983131eU +RsmiddotIn1middotU T minus 1

983133minusI S2

983131eU +RsmiddotIn2middotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

I b = gb middot

(U + Rs middot I )

Rpmiddot983080

1 minus

U + Rs middot I

U b983081minusnb

8 Energetische Amortisation undErntefaktoren

Siehe auch Erntefaktor

Die energetische Amortisationszeit ist der Zeitpunkt zudem die fuumlr die Herstellung einer Photovoltaikanlage auf-gewandte Primaumlrenergie durch selbige wieder erzeugt

wurde Da die bei der Produktion genutzte elektrischeEnergie zu den Sekundaumlrenergien zaumlhlt wird diese mitdem Wirkungsgrad eines fossilen Kraftwerkes in Pri-maumlrenergie umgerechnet Dementsprechend erfolgt dieseUmrechnung auch bei der erzeugten elektrischen Energieder Solarzelle Analog kann man sich vorstellen dass diePhotovoltaikanlage den Strom aus einem konventionellenKraftwerk ersetzt[59]

Die energetische Amortisationszeit von Photovoltaikan-lagen betraumlgt derzeit (Stand 2013) nach einer Studie vonPeng et al global betrachtet zwischen 075 und 35 Jah-ren je nach Standort und verwendeter Photovoltaiktech-

nologie Der Mittelwert schwankt im Bereich von ca15 bis 25 Jahren Dies bedeutet in diesem Zeitraumhat die Photovoltaikanlage wieder die Energie hereinge-spielt die insgesamt waumlhrend ihres gesamten Lebenszy-klus verbraucht wurde Beruumlcksichtigt sind also die Her-stellung der Anlagen ihr Transport die Errichtung Be-trieb und der Ruumlckbau bzw Recycling Die rechnerischenCO2-Emissionen von Photovoltaikanlagen je nach Tech-nik und Standort zwischen 105 und 50 g CO2kWh mitDurchschnitten im Bereich 35 bis 45 g CO2kWh AlsLebensdauer wurde in der Studie 30 Jahre fuumlr Moduleauf Basis kristalliner Siliciumzellen und 20-25 Jahren fuumlr

Duumlnnschichtmodule angenommen fuumlr Lebensdauer derWechselrichter wurden 15 Jahre angenommen[60] Photo-voltaikanlagen liefern demnach waumlhrend ihrer Betriebs-zeit ein Vielfaches der Energie die zu ihrer Herstellungurspruumlnglich aufgewandt wurde

9 Umweltschutz

Die Herstellung photovoltaischer Solarzellen ist ein che-mischer Prozess bei dem gasfoumlrmige fluumlssige und fes-te Chemikalien zum Einsatz kommen die gesundheits-

und umweltschaumldlich sind Aus diesem Grund ist ein ho-her Standard der Prozesssicherheit zentral Unter Ar-beitsschutzaspekten ist eine sichere Ablufterfassung und

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Reinigung zu gewaumlhrleisten Bei dem Einsatz von Nass-waumlschern wird die Abluft durch ein fluumlssiges Absorpti-onsmedium geleitet Wenn dieses aufgebraucht ist ent-steht eine weitere Abwasserquelle neben den Aumltzloumlsun-gen aus der Produktion Diese muumlssen innerbetrieblichwiederaufbereitet oder spezialisierten Entsorgern uumlber-

geben werden Bei der Herstellung von Duumlnnschicht-halbleitern kommt es an den Waumlnden und Aufbautender Prozesskammer zu siliciumhaltigen AblagerungenDie Ruumlckstaumlnde muumlssen regelmaumlszligig entfernt werden dasie den Prozess stoumlren und zu Qualitaumltseinbuszligen fuumlh-ren Zum Entfernen der Ruumlckstaumlnde verwendet manSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid als Reini-gungsgase Beide Gase sind zwar ungiftig gleichwohlaber sehr starke Treibhausgase[61] In der Zellproduk-tion muumlssen die Reinigungsgase mit hoher Volumen-flussrate eingesetzt werden da sie chemisch sehr sta-bil sind und im Plasma zu weniger als 10 in rei-

nigungsaktive Radikale zerfallen Ein Groszligteil des Ga-ses bleibt somit ungenutzt und muss kostenintensiv ent-sorgt werden Zum Teil entweicht es ndash gewollt oder un-gewollt ndash direkt in die Umwelt Hieraus erklaumlrt sichu a auch der kuumlrzlich gemessene starke Anstieg derStickstofftrifluoridkonzentration in der Hochatmosphauml-re besonders uumlber Ost- und Suumldostasien An Stelle vonSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid kann auchdas sehr reaktive Halogen Fluor als Reinigungsgas ver-wendet werden Fluor ist sehr giftig es ist jedoch keinTreibhausgas Auszligerdem laumlsst es sich sehr leicht undruumlckstandsfrei aus Abgasstroumlmen entfernen

Einige Solarzelltypen verwenden anstelle von SiliciumStoffe wie z B toxisches oder karzinogenes CadmiumArsen bzw deren Verbindungen sowie Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid Ein typisches Cadmiumtellurid-Solarmodul enthaumllt zum Beispiel ca 22 g des gefaumlhrli-chen Schwermetalls Cadmium und 25 g Tellur pro msup2Zellflaumlche[62] Bei der Produktion werden beide Sub-stanzen durch Co-Verdampfung auf das Traumlgermaterialaufgebracht Die Co-Verdampfung ist ein ungerichteterProzess bei dem die gesamte Innenoberflaumlche derBeschichtungskammer mit Duumlnnschichten aus TellurCadmiumtellurid Cadmiumsulfid und Antimontelluriduumlberzogen werden Der Materialverbrauch erhoumlht sich

dadurch um mindestens weitere 40

Bei der regelmaumlszligigen Reinigung der Produktionskam-mer mit waumlssriger Saumlure ndash die Reinigung erfolgt ma-nuell ndash werden die Ruumlckstaumlnde in eine waumlssrige Louml-sung uumlberfuumlhrt Neben der eigentlichen Zellprodukti-on stellt also auch die Reinigung der Produktions-anlagen eine Herausforderung an Umweltschutz undArbeitsschutz dar[63][64][65][66][67] Eine neuere Unter-suchung versucht die geringere Gefaumlhrdung die vonCadmiumtellurid-Zellen im Vergleich zur Kohleverbren-nung ausgeht nachzuweisen[36] Produktionsruumlckstaumln-de und Emissionen koumlnnen zu Langzeitschaumlden und

Altlasten fuumlhren Gleiches gilt bei unsachgemaumlszliger Ent-sorgung fuumlr die Altzellen Die Photovoltaik unterschei-

det sich in diesem Aspekt von anderen Technologien zurNutzung regenerativer Energien

10 Sicherheitsbetrachtung

Fuumlr Schutzmaszlignahmen im Brandfall und Blitzeinschlagsiehe Photovoltaikanlage

11 Siehe auch

bull Halbleiterdetektor

bull Sonnensimulator (Photovoltaik)

12 Literatur

bull Christoph Brabec Organic photovoltaics ndash mate-rials device physics and manufacturing technolo-gies Wiley-VCH Weinheim 2008 ISBN 978-3-527-31675-5

bull Guillermo Diaz-Santanilla Technik der Solarzelle ndashphysikalische Grundlagen Eigenschaften und Ap-plikationen Franzis Muumlnchen 1984 ISBN 3-7723-7371-2

bull Heinrich Haumlberlin Photovoltaik Strom aus Son-nenlicht fuumlr Verbundnetz und Inselanlagen 2 we-sentlich erweiterte und aktualisierte Auflage VDE Electrosuisse Berlin Fehraltorf 2010 ISBN 978-3-8007-3205-0 (VDE) ISBN 978-3-905214-62-8(Electrosuisse)

bull Tom Markvart Luis Castantildeer Solar cells ndash mate-rials manufacture and operation Elsevier Oxford2006 ISBN 1-85617-457-3 (englisch)

bull Volker Quaschning Regenerative Energiesysteme 8Auflage Hanser Muumlnchen 2013 ISBN 978-3-446-

43526-1

bull Viktor Wesselak Sebastian Voswinckel Photovol-taik Wie Sonne zu Strom wird Daten FaktenHintergruumlnde Springer Vieweg Berlin 2012 ISBN978-3-642-24296-0 (= Technik im Fokus )

bull Viktor Wesselak Thomas Schabbach ThomasLink Joachim Fischer Regenerative Energietech-nik 2 erweiterte und vollstaumlndig neu bearbeite-te Auflage Springer Vieweg Berlin Heidelberg2013 ISBN 978-3-642-24165-9

bull Peter Wuumlrfel Physik der Solarzellen SpektrumAkademischer Verlag Heidelberg 2000 ISBN 3-8274-0598-X (= Spektrum Hochschultaschenbuch)

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20 14 EINZELNACHWEISE

13 Weblinks

Commons Solarzelle ndash Album mit Bildern Videosund Audiodateien

Wikibooks Herstellung von Solarzellen ndash Lern-

und Lehrmaterialien

bull Die Solarmaus ndash Entstehung der Solarzelle mit Ar-min Maiwald (YouTube-Video)

bull PV-Education ndash detaillierte Online-Vorlesung mitGrundlagen und Anwendungen zur PV (englisch)

bull Photovoltaik ndash Innovationen (BINE Informations-dienst)

14 Einzelnachweise

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[2] anorganisch-organische Hybridzellen mit einfacher Her-stellung

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[13] CIGS DUumlNNSCHICHT-TECHNOLOGIE ERZIELT WELT-REKORDEFFIZIENZ VON 174 Pressemitteilung derFirma Q-Cells vom 29 November 2011 abgerufen am 14Februar 2012

[14] Neuer Weltrekord fuumlr organische Solarzellen Heliatek be-hauptet sich mit 12 Zelleffizienz als Technologiefuumlhrer Pressemitteilung der Firma Heliatek vom 16 Januar 2013

[15] Billig-Solarzellen revolutionieren Strombranche

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[25] Quadrieren und Brikettieren Infoseite der Firma SwissWafers abgerufen am 17 April 2010

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[27] Ziehen oder Saumlgen ndash ein Systemvergleich

[28] Eicke Weber neuer Leiter des Fraunhofer-Instituts fuumlr So-lare Energiesysteme ISE Fraunhofer-Gesellschaft 6 Juli2006 abgerufen am 22 April 2010 (Presseinformation)

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[47] Hybridsolarzellen auf der Basis von anorganischenHalbleiter-Nanopartikeln und leitfaumlhigen Polymeren Carlvon Ossietzky Universitaumlt Oldenburg Institut fuumlr Physik

[48] httpwwwciphotonicscomPress_ReleasesTPV_Groundbreaking_thermo_photovoltaicpdf PDF-Datei

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[62] Eine typische CdTe-Solarzelle besteht aus fuumlnf Einzel-schichten Im Einzelnen sind das eine ca 8 μm dickeCdTe-Absorberschicht eine ca 100 nm dicken CdS-Zwischenschicht sowie zwei 20 bzw 100 nm dicken Te-und Antimontellurid (Sb2Te3-Duumlnnschichten)

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22 14 EINZELNACHWEISE

[64] D L Morgan C J Shines S P Jeter M E BlazkaM RElwell R E Wilson S M Ward H C Price PD Moskowitz Comparative Pulmonary Absorption Dis-tribution and Toxicity of Copper Gallium Diselenide Cop-

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23

15 Text- und Bildquellen Autoren und Lizenzen

151 Text

bull Solarzelle Quelle httpdewikipediaorgwikiSolarzelleoldid=138856800 Autoren Fgb RobertLechner Schewek Igelball Aka StefanKuumlhn Lukian Onno Ilja Lorek Head El GNosis Atman Sun Tsor Matthaumlus Wander Seewolf HenrikHolke Honina Pstaudt-fischbachSchusch GDK Migas Paddy Zwobot Kai11 D HaeB ArtMechanic Hadhuey Robbot Pm Anton HaSee Rdb Boehm ZumboDirk33 AndreasB Pietz Soundray Sinn Peter200 Schmiddtchen Fuenfundachtzig Breeze Magadan Fetz Braun Jdiemer StYxXxSebastianWilken Martin-vogel Mnh Ot Aloiswuest MAK Scorpion2211 Gerhardvalentin Jaques AshSert Philipendula STephanKambor Koerpertraining Nicolas PeeCee Duesentrieb AHZ Hendric Stattmann Kristjan Ri st Hafex Norro Cepheiden Christoph-Demmer Fubar Ckeen DasBee Silberchen iexcl0-8-15 1-1111 VanGore Mjk Groer Umaluagr Mkuemmerer Wendelin Cyper QdrDundak Liberatus Juesch Kdkeller Greuer Drap Garak76 MartinThoma Udo T Zaungast Stephantom Pelz ML Thorbjoern Hein-te Diba Blech Zahnstein Renekaemmerer He3nry SchorSch Ion Tauwasser Bobbl Rosa Lux Gerbil Ulfbastel Hubertl MrVVooUebel H2h Liberal Freemason Quirin Leonce49 Blaubahn Flominator RedBot Anhi Dein Freund der Baum Wkw1959 So66 Cle-mensfranz OKoslowski Itti Yahp Miaow Miaow Zaphiro Eneldo Onliner Wahldresdner Darok MovGP0 Muck Uwezi Loh SyrcroZweistein12 Olei Dantor Krischan111 Nize Uwe W Georg Slickers Amtiss Roterraecher RajHid STBR Jackalope Ephraim33JFKCom Andimx Suirenn Hydro Pajz Dktz RobotQuistnix Alanmak Euku Xocolatl Hermannthomas Eynre Savin 2005 AbrevFireball TheTruth Bahnemann Segelmaus Harf Jakob5 Zemy Nyneela Schmitty TobiWanKenobi DerHexer WAH Sesc RolandBerger Schlesinger Staro1 Mo4jolo GeorgHH MutluMan Nightflyer Matzematik PeterFrankfurt Tomreplay PortalBot Ing Schrouml-der Walter LKD Juuml Manecke Quelokee Mons Maenalus JoBa2282 Stepa Giessauf A Cellulesolaire Lemberger HillerD RadlfahrerHelfmann Logograph Mion KaiMeier Sepp Roest FabiBerg Flo422 Degreen Rai42 Rfc GruumlneErde Btr FelixP Wdwd PendulinAdipictures HAH Toumlnjes Kaumlpten Balu Andreas 06 Batosai Rex Akribix D-Kuru UnknownID01 Cramunhao BesondereUmstaende

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Avene DerGraueWolf Martin1978 Wassertraeger Pleonasty HRoestTypo EmausBot Halbarath Muumldigkeit ReinerSpass Mswisi Un-sterblicher TtIiMmOOO ZeacuteroBot Ottomanisch Dsfranzi Didym Striga Cologinux 30wiki04 Karle07 Ne discere cessa Rabax63Waithamai EnergieLabor Cassirer Randolph33 Mukitil Nummer4 Googolplex Flanschko Georgepauljohnringo Woltmers KrdbotHephaion Andol MerlIwBot Mikered KLBot2 Oguenther Thesurvived99 Herzoeglich Rudschuck Tomaacutes66 Gregou Boshomi Stei-ni77 Isjc99 Derschueler Hans Haase Schwunkel Smallandsimple Ciwd2 Nurax666 Krantnejie Rmcharb Kuschi51 Cimballi Redak-tionPflanze Datenundfakten Ragna314 Fico123456789 Buchbibliothek Blafnu Ferina53Solarous Kritzolina WhistlingBird Budu123Manni Lang HeicoH und Anonyme 686

152 Bilder

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bull Fraunhofer ISE Report current edition Originalkuumlnstler Eigenes Werk

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Monocrystalline_polycrystalline_silicon_solarcelljpg Lizenz CC BY 30 Autoren Eigenes Werk Originalkuumlnstler Klaus Mueller

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24 15 TEXT- UND BILDQUELLEN AUTOREN UND LIZENZEN

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153 Inhaltslizenz

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Page 2: Solar Zelle

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2 1 EINTEILUNG

Die Kristallstruktur kannkristallin (mono-polykristallin)oder amorph sein

Neben anorganischen Halbleitermaterialien gibt es auchorganische Solarzellen und Farbstoffsolarzellen sowieanorganisch-organische Hybride[2] Die Entwicklung ist

keineswegs abgeschlossen

12 Material

Solarpanel

1 Siliciumzellen

bull Dickschicht

bull Monokristalline Siliciumzellen (c-Si)weisen im groszligtechnischen Einsatz einenWirkungsgrad von uumlber 20 und eineLeistungsdichte von 20ndash50 Wkg aufDie Technik gilt als gut beherrscht

bull Polykristalline Zellen auch Multikristal-line Zellen genannt (poly-Si oder mc-Si) besitzen relativ kurze Energieruumlck-laufzeiten und wurden die verbreitetstenZellen Sie erreichen im groszligtechnischenEinsatz Wirkungsgrade bis zu 16 Der

Verzicht auf das energie- und zeitauf-waumlndige Rekristallisieren eines Einkris-talls wird mit etwas geringeren Leistun-gen erkauft Experimentelle Zellen errei-chen Wirkungsgrade bis zu 186 [3]

bull Duumlnnschicht

bull Amorphes Silicium (a-Si) erreichte abden 1980er-Jahren den groumlszligten Marktan-teil bei den Duumlnnschichtzellen Sie sindbekannt von Kleinanwendungen wie Ta-schenrechnern Die Modulwirkungsgradeliegen zwischen 5 und 7 und haben eine

Leistungsdichte bis ca 2000 Wkg Hiergibt es keine Materialengpaumlsse selbst beiProduktion im Terawatt-Maszligstab Durch

Tandem- und Tripelzellen mit teilwei-se unterschiedlicher spektraler Empfind-lichkeit konnten neben der Steigerung desWirkungsgrades um 10-20 die Degra-dationsprobleme verringert werden

bull Kristallines Silicium z B mikrokristal-lines Silicium (microc-Si) wird auch in Kom-bination mit amorphem Silicium als Tan-demzellen eingesetzt und erreicht so houml-here Wirkungsgrade bis erwarteten 15 [4][5] Hergestellt werden sie aumlhnlichwie Solarzellen aus amorphem Silici-um Durch die Kombination von zweiSolarzellen mit unterschiedlicher spek-traler Empfindlichkeit (Bandluumlcke) wo-bei die vordere natuumlrlich semitransparentsein muss ist ein houmlherer Gesamtwir-kungsgrad erreichbar Allerdings ist bei

einer einfach zu realisierenden Reihen-schaltung die erforderliche Uumlbereinstim-mung der Stroumlme nur sehr unvollkom-men zu erreichen Solarzellen-Duos in ei-ner unter Praxisbedingungen erfolgver-sprechenderen Parallelschaltung oder miteiner Anpasselektronik sind bisher nur alsLaborexperiment bekannt

bull Si Wire Array (Laborstadium) Durch Bestuuml-cken einer Oberflaumlche mit duumlnnsten Draumlhtenist diese neue Solarzelle biegsam und benouml-tigt nur 1 der Siliciummenge verglichen mit

herkoumlmmlichen Solarzellen[6][7][8]

2 III-V-Halbleiter -Solarzellen

bull Galliumarsenid-Zellen (GaAs) zeichnen sichdurch hohe Wirkungsgrade (im Jahr 2009 ex-perimentell bis 411 [9]) sehr gute Tem-peraturbestaumlndigkeit geringerem Leistungs-abfall bei Erwaumlrmung als kristalline Sili-ciumzellen und Robustheit gegenuumlber UV-Strahlung aus Sie sind allerdings sehr teuer inder Herstellung Eingesetzt werden sie haumlufigin der Raumfahrt (Galliumindiumphosphid

(GaIn)PGalliumarsenid GaAsGermaniumGe) Tripelzellen (Tandem-Solarzelle mit dreimonolithisch gestapelten p-n-Uumlbergaumlngen) ha-ben den houmlchsten kommerziell lieferbarenWirkungsgrad von fast 30 mit einer Leis-tungsdichte von 50 Wkg (bei 17 um 1000Wkg)[10]

3 II-VI-Halbleiter -Solarzellen

bull CdTe-Zellen sind groszligtechnisch durchchemische Badabscheidung (CBD) oderchemische Gasphasenabscheidung (CVD)

sehr guumlnstig herstellbar und finden Verwen-dung in Duumlnnschichtsolarzellen fuumlr eineLaborsolarzelle sind schon 196 plusmn 04 [11]

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14 Bauformen 3

erreicht worden Modul-Wirkungsgrade in-zwischen (2007) bei 10 Langzeitverhaltennoch nicht bekannt

4 I-III-VI-Halbleiter-Solarzellen

bull CIS- CIGS-Solarzellen (Chalkopyrite) be-stehen aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenidbzw Kupfer-Indium-Disulfid Dieses Materialfindet Anwendung in Duumlnnschichtsolarzellenndash hier ist CIGS das leistungsstaumlrkste Materi-al mit Laborwirkungsgraden von mittlerwei-le 208 (Oktober 2013[12]) Der Modul-Wirkungsgrad betraumlgt derzeit 174 (StandFebruar 2012[13]) 1999 konnte Siemens So-lar die ersten Module zeigen VerschiedensteHersteller haben unterschiedliche Fertigungs-verfahren entwickelt Bisher hat trotz des her-vorragenden Designs noch keiner nennenswer-te Marktanteile erreicht Indium ist teuer undals Ressource beschraumlnkt

5 Organische Solarzellen (OPV) Die organische Che-mie liefert Werkstoffe die moumlglicherweise einekostenguumlnstige Fertigung von Solarzellen erlaubenBisheriger Nachteil ist ihr derzeit noch schlechterWirkungsgrad von maximal 120 [14] und dierecht kurze Lebensdauer (max 5000 h) der Zellen

6 Farbstoffzellen - Graumltzel-Zellen DSC oder DSSC(dye-sensitized (solar) cell) - nutzen organische

Farbstoffe zur Umwandlung von Licht in elektrischeEnergie ein Vorgang der an die Photosynthese an-lehnt Sie sind meistens lila Diese Zellen liefern miteinem leitfaumlhigen Polymer wie Polypyrrol anderKa-thode den besten Wirkungsgrad aller organischenSolarzellen von uumlber 10 haben jedoch aufgrundaggressiver Elektrolyte eine begrenzte Lebensdauer

7 Halbleiter-Elektrolytzellen z B KupferoxidNaCl-Loumlsung Sehr einfach herstellbare Zelle jedoch inLeistungsfaumlhigkeit und Zuverlaumlssigkeit limitiert

13 Materialverfuumlgbarkeit

Silicium der Grundstoff fuumlr die Solarzellen steht in na-hezu unbegrenzter Menge zur Verfuumlgung [15] Siliciumkommt in der Natur als Siliciumoxid (Quarz) oder Silicatvor und wird vom Sauerstoff unter hoher Temperatur ge-trennt

Bei seltenen Solarzellenmaterialien wie etwa IndiumGallium Tellur und Selen uumlberschreitet der weltweiteVerbrauch (Indium etwa 850 Tonnen bei Gallium etwa165 Tonnen) die jaumlhrliche Produktionsmenge[16] Auf-fallend war der stark steigende Verbrauch von Indium

in Form von Indium-Zinn-Oxid in der Fluumlssigkristall-und OLED-Bildschirmherstellung sowie die Verwen-dung von Gallium und Indium in der Produktion von

Leuchtdioden zur Produktion energiesparender Leucht-mittel und als Hintergrundbeleuchtung fuumlr Flachbild-schirme

Bei dem auch bei der Herstellung von Leuchtdiodenbedeutsamen Indium wird einerseits bis 2035 mit ei-

nem Versiegen der Ressourcen gerechnet

[17]

da sich dietheoretischen Indiumvorraumlte im Jahr 2006 auf nur 6000Tonnen die oumlkonomisch abbaubaren Reserven auf so-gar nur 2800 Tonnen beliefen[18] Andere Quellen re-den von 50000 Tonnen und Speisung des Verbrauchsaus Recycling[19] Die Sekundaumlrproduktion also das Re-cycling uumlbertrifft die Primaumlrproduktion und lag im Jahr2008 bei 800 Tonnen[20]

Die Situation bei Selen und beim noch selteneren Tellur(beide Halbmetalle liegen in geringer Konzentration imAnodenschlamm der Kupferelektrolysevor) erscheint aufden ersten Blick weniger kritisch da die Kupferprodu-

zenten derzeit nur einen Teil des in Metallelektrolyse an-fallenden Anodenschlamms zur Selen- oder Tellurgewin-nung einsetzen Die oumlkonomisch erschlieszligbaren Selenre-serven werden auf 82000 Tonnen die Tellurreserven auf43000 Tonnen geschaumltzt Dies ist wenig selbst im Ver-gleich zu den Reserven des ebenfalls nicht besonders haumlu-figen Buntmetalls Kupfer von 550 Millionen Tonnen

Die Produktionsprozesse in denen Gallium Indium Se-len und Tellur eingesetzt werden verfuumlgen uumlber eine un-guumlnstige Materialoumlkonomie und muumlssen verbessert wer-den

14 Bauformen

S t r a h l u n g s i n t e n s i t auml t W m sup2 n m

05

1

15

2

500 750 1000 1250 1500 1750

Wellenlaumlnge nm

Bandluumlcke Si (T=300K)

Terrestrische Sonnenstrahlung(Luftmasse AM15)

nutzbarerSpektralanteil

Ausnutzung der Sonnenstrahlung durch Silicium (mono- und po-lykristallin)

Neben dem Material ist die Bauweise von BedeutungMan unterscheidet verschiedene Oberflaumlchenstrukturie-rungen und Anordnungen der Kontaktierung der trans-parenten jedoch hochohmigen Deckelektrode (schmaleoder sogar durchsichtige Kontakte)

Weitere Bauformen sind Stapeltechniken durch Material-kombinationen unterschiedlicher Absorptionswellenlaumln-gen wodurch der Wirkungsgrad der Gesamtanordnung

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4 1 EINTEILUNG

S t r a h l u n g s i n t e n s i t auml t W m sup2 n m

05

1

15

2

500 750 1000 1250 1500 1750

Wellenlaumlnge nm

Bandluumlcke GaSb(T=300K)

Terrestrische Sonnenstrahlung(Luftmasse AM15)

nutzbarerSpektralanteil

Ausnutzung der Sonnenstrahlung durch Galliumantimonid

erhoumlht werden kann Es wird versucht die Materialien sozu waumlhlen dass das einfallende Sonnenspektrum maxi-

mal ausgenutzt wirdDerzeitig sind kommerziell erhaumlltliche Solarzellen ausHalbleitermaterialien uumlberwiegend aus Silicium AuchIIIV-Halbleitermaterialien werden verwendet (unter an-derem an Raumsonden) Wegen ihrer hohen Kosten wer-den sie fuumlr terrestrische Anwendungen in Konzentrator-Systemen verwendet Polymere Solarzellen befinden sichnoch in der Forschung

Halbleitersolarzellen muumlssen zur Energiegewinnung zuSolarmodulen verschaltet werden Kristalline Zellen wer-den dafuumlr mit Leiterbahnen an Vorder- und Ruumlckseite in

Reihe geschaltet Die Spannung der Einzelzellen von ca05 V unter Belastung und 064 V im Leerlauf addiertsich dabei Bei der heute uumlblichsten Anzahl von 60 Zellenentsteht ein Modul mit einer typischen Arbeitsspannungvon 30 V und einer Leerlaufspannung von 384 V Solchein Modul aus 6+-Zellen liefert dabei etwa 230ndash260 WLeistung bei STC-Testbedingungen Diese Solarmodulekoumlnnen selbst wieder mittels integrierter spezieller Steck-verbinder an Kabeln einfach in Reihe geschaltet werdenum die Leistung zu erhoumlhen Dabei werden Leerlaufspan-nungen bis zu 1000 V bei Umgebungstemperaturen unterndash10 degC als maximal zulaumlssiger Grenzwert erreicht AlsSchutz vor einem Lawinendurchbruch in den einzelnen

Zellen (etwa bei Teilabschattung durch herabgefallenesLaub) muumlssen jedoch zusaumltzlich Schutz-Dioden (Bypass-Dioden) parallel zu den Zellen eingebaut werden die dieabgeschatteten Zellen uumlberbruumlcken koumlnnen In Generato-ranschlusskaumlsten kann in Groszliganlagen eine Parallelschal-tung uumlber Sicherungen zur weiteren Leistungssteigerungerfolgen

15 Funktionsprinzip

Solarzellen aus Halbleitermaterialien sind im Prinzip wie

groszligflaumlchige Photodioden aufgebaut Sie werden jedochnicht als Strahlungsdetektor sondern als Stromquelle be-trieben

Ruumlckseitenkontakt

p - dotiert+p - dotiert-

n - dotiert+

Raumladungszone

geladene

Atomruumlmpfe

(Raumladung)

E-Feld

Sonneneinstrahlung

Loch(Defektelektron)

Elektron

Frontkontakt

Lichtintensitaumlt

Eindringungstiefe

nutzbarer Lichtanteil

Einfallende Photonen erzeugen Elektronen und Loumlcher die imelektrischen Feld der Raumladungszone des p-n-Uumlbergangs ge-trennt werden (Diese Abbildung gilt nicht fuumlr waferbasierteSilicium-Solarzellen denn dort dringt das Licht tief in die Basis ein und es uumlberwiegt der Beitrag der zum p-n-Uumlbergang diffun-dierenden Minoritaumltsladungstraumlger siehe Text und [21])

Va le n z ba n d

Le i t u n g s ba n d

Ferminiveau

F r o n t k o n t a k t

R uuml c k s e i t e n k o n t a k t

p+n+ p-

P h

o t o

n

w i r d

a b

s o r b i e

r t G e n e r a t i o n

( E l e k t r o n - L o c h - P a a r )

Bandstruktur einer einfachen pin-dotierten Siliciumsolarzelle

Die Besonderheit von Halbleitern ist dass durch zuge-fuumlhrte Energie (elektromagnetische Strahlung) in ihnenfreie Ladungstraumlger erzeugt werden koumlnnen (Elektronenund Loumlcher siehe Generation) Um aus diesen Ladun-gen einen elektrischen Strom zu erzeugen ist es noumltigdie erzeugten freien Ladungstraumlger in unterschiedlicheRichtungen zu lenken dies geschieht sehr haumlufig durchein internes elektrisches Feld welches durch einen p-n-

Uumlbergang erzeugt werden kannJe nach Bauform der Solarzelle sind fuumlr die Erzeugungdes Photostroms zwei unterschiedliche Transportmecha-nismen relevant Diffusion bzw Drift

Bei typischen kristallinen Siliciumsolarzellen mit Wafer-dicken von rund 200 microm ist der groumlszligte Teil des lichtab-sorbierenden Materials feldfrei er wird Basis genannt Inder Basis diffundieren die optisch angeregten Minoritaumlts-ladungstraumlger (Elektronen bei n-dotierter Basis bzw Louml-cher bei p-dotierter Basis) frei umher (Die bei der Licht-absorption mit angeregten Majoritaumltsladungstraumlger spie-len fuumlr die Funktionsweise der Solarzelle keine Rolle)

Sobald Minoritaumltsladungstraumlger die Raumladungszonedes p-n-Uumlbergangs erreichen werden sie durch das elek-trische Feld zur anderen Seite des p-n-Uumlbergangs hin be-

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schleunigt und so von den Majoritaumltsladungstraumlgern derBasis getrennt letztere werden vom elektrischen Feld desp-n-Uumlbergangs aufgrund ihrer entgegengesetzten Ladungzuruumlckgehalten Diese Solarzellen erreichen eine hohePhotostromausbeute wenn die Diffusionslaumlnge der Mi-noritaumltsladungstraumlger groszlig im Verhaumlltnis zur Dicke der

Basis istund die Ruumlckseite der Solarzelle entweder ein so-genanntes Back Surface Field (BSF) aufweist oder dielek-trisch passiviert ist wodurch die Rekombinationsverlustereduziert werden

Bei Solarzellen die aus einem Material mit kleiner Dif-fusionslaumlnge bestehen reicht die Raumladungszone mitdem elektrischen Feld moumlglichst weit in das Material hin-ein Dies wird durch gezielte Dotierung des Materials ein-gestellt (siehe Halbleitertechnologie) Um das gewuumlnsch-te Profil zu erzeugen wird gewoumlhnlich eine duumlnne Ober-flaumlchenschicht stark n-dotiert die dickere Schicht dar-unter schwach p-dotiert Das hat eine Raumladungszone

mit hoher Weite zur Folge Wenn in dieser Zone nunPhotonen einfallen und Elektron-Loch-Paare erzeugen(innerer Photoeffekt) so werden durch das elektrischeFeld die Loumlcher zum untenliegenden p-Material be-schleunigt und umgekehrt die Elektronen zum n-Kontaktauf der (sonnenzugewandten) Oberseite

Ein Teil der Minoritaumltsladungstraumlger rekombiniert ihreAnregungsenergie geht dabei in Waumlrme verloren Wei-tere Verluste entstehen aufgrund des unvermeidlichenSerienwiderstands Der Photostrom kann direkt voneinem Verbraucher benutzt in einem Akkumulatorzwischengespeichert oder mit einem netzgefuumlhrten

Solarwechselrichter in das Stromnetz eingespeist wer-den Die elektrische Spannung bei maximaler Leistung(Maximum Power Point Leistungsanpassung) liegt beiden gebraumluchlichsten Zellen (kristalline Siliciumzellen)bei etwa 05 V

Die Struktur von Solarzellen wird zudem so angepasstdass moumlglichst viel Licht eingefangen wird und es inder aktiven Schicht (Basis bzw schwach dotierter Be-reich) freie Ladungstraumlger erzeugen kann Dazu muss dieDeckelektrode transparent sein die Kontakte zu dieserSchicht muumlssen moumlglichst schmal sein auf der Obersei-te wird eine Antireflexionsschicht (zur Verringerung des

Reflexionsgrades) aufgetragen ggfs wird die Ruumlcksei-te verspiegelt Die Antireflexionsschicht sorgt fuumlr die ty-pisch blaumluliche bis schwarze Farbe von Solarzellen Un-beschichtete Solarzellen haben dagegen ein silbrig-grauesErscheinungsbild

Manchmal wird die Vorderseite strukturiert oder aufge-raut Wegen dieses Vorteils wurden urspruumlnglich Wafermit Fehlern beim Schleifprozess o a als Ausgangsmate-rial fuumlr Solarzellen verkauft Schwarzes Silicium hat ei-ne aufgeraute nadelfoumlrmige Oberflaumlche die sehr geringeReflexionen aufweist

Die Antireflexschicht wird bei modernen Solarzel-len aus Siliciumnitrid mittels PE-CVD-Verfahren her-gestellt Die Schichtdicke betraumlgt dabei ca 70 nm

(Lambda-Viertel bei einem Brechungsindex von 20)Daruumlber hinaus kommen noch Antireflexschichten ausSiliciumdioxid und Titandioxid die beispielsweise perAP-CVD-Verfahren aufgebracht werden zur Anwen-dung

Uumlber die Schichtdicke wird auch die Farbe bestimmt(Interferenzfarbe) Eine moumlglichst hohe Gleichmaumlszligig-keit der Beschichtungsstaumlrke ist dabei wichtig da be-reits Schwankungen um einige Nanometer in der Schicht-staumlrke den Reflexionsgrad erhoumlhen Blaue Reflexion er-gibt sich aus der Einstellung der Antireflexschicht aufden roten Teil des Spektrums ndash der bevorzugten Absorp-tionswellenlaumlnge des Siliciums Prinzipiell sind jedochauch beispielsweise rote gelbe oder gruumlne Solarzellen aufdiese Weise fuumlr spezielle architektonische Anwendun-gen herstellbar sie haben jedoch einen schlechteren Wir-kungsgrad

Im Falle von Siliciumnitrid und Siliciumdioxid erfuumllltdie Antireflexschicht dabei noch die Funktion einer Pas-sivierungsschicht die die Oberflaumlchenrekombinationsge-schwindigkeit herabsetzt Die an der Oberflaumlche erzeug-ten Ladungstraumlger koumlnnen dadurch ndash vereinfacht ausge-druumlckt ndash nicht so schnell rekombinieren und die erzeugteLadung kann als Strom abgeleitet werden

2 Typen von Silicium-Solarzellen

Poly- und monokristalline Solarzelle

Das traditionelle Grundmaterial fuumlr Halbleitersolarzellenist Silicium Bis in das Jahr 2005 wurde vor allem Rest-silicium aus der Chipproduktion verwendet heute wirdzunehmend Silicium speziell fuumlr die Solaranwendungenproduziert Silicium ist allgemein fuumlr die Halbleitertech-nik nahezu ideal Es ist preiswert laumlsst sich hochrein undeinkristallin herstellen und als n- und p-Halbleiter dotie-ren Einfache Oxidation ermoumlglicht die Herstellung duumln-ner Isolationsschichten Jedoch ist die Auspraumlgung seiner

Bandluumlcke als indirekter Halbleiter fuumlr optische Wechsel-wirkung wenig geeignet Siliciumbasierte kristalline So-larzellen muumlssen eine Schichtdicke von mindestens 100

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6 2 TYPEN VON SILICIUM-SOLARZELLEN

Polykristalliner Wafer

Polykristallines Silicium

Moderne kristalline Silizium Solarzelle Das PERC Design (pas-sivated emitter and rear cell) hat fingerfoumlrmige Kontakte auf der Ruumlckseite die als Linien sichtbar sind (rechtes Bild) Damit er-reicht man Zellwirkungsgrade uumlber 20 Hergestellt im Institut

fuumlr Solarenergieforschung Hameln (ISFH) Deutschland

microm und mehr aufweisen um Licht ausreichend stark zuabsorbieren Bei Duumlnnschichtzellen direkter Halbleiter wie z B Galliumarsenid oder auch Silicium mit stark ge-stoumlrter Kristallstruktur (siehe unten) genuumlgen 10 microm

Je nach Kristallaufbau unterscheidet man bei Siliciumfolgende Typen

bull Monokristalline Zellen werden aus sogenanntenWafern (einkristalline Siliciumscheiben) herge-

stellt wie sie auch fuumlr die Halbleiterherstellung ver-wendet werden Sie sind verhaumlltnismaumlszligig teuer

bull Polykristalline Zellen bestehen aus Scheiben dienicht uumlberall die gleiche Kristallorientierung auf-weisen Sie koumlnnen z B durch Gieszligverfahren (s

u) hergestellt werden und sind preiswerter und inPhotovoltaikanlagen am meisten verbreitet

bull Amorphe Solarzellen bestehen aus einer duumlnnennichtkristallinen (amorphen) Siliciumschicht undwerden daher auch als Duumlnnschichtzellen bezeich-net Sie koumlnnen etwa durch Aufdampfen hergestelltwerden und sind preiswert haben im Sonnenlicht ei-nen nur geringen Wirkungsgrad bieten jedoch Vor-teile bei wenig Licht Streulicht und bei hoher Be-triebstemperatur Zu finden sind die amorphen Zel-len beispielsweise auf Taschenrechnern oder Uhren

bull Mikrokristalline Zellen sind Duumlnnschichtzellen mitmikrokristalliner Struktur Sie weisen einen houmlherenWirkungsgrad als amorphe Zellen auf und sind nichtso dick wie die gaumlngigen polykristallinen Zellen Siewerden teilweise fuumlr Photovoltaikanlagen verwen-det sind jedoch noch nicht sehr weit verbreitet

bull Tandem-Solarzellen sind uumlbereinander geschichte-te Solarzellen meist eine Kombination von poly-kristallinen und amorphen Zellen Die einzelnenSchichten bestehen aus unterschiedlichem Materialund sind so auf einen anderen Wellenlaumlngenbereichdes Lichtes abgestimmt Die zuoberst angeord-neten Zellen absorbieren nur einen Teil desLichtspektrums der Rest kann durchtreten und vonder darunter angeordneten Schicht verwertet wer-den Durch ein breiteres Ausnuumltzen des Lichtspek-trums der Sonne haben diese Zellen einen besserenWirkungsgrad als einfache Solarzellen Sie werdenteilweise bei Photovoltaikanlagen verwendet sindjedoch noch relativ teuer

21 Herstellung aus Siliciumbloumlcken oder -staumlben

Solarzellen koumlnnen nach verschiedenen Verfahren herge-stellt werden

Das Grundmaterial Silicium ist das zweithaumlufigstechemische Element das in der Erdkruste vorkommtEs liegt in Form von Silikaten oder als Quarz vorAus Quarzsand kann in einem Schmelz-ReduktionsofenRohsilicium sogenanntes metallurgisches Silicium mitVerunreinigungen von circa 1 bis 2 hergestellt wer-den 2005 wurden auf diese Weise 47 Mio TonnenSilicium hergestellt Ein Groszligteil davon geht in dieStahlindustrie und in die Chemische Industrie Nur ein

kleiner Anteil des metallurgischen Siliciums wird fuumlr dieMikroelektronik und die Photovoltaik verwendet Ausdem Rohsilicium wird dann uumlber einen mehrstufigen auf

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21 Herstellung aus Siliciumbloumlcken oder -staumlben 7

Silicium-Einkristall zur Waferherstellung hergestellt nach demCzochralski-Verfahren

Trichlorsilan basierenden Prozess polykristallines Reinst-silicium hergestellt Das bis heute (2006) hier angewen-dete Siemens-Verfahren[22] ein CVD-Verfahren wurdeallerdings fuumlr die Mikroelektronik entwickelt und opti-

miert Dort werden zum Teil voumlllig andere Anforderun-gen an die Qualitaumlt des Siliciums gestellt als in der Pho-tovoltaik Fuumlr Solarzellen ist beispielsweise die Reinheit

des Wafers in seiner gesamten Staumlrke wichtig um einemoumlglichst lange Ladungstraumlger-Lebensdauer zu gewaumlhr-leisten In der Mikroelektronik muumlssten dagegen prinzi-piell nur die oberen etwa 20 bis 30 microm hochrein sein Damittlerweile der Verbrauch an hochreinem Silicium fuumlrdie Photovoltaik den Verbrauch in der Mikroelektronik

uumlbertroffen hat wird zur Zeit intensiv an speziellen kos-tenguumlnstigeren und fuumlr die Photovoltaik optimierten Her-stellverfahren fuumlr Solarsilicium gearbeitet

Der gesamte Herstellprozess fuumlr hochreines Silicium istzwar sehr energieaufwendig aber dennoch koumlnnen dieheute verwendeten Solarzellen die fuumlr ihre Produktion er-forderliche Energiemenge ndash je nach Bauart ndash innerhalbvon 15 bis 5 Jahren wieder kompensieren Sie haben al-so eine positive Energiebilanz

Das Reinstsilicium kann auf unterschiedliche Weise wei-terverarbeitet werden Fuumlr polykristalline Zellen kom-

men groumlszligtenteils das Gieszligverfahren das Bridgman-Verfahren und das kantenbegrenzte Bandziehverfahren(EFG-Verfahren vonengl edge-defined film-fed growth)zum Einsatz Monokristalline Zellen werden fast immernach dem Czochralski-Verfahren hergestellt Bei allenVerfahren gilt dass die Dotierung mit Bor (siehe unten)schon beim Herstellen der Bloumlcke (Ingots) beziehungs-weise Staumlbe vorgenommen wird

211 Blockgussverfahren

Dieses Verfahren dient zur Herstellung von polykristalli-

nem Silicium Das Reinstsilicium wird in einem Tiegelmit Hilfe einer Induktionsheizung aufgeschmolzen unddann in eine quadratische Wanne gegossen in der es moumlg-lichst langsam abgekuumlhlt wird Dabei sollen moumlglichstgroszlige Kristallite in den Bloumlcken entstehen Die Kanten-laumlnge der Wanne betraumlgt etwa 50 cm die Houmlhe der er-starrten Schmelze etwa 30 cm Der groszlige Block wird inmehrere kleine Bloumlcke von etwa 30 cm Laumlnge zerteilt

Ein weiteres Gieszligverfahren ist der Strangguss wobei dieMasse schon in der am Ende benoumltigten Staumlrke auf dasTraumlgermaterial aufgebracht wird Der Vorteil ist dass einSaumlgevorgang mit seinen Verlusten entfaumlllt

212 Bridgman-Verfahren

Das Bridgman-Verfahren dient zur Herstellung von po-lykristallinem Silicium[23] und ist nach Percy WilliamsBridgman benannt Es ist nicht zu verwechseln mit derBridgman-Stockbarger-Methode diezur Herstellung vonMonokristallen dient Das Reinstsilicium wird hier eben-falls in einem Tiegel mit Hilfe einer Induktionsheizungbei uumlber 1400 degC aufgeschmolzen Die langsame Abkuumlh-lung der Schmelze bei der sich groszlige Zonen einheitlicherKristalle ausbilden findet hier im gleichen Tiegel statt

Die geheizte Zone wird langsam von unten nach oben imTiegel angehoben so dass sich oben bis zum Schluss fluumls-siges Silicium befindet waumlhrend vom Tiegelboden her

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8 2 TYPEN VON SILICIUM-SOLARZELLEN

das Erstarren erfolgt Hier sind die Kantenlaumlngen etwasgroumlszliger als beim Gieszligverfahren (zumeist Standardgroumlszlige690 mm)[24] die Houmlhe des Blocks betraumlgt etwa 20 bis25 cm Der groszlige Block wird ebenfalls in mehrere kleineBloumlcke von zumeist 156 mm Kantenlaumlnge zerteilt DieserArbeitsschritt wird Brikettieren genannt[25]

213 Czochralski-Verfahren

Das Czochralski-Verfahren wird fuumlr die Herstellung vonlangen monokristallinen Staumlben genutzt Der sogenann-te Impfkristall gibt die Orientierung im Kristall vor Vorder Herstellung der Zellen wird der entstandene Zylindernoch zurechtgeschnitten

214 Zonenschmelzverfahren

Das Zonenschmelzverfahren auch Float-Zone-Verfahrengenannt dient auch der Herstellung monokristalliner Si-liciumstaumlbe Die bei diesem Verfahren erzielte Reinheitist im Normalfall houmlher als fuumlr die Solartechnik benouml-tigt und auch mit sehr hohen Kosten verbunden Deshalbwird diese Technik fuumlr die Solartechnik eher selten be-nutzt Das einzige Unternehmen das Float-Zone-Waferin nennenswerten Mengen fuumlr Solarzellen verwendet istdas US-Unternehmen SunPower

215 Waferherstellung

Die Kristallstaumlbe muumlssen nun mit einemDrahtsaumlgeverfahren in Scheiben die sogenanntenWafer gesaumlgt werden Dabei entsteht aus einem groszligenTeil des Siliciums Saumlgestaub dessen Verwertung ab2013 erforscht wurde [26] Die Dicke der entstehendenScheiben liegt bei etwa 018 bis 028 mm

Eine weitere Quelle fuumlr Wafer war urspruumlnglich der Aus-schuss an Rohlingen fuumlr die Herstellung von integriertenSchaltkreisen der Halbleiterfertigung deren zur Weiter-verarbeitung ungeeigneten Rohlinge als Solarzelle ver-wendet werden

Die monokristallinen Zellen zeichnen sich durch eine ho-mogene Oberflaumlche aus waumlhrend bei den polykristallinenZellen gut die einzelnen Zonen mit verschiedener Kris-tallorientierung unterschieden werden koumlnnen ndash sie bil-den ein eisblumenartiges Muster auf der Oberflaumlche

Im Waferstadium sind Vorder- und Ruumlckseite der Zellenoch nicht festgelegt

216 Waferprozessierung

Die gesaumlgten Wafer durchlaufen nun noch mehrere che-

mische Baumlder um Saumlgeschaumlden zu beheben und eineOberflaumlche auszubilden die geeignet ist Licht einzufan-gen Im NormalfallsinddieWafer schon mit einer Grund-

dotierung mit Bor versehen Diese bewirkt dass es uumlber-schuumlssige Defektelektronen (positive Ladungen) gibt dasheiszligt es koumlnnen Elektronen eingefangen werden Daswird auch p-Dotierung genannt Auf dem Weg zur fer-tigen Solarzelle mit p-n-Uumlbergang muss nun die Oberflauml-che noch eine n-Dotierung bekommen was durch Pro-

zessierung der Zelle in einem Ofen in einer Phosphor-Atmosphaumlre geschieht Die Phosphoratome schaffen ei-ne Zone mit Elektronenuumlberschuss auf der Zelloberflauml-che die etwa 1 microm tief ist Nach der Diffusion mit Phos-phor entsteht auf der Oberflaumlche des Wafers Phosphor-glas Um dieses zu entfernen ist ein weiterer sehr kur-zer Aumltzschritt mit Flusssaumlure noumltig Danach wird in einemweiteren Ofen mittels PECVD die Antireflexschicht auf-getragen die der Zelle erst die typische Farbe gibt

Danach erfolgt die Bedruckung der Zelle z B durchSiebdruck mit den notwendigen Loumltzonen und der Struk-tur welche fuumlr den besseren Abgriff des generierten elek-

trischen Stroms sorgt Die Vorderseite erhaumllt meist zweibreitere Streifen auf denen spaumlter die Baumlndchen zumVerbinden mehrerer Zellen befestigt werden Auszligerdemwird ein sehr duumlnnes elektrisch gut leitendes Raster auf-gebracht was einerseits den Lichteinfall so wenig wiemoumlglich behindern und andererseits den ohmschen Wi-derstand der Deckelektrode verringern soll Die Ruumlcksei-te wird meist vollflaumlchig mit einem gut leitenden Materialbeschichtet

Nach der Prozessierung werden die Zellen nach optischenund elektrischen Merkmalen klassifiziert sortiert und fuumlrdie Fertigung von Solarmodulen zusammengestellt

22 Direkte Herstellung von Platten bzwSchichten

Um den Umweg des Saumlgens von Wafern aus Kristallblouml-cken zu vermeiden gibt es umfangreiche Aktivitaumlten So-larzellen direkt zu erzeugen

221 EFG-Verfahren

Beim EFG-Verfahren (von engl edge-defined film-fed growth ungefaumlhre Uumlbersetzung bdquokantendefiniertesFilmwachstumldquo) werden aus einer elektrisch beheiztenGraphitwanne aus fluumlssigem Reinstsilicium achteckigeRoumlhren von etwa 6 bis 7 m Laumlnge nach oben gezo-gen Die Ziehgeschwindigkeit liegt im Bereich von ca 1mms Die Kantenlaumlnge der einzelnen Seiten betraumlgt 10bzw 125 cm die Wandstaumlrke ca 280 microm Nach Fer-tigstellung der Roumlhre wird diese entlang der Kanten mitNdYAG-Lasern geschnitten und in einem bestimmtenRaster dann uumlber die Breite der jeweiligen Seite Darausergibt sich die Moumlglichkeit der Herstellung von Zellenmit unterschiedlichen Kantenlaumlngen (zum Beispiel 125

cm times 15 cm oder 125 cm times 125 cm) Es wird eineAusbeute von etwa 80 des Ausgangsmaterials erzieltBei den so erzeugten Zellen handelt es sich ebenfalls um

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24 Solarzellen aus speziellen Siliciumstrukturen 9

polykristallines Material welche sich vom Aussehen herdeutlich von den gesaumlgten Zellen unterscheidet Unter an-derem ist die Oberflaumlche der Zellen welliger Ein Vor-teil im Vergleich zum Saumlgen aus Bloumlcken ist die weit-gehende Vermeidung von Verschnitt der zudem nichtmit Schneidefluumlssigkeit (engl slurry vgl Kolloide) ver-

unreinigt ist Dieses Verfahren wird auch Bandzieh- oderOctagon-Verfahren genannt

Das EFG-Verfahren wurde bis 2009 von der FirmaSchott Solar (Deutschland) angewendet Von einer wei-teren Verwendung musste abgesehen werden da SchottSolar als einziger Anwender dieses Prozesses die Wei-terentwicklung im Vergleich zu anderen Prozessen mitmehr Entwicklern im Hintergrund nicht schnell genugvorantreiben konnte[27] Entwickelt wurde das Verfahrenvon der Firma ASE Solar (USA)

222 String-Ribbon-Verfahren

Weiterhin gibt es das String-Ribbon-Verfahren der insol-venten US-amerikanischen Firma Evergreen Solar beidem die Wafer zwischen zwei Faumlden direkt aus der Sili-ciumschmelze gezogen werden[27] Dabei entsteht weni-ger Abfall (wie Spaumlne usw die normalerweise direkt ent-sorgt werden) als bei den herkoumlmmlichen Verfahren Alsdeutsches Unternehmen verwendete die Sovello AG dasString-Ribbon-Verfahren zur Produktion von Wafern

223 Schichttransfer-Verfahren

Beim Schichttransfer-Verfahren wird eine nur ca 20 micromduumlnne Schicht aus einkristallinem Silicium direkt flachauf einem Substrat gezuumlchtet Als Traumlgermaterial eignensich keramische Substrate oder auch speziell oberflaumlchen-behandeltes Silicium wodurch das Abloumlsen des entstan-denen Wafers und die Wiederverwendung desTraumlgers ge-geben ist Die Vorteile dieser Verfahren sind der deut-lich geringere Siliciumbedarf durch die geringe Dickeund der Wegfall der Saumlgeverluste Der Saumlgevorgang als

zusaumltzlicher Prozessschritt entfaumlllt Der erreichbare Wir-kungsgrad ist hoch und liegt im Bereich von monokris-tallinen Zellen

23 Solarzellen aus bdquoschmutzigemldquo Silici-um

Der Prozess des Zonenschmelzens und Dotierens laumlsstsich auch in eine bereits gefertigte flache Platte bzwSchicht verlagern Das Prinzip ist dass die Verunreini-

gungen durch Waumlrmebehandlung (mehrfach lateral fort-schreitende Umschmelzung z B mit Laserstrahlung) desSiliciums an wenigen Stellen konzentriert werden[28]

24 Solarzellen aus speziellen Silicium-strukturen

Seit den 2000er Jahren arbeiten verschiedene For-schungsgruppen an Solarzellen auf Basis von langen bdquoSi-liciumstaumlbchenldquo (manchmal auch bdquoSiliciummikrodraumlh-teldquo genannt) im Mikrometermaszligstab[29][30] Die einzel-nen Siliciumstaumlbchen sind in der Regel einige Mikrome-ter dick und ca 200 Mikrometer lang Strukturen aussenkrecht zu einer Traumlgerflaumlche angeordneten Staumlbchenzeigen gegenuumlber konventionellen Solarzellen aus Silici-um eine erhoumlhte Absorption von Sonnenlicht in einembreiten Spektralbereich vgl Schwarzes Silicium

Ein Beispiel fuumlr eine solche Solarzelle wurde 2010 voneiner Arbeitsgruppe um Harry Atwater vom CaliforniaInstitute of Technology vorgestellt Sie stellten uumlber 100Mikrometer lange Staumlbchen mithilfe der sogenanntenVLS-Technik[31] (von engl vapor -liquid -solid ) her uumlber-gossen diese anschlieszligend zur Stabilisierung mit durch-sichtigem biegsamem Kunststoff (PolydimethylsiloxanPDMS) und loumlsten danach die fertige Zelle von derPlatte[29] Diese Zellen zeigen wie zuvor erwaumlhnt eineerhoumlhte Absorption von insgesamt bis zu 85 des einfal-lenden Lichts uumlber einen groszligen Spektralbereich Die soerzeugten Solarzellen im Laborstatus haben einen hohenWirkungsgrad Ihre Herstellung verbraucht nur 1 Prozentder sonst zur Solarzellenproduktion uumlblichen Silicium-menge auszligerdem sind diese Solarzellen biegbar[32]

3 Andere Solarzellentypen

31 Duumlnnschichtzellen

Kleine amorphe Si-Duumlnnschichtsolarzelle auf Glas vier Zellenin Reihe

Duumlnnschichtzellen gibt es in verschiedenen Ausfuumlhrun-gen je nach Substrat und aufgedampften Materialien

Die Spannbreite der physikalischen Eigenschaften undder Wirkungsgrade ist entsprechend groszlig Duumlnnschicht-zellen unterscheiden sich von den traditionellen Solar-

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10 3 ANDERE SOLARZELLENTYPEN

Ruumlckseite (Schichtseite braun lackiert)

Solarzellentypen

zellen (kristallinen Solarzellen basierend auf Silicium-wafern) vor allem in ihren Produktionsverfahren unddurch die Schichtdicken der eingesetzten MaterialienDie physikalischen Eigenschaften amorphen Siliciumsdie von kristallinem Silicium verschieden sind beeinflus-sen die Solarzelleneigenschaften Manche Eigenschaftensind auch noch nicht vollstaumlndig verstanden

Auch bei kristallinen Solarzellen wird das Licht bereitsin einer duumlnnen Oberflaumlchenschicht (ca 10 microm) absor-biert Es liegt daher nahe Solarzellen sehr duumlnn zu fer-tigen Verglichen mit kristallinen Solarzellen aus Silici-umwafern sind Duumlnnschichtzellen etwa 100-mal duumlnner

Diese Duumlnnschichtzellen werden meist durch Abscheidenaus der Gasphase direkt auf einem Traumlgermaterial aufge-bracht Das kann Glas Metallblech Kunststoff oder auchein anderes Material sein Der aufwaumlndige im vorigenKapitel beschriebene Prozess des Zerschneidens von Si-liciumbloumlcken kann also umgangen werden

Das bisher gaumlngigste Material fuumlr Duumlnnschichtzellen istamorphes Silicium (a-SiH) Solche Duumlnnschichtmodu-le sind langlebige Produkte Freiluft-Tests zeigen sta-bile Wirkungsgrade uumlber mehr als zehn Jahre Moumlgli-che weitere Materialien sind mikrokristallines Silicium(microc-SiH) Gallium-Arsenid (GaAs) Cadmiumtellurid

(CdTe) oder Kupfer-Indium-(Gallium)-Schwefel-Selen-Verbindungen die so genannten CIGS-Solarzelle bzwCIS-Zellen wobei hier je nach Zelltyp S fuumlr Schwefel

oder Selen stehen kann Ein neuesMaterial das neu in derDuumlnnschichttechnologie Anwendung findet ist CZTS

Wirkungsgrade im Bereich von 20 (217 mit CIGS-Solarzellen siehe[33]) fuumlr kleine CIGS-Laborzellen (asymp 05cmsup2) sind durchaus moumlglich CIGS-Duumlnnschichtmodule

erreichen inzwischen aumlhnliche Wirkungsgrade wie Mo-dule aus polykristallinem Silicium (11ndash12 [34])Fuumlr Cadmiumtellurid-Zellen lag der Wirkungsgrad beiLaborzellen im August 2014 bei 21 [35]

Wichtiger sind oft die Kostenzu denen Stromaus den So-larzellen produziert werden kann dazu kommen wichti-ge Kriterien wie die Emission von Schadstoffen Aktuel-le Studien belegen dass Cadmiumtellurid-Duumlnnschicht-Solarzellen hier eine bessere Bilanz als konventionelle Si-liciumzellen aufweisen[36]

Eine weitere Staumlrke von Duumlnnschichtmodulen ist dasssie einfacher und groszligflaumlchiger produziert werden koumln-

nen insbesondere die Duumlnnschichtzellen aus amorphemSilicium Duumlnnschichtmodule sind nicht auf ein rigidesSubstrat wie Glas oder Aluminium angewiesen bei auf-rollbaren Solarzellen fuumlr den Wanderrucksack oder ein-genaumlht in Kleider wird ein geringerer Wirkungsgrad inKauf genommen der Gewichtsfaktor ist wichtiger als dieoptimale Lichtumwandlung

Zur Herstellung eignen sich Maschinen welche auchzur Herstellung von Flachbildschirmen eingesetzt wer-den Dabei werden Beschichtungsflaumlchen von uumlber 5 msup2erreicht Mit den Verfahren zur Herstellung von amor-phem Silicium laumlsst sich auch kristallines Silicium induumlnnen Schichten herstellen sogenanntes mikrokristal-lines Silicium Es vereint Eigenschaften von kristalli-nem Silicium als Zellenmaterial mit den Methoden derDuumlnnschichttechnik In der Kombination aus amorphemund mikrokristallinem Silicium wurden in den letztenJahren beachtliche Wirkungsgradsteigerungen erzielt

Ein Verfahren fuumlr die Fertigung kristalliner Duumlnnschicht-zellen aus Silicium ist CSG (Crystalline Silicon onGlass) dabei wird eine weniger als zwei Mikrometerduumlnne Siliciumschicht direkt auf einen Glastraumlger aufge-bracht die kristalline Struktur wird nach einer Waumlrme-behandlung erreicht Das Aufbringen der Stromfuumlhrungerfolgt mittels Laser- und Tintenstrahldrucktechnik Da-fuumlr wurde 2005 von der Firma CSG Solar eine Fabrika-tionsanlage in Deutschland gebaut Weil das Verfahrennicht wirtschaftlich zu betreiben war musste das Unter-nehmen nach kurzer Zeit seine Produktion einstellen Derchinesische Solarkonzern Suntech erwarb das Unterneh-men und seine Technologie hat aber 2011 die Aktivitauml-ten in diesem Bereich aufgegeben und das Unternehmengeschlossen[37]

Es werden derzeit Duumlnnschichtsolarzellen aus schwarzemSilicium entwickelt die einen etwa doppelten Wirkungs-grad erreichen sollen[38]

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34 Elektrochemische Farbstoff-Solarzelle 11

Schematischer Aufbau einer Konzentratorzelle

32 Konzentratorzellen

Bei Konzentratorzellen (auch Konzentrator-Photovoltaik engl Concentrated PV CPV) wird Halbleiterflaumlche ein-gespart indem das einfallende Sonnenlicht zunaumlchst

auf einen kleineren Bereich konzentriert wird Das er-reicht man durch Konzentratoren wie z B Linsen zu-meist Fresnel-Linsen oder auch Lichtleitkoumlrper die dieTotalreflexion nutzen[39][40] Diese sind im Vergleich zuHalbleitern bezogen auf die Flaumlche preiswerter Es kannsomit zu geringeren Kosten die Sonneneinstrahlung ei-ner groumlszligeren Flaumlche ausgenutzt werden Haumlufig verwen-dete Materialien fuumlr Konzentratorsolarzellen sind III-V-Halbleiter Zumeist werden Mehrfachsolarzellen (siehenaumlchster Abschnitt) verwendet die fuumlr vollflaumlchige So-larzellen unwirtschaftlich waumlren Sie arbeiten noch zu-verlaumlssig bei mehr als dem 500-fachen der Sonneninten-

sitaumlt Konzentratorsolarzellen muumlssen dem Sonnenstandnachgefuumlhrt werden damit ihre Optik die Sonnenstrah-lung auf die Zellen buumlndeln kann Zusaumltzlicher Effekt derLichtkonzentration ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wir-kungsgrades da die Leerlaufspannung ansteigt Die US-Energiebehoumlrde hat mit dieser Technik Wirkungsgradevon uumlber 40 erreicht[41][42]

33 Mehrfachsolarzellen

rarr Hauptartikel Tandem-Solarzelle

Mehrfachsolarzellen bestehen aus zwei oder mehr So-larzellen mit verschiedenem Material die monolithisch

uumlbereinander geschichtet sind Zweck dieser Anord-nung ist es den Wirkungsgrad der gesamten Anordnungzu erhoumlhen Die Wirkungsgrade bei Labormustern vonTandem-Konzentratorsolarzellen erreichten 2008 und2009 uumlber 40 So wurde am Fraunhofer Institut fuumlrSolare Energiesysteme ISE mit einer Mehrfachsolarzel-

le und 454-facher Konzentration ein Wirkungsgrad von411 erzielt[43]

34 Elektrochemische Farbstoff-Solarzelle

rarr Hauptartikel Graumltzel-Zelle

Bei Farbstoffsolarzellen auch bekannt als Graumltzel-Zellenwird der Strom anders als bei den bisher aufgefuumlhrtenZellen uumlber die Lichtabsorption eines Farbstoffes gewon-nen als Halbleiter kommt Titandioxid zum Einsatz Als

Farbstoffe werden hauptsaumlchlich Komplexe des seltenenMetalls Ruthenium verwendet zu Demonstrationszwe-cken koumlnnen aber selbst organische Farbstoffe zum Bei-spiel der Blattfarbstoff Chlorophyll oder Anthocyane (ausBrombeeren) als Lichtakzeptor verwendet werden (die-se besitzen jedoch nur eine geringe Lebensdauer) DieFunktionsweise der Zelle ist noch nicht im Detail geklaumlrtdie kommerzielle Anwendung gilt als recht sicher ist aberproduktionstechnisch noch nicht in Sicht

Konventionelle n-Typ-Farbstoffsolarzellen arbeiten miteiner Photoanode einer positiven Elektrode die mit ei-nem n-Halbleiter zB Titandioxid und einem Farbstoff

beschichtet ist Trifft Licht darauf werden die Farbstoff-molekuumlle angeregt und setzen Elektronen frei Ein Re-doxmediator der als Bestandteil des Elektrolyten zwi-schen den Elektroden frei beweglich ist regeneriert denFarbstoff Beim p-Typ (p-DSC p-dye-sensitized solarcell) laumluft der Prozess genau entgegengesetzt Ein spezi-eller Farbstoff und ein p-Halbleiter befinden sich auf ei-ner Photokathode Der durch Licht angeregte Farbstoffsaugt Elektronen aus dem Valenzband des p-HalbleiterszB Nickeloxid heraus Das uumlblicherweise eingesetz-te System aus Iodid und Tri-Iodid ersetzten Wissen-schaftler der Monash University der Commonwealth Sci-

entific and Industrial Research Organization (Australi-en) und der Universitaumlt Ulm durch den Kobalt-KomplexTris(12-diaminoethan)cobalt(IIIII) bei dem das Ko-balt zwischen den Oxidationsstufen +2 und +3 wech-seln kann Zellen auf dieser Basis erreichen dabei einehoumlhere Energieumwandlungseffizienz Ein weiterer An-satz um die Leistung von photovoltaischen Zellen zusteigern ist die Kombination einer n- und einer p-Typ-Farbstoffsolarzelle zu einer Tandem-Solarzelle[44]

35 Organische Solarzellen

rarr Hauptartikel Organische SolarzelleEine organische Solarzelle ist eine Solarzelle die aus

Werkstoffen der organischen Chemie besteht d h aus

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12 3 ANDERE SOLARZELLENTYPEN

Ein kommerziell erhaumlltliches flexibles Modul einer polymeren or- ganischen Solarzelle

Kohlenwasserstoff-Verbindungen (Kunststoffen) Diese

Verbindungen haben elektrisch halbleitende Eigenschaf-ten Der Wirkungsgrad mit dem Sonnenenergie inelektrische Energie umgewandelt wird liegt mit 120 (Stand Januar 2013)[45] noch unterhalb von dem von So-larzellen aus anorganischem Halbleitermaterial Organi-sche Solarzellen bzw Plastiksolarzellen wie sie auch ge-nannt werden sind aufgrund der Moumlglichkeiten hinsicht-lich guumlnstiger und vielseitiger Herstellungsverfahren einaktuelles Forschungsthema Die von den Herstellern die-ser Zellen auf Kunststoffbasis genannten Vorteile gegen-uumlber herkoumlmmlichen Siliciumsolarzellen sind

bull

Geringe Herstellungskosten aufgrund billiger Pro-duktionstechnologien

bull Hohe Stromausbeuten durch Duumlnnschicht-Groszligflaumlchentechnologien fuumlr Kunststoffe

bull Flexibilitaumlt Transparenz und einfache Handhabung(mechanische Eigenschaften von Kunststoffen)

bull Hohe Umweltvertraumlglichkeit (Kunststoffe auf Koh-lenstoffbasis)

bull Anpassung an das Sonnenspektrum durch gezieltePolymersynthese

bull bdquoBunteldquo Solarzellen fuumlr architektonische Stilele-mente

Im Vergleich zu den ersten organischen Solarzellen wur-den inzwischen viele Fortschritte erzielt

Das Material fuumlr diesen Solarzellentyp basiert auf or-ganischen Kohlenwasserstoffverbindungen mit spezifi-scher elektronischer Struktur dem konjugierten π-Elektronensystem welches den betreffenden Materiali-en die wesentlichen Eigenschaften amorpher Halblei-ter verleihen Typische Vertreter organischer Halbleitersind konjugierte Polymere und Molekuumlle wobei auch

speziell synthetisierte Hybridstrukturen verwendet wer-den Die ersten Kunststoffsolarzellen die aus konju-gierten Polymeren (Elektronendonatoren) und Fullerenen

(Elektronenakzeptoren) hergestellt wurden waren Zwei-Schicht-Solarzellen Diese Zellen bestehen aus einer duumln-nen Schicht des konjugierten Polymers auf die eineweitere duumlnne Schicht von Fullerenen aufgebracht wirdAus technologischer Sicht stellen konjugierte Polyme-re und funktionalisierte Molekuumlle auf Grund ihrer Pro-

zessierbarkeit aus der Fluumlssigphase attraktive Basisma-terialien fuumlr die kostenguumlnstige Massenproduktion flexi-bler PV-Elemente mit vergleichsweise einfacher Strukturdar Molekulare Halbleiter hingegen werden uumlblicherwei-se in vakuumgestuumltzten Aufdampfprozessen zu wohlde-finierten Mehrschichtsystemen verarbeitet und lassen dieHerstellung sequentiell abgeschiedener Halbleiterschich-ten und somit komplexere Zelltypen (z B Tandemzellen)zu

Die organische Photovoltaik (OPV) hat das technologi-sche Potenzial als sogenannte bdquoLow-cost Energy SourceldquoEinzug in die mobile Stromversorgung zu halten Dies

auch aufgrund der kostenguumlnstigen Massenfertigung aufBasis etablierter Druckverfahren Damit koumlnnte mit derorganischen Photovoltaik ein neuer Anwendungsbereicherschlossen werden bei gleichzeitig niedrigen Investiti-onskosten Die Firma Konarka Technologies GmbH inNuumlrnberg hatte 2009 erste organische Kollektoren fuumlrMobilgeraumlte auf den Markt gebracht[46]

36 Hybrid-Solarzelle

Eine Hybridsolarzelle ist eine Solarzelle die organischeund anorganische Bestandteile enthaumllt[47]

37 Fluoreszenz-Zelle

Fluoreszenz-Zellen sind Solarzellen die zunaumlchst in ei-ner Platte durch Fluoreszenz Licht groumlszligerer Wellenlaumlngeerzeugen um dieses an den Plattenkanten zu wandeln

38 Thermische Photovoltaik-Zellen(TPV)

Unter dem Namen Thermische Photovoltaik-Zellen(TPV) werden Zellen auf Basis von InP (fruumlher GaSb)verstanden die nicht Sonnenlicht verwerten sondernWaumlrmestrahlung also Licht wesentlich houmlherer Wel-lenlaumlnge Der Wirkungsgrad wurde dabei durch neuereArbeiten[48] bis auf 12 gesteigert (vorher maximal 9) Eine potentielle Anwendung solcher Zellen waumlre

die Verwertung von Waumlrme wie sie bei groszligtechnischenAnwendungen in groszligen Mengen entsteht und die bishermit zusaumltzlichem Aufwand entsorgt werden muss

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13

4 Geschichte

rarr Hauptartikel Geschichte der Photovoltaik

Die Nutzung der Sonne zur Gewinnung von elektrischerEnergie kann man grob in das Jahr 1839 datieren DerFranzose Alexandre Edmond Becquerel stellte fest dasseine Batterie wenn man sie dem Sonnenlicht aussetzteine houmlhere Leistung hat als ohne Sonnenlicht Er nutz-te den Potentialunterschied zwischen einer verdunkeltenund einer belichteten Seite einer chemischen Loumlsung indie er zwei Platinelektroden eintauchte Als er nun die-se Konstruktion in die Sonne stellte beobachtete er dassein Strom zwischen den zwei Elektroden entstand So ent-deckte er den photovoltaischen Effekt konnte ihn aller-dings noch nicht erklaumlren Spaumlter wies man nach dassauch andere Materialien wie Kupfer photoleitfaumlhig sind

Die Photoleitfaumlhigkeit wurde bei Selen 1873 nachgewie-sen Zehn Jahre spaumlter wurde die erste bdquoklassischeldquo Pho-tozelle aus Selen gefertigt Wiederum zehn Jahre spaumlter1893 wurde die erste Solarzelle zur Erzeugung von Elek-trizitaumlt gebaut

1904 entdeckte der oumlsterreichisch-ungarische PhysikerPhilipp Lenard dass Lichtstrahlen beim Auftreffen aufbestimmte Metalle Elektronen aus deren Oberflaumlche her-ausloumlsen und lieferte damit die ersten Erklaumlrungen fuumlrdenEffekt der Photovoltaik Ein Jahr spaumlter erhielt er den No-belpreis fuumlr Physik fuumlr die Erforschung des Durchgan-ges von Kathodenstrahlen durch Materie und fuumlr seineElektronentheorie Den endguumlltigen Durchbruch schaffte1905 Albert Einstein als er mit Hilfe der Quantentheo-rie die gleichzeitige Existenz des Lichtes sowohl als Welleals auch als Teilchen erklaumlren konnte Bis dahin glaubteman dass Licht nur als eine Energie mit unterschiedlicherWellenlaumlnge auftritt Doch Einstein stellte in seinen Ver-suchen die Photovoltaik zu erklaumlren fest dass sich Lichtin manchen Situationen genauso wie ein Teilchen verhaumlltund dass die Energie jedes Lichtteilchens oder Photonsnur von der Wellenlaumlnge des Lichts abhaumlngt Er beschriebdas Licht als eine Ansammlung von Geschossen die aufdas Metall treffen Wenn diese Geschosse genuumlgend En-

ergie besitzen wird ein freies Elektron das sich im Me-tall befindet und von einem Photon getroffen wird vomMetall geloumlst Auszligerdem entdeckte er dass die maxima-le kinetische Energie der losgeloumlsten Elektronen von derIntensitaumlt des Lichtes unabhaumlngig ist und nur durch dieEnergie des auftreffenden Photons bestimmt wird DieseEnergie haumlngt wiederum nur von der Wellenlaumlnge (oderder Frequenz) des Lichtes ab Fuumlr seine Arbeit zum pho-toelektrischen Effekt erhielt er 1921 den Nobelpreis fuumlrPhysik

Die Entdeckung des p-n-Uumlbergangs (Kristallgleichrich-ters) im Jahre 1947 durch William B Shockley Walther

H Brattain und John Bardeen war ein weiterer groszligerSchritt zur Solarzelle in ihrer heutigen Form Nach die-sen Entdeckungen stand dem Bau einer Solarzelle in ih-

rer heutigen Form nichts mehr entgegen Es ist jedocheinem gluumlcklichen Zufall zu verdanken dass diese ersteSolarzelle 1954 in den Laboratorien der amerikanischenFirma Bell gebaut wurde Die Mitarbeiter der Firma (un-ter Teamleiter Morton Price) beobachteten als sie einenGleichrichter der mit Hilfe von Silicium arbeitete un-

tersuchten dass dieser mehr Strom lieferte wenn er inder Sonne stand als wenn er zugedeckt war Bei Bell er-kannte man schnell den Nutzen dieser Entdeckung zurVersorgung des Telefonnetzes von laumlndlichen Regionenmit Strom was bis dahin noch mit Batterien geschah DieFirma Bell genauer Daryl Chapin Calvin Souther Fullerund Gerald Pearson entwickelte 1953 die erste mit Arsendotierte Solarzelle auf Siliciumbasis welche einen Wir-kungsgrad von etwa 4 besaszlig Durch den Wechsel desDotierungsmittels konnte der Wirkungsgrad auf etwa 6 erhoumlht werden

Modell von Vanguard 1

Die Raumfahrt erkannte sehr schnell den Nutzen derSolartechnik und ruumlstete 1958 zum ersten Mal einenSatelliten mit Solarzellen aus Vanguard 1 startete am17 Maumlrz 1958 und war erst der vierte Satellit uumlber-haupt Er besaszlig ein Solarpanel welches mit 108 Silicium-Solarzellen ausgestattet war Diese dienten nur als Lade-

station der Akkus und nicht zur direkten Stromversor-gung Dabei wurde errechnet dass die Zellen einen Wir-kungsgrad von 105 besaszligen Die Konstrukteure hatteneine geringere Energieausbeute und eine kuumlrzere Lebens-dauer angenommen so dass man diesen Satelliten nichtmit einem bdquoAusschalterldquo versehen hatte Erst nach achtJahren stellte der Satellit aufgrund von Strahlenschaumldenseinen Betrieb ein

Kurz darauf entstand die CdS-Cu2S-Solarzelle die bisAnfang der 1990er noch in Satelliten eingesetzt wurdenHeutige Satelliten sind zum Vergleich mit Vanguard I mitrund 40000 Solarzellen ausgestattet

Im Weltraum steht der natuumlrlichen Sonnenstrahlung imVergleich zur Erdoberflaumlche nichts entgegen keine Wol-kendecken und keine Strahlung absorbierende und mehr

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14 5 FORMEN UND GROumlszligEN

oder weniger verschmutzte Atmosphaumlre die das Sonnen-licht behindert Andererseits fuumlhren die extremen Strah-lungsverhaumlltnisse im Weltraum zu einer staumlrkeren Degra-dation der Solarzellen als es auf der Erde der Fall ist Seit-her versuchen Industrie und Forschung immer groumlszligereWirkungsgrade zu erreichen und zugleich die Degradati-

on und Strahlungsresistenz zu verbessern

Grafik Juno vor dem Jupiter

Uumlblicherweise werden Raumsonden im inneren Sonnen-system durch Solarzellen mit Strom versorgt Dadurchdass heutige fuumlr Raumfahrtzwecke verwendete Solarzel-len nicht nur 50 effizienter sondern auch strahlungs-resistenter als die noch vor 20 Jahren verwendeten Sili-

ciumzellen sind[49] kann im Jahr 2011 die RaumsondeJuno als erste mit Solarzellen ausgeruumlstete Raumsondezum in Strahlung getauchten Planeten Jupiter starten

Durch die Verwendung reineren Siliciums und bessererDotierungsmoumlglichkeiten wurde der Wirkungsgrad ge-steigert und die Lebensdauer erhoumlht Mandelkorn undLamneck verbesserten die Lebensdauer der Zellen 1972durch eine Reflexion der Minoritaumltsladungstraumlger in demsie ein sogenanntes back surfaces field (BSF) in die p-leitende Schicht einbrachten 1973 stellten Lindmayerund Ellison die sog violette Zelle vor die bereits ei-nen Wirkungsgrad von 14 besaszlig Durch das Reduzie-

ren des Reflexionsvermoumlgens wurde 1975 der Wirkungs-grad auf 16 gesteigert Diese Zellen heiszligen CNR-Solarzellen (englisch Comsat Non Reflection Comsat =Telefonsatellit ) und wurden fuumlr Satelliten entwickelt In-zwischen sind von Green sowie an der Stanford Univer-sitaumlt und bei Telefunken Solarzellen mit Wirkungsgradenum 20 entwickelt worden Der theoretische Wirkungs-grad fuumlr Silicium-Solarzellen liegt bei 29 fuumlr die Strah-lungsverhaumlltnisse in mittleren Breiten Zu den Wirkungs-graden siehe auch technische Merkmale

Maszliggeblicher Anstoszlig fuumlr diese Entwicklung war Anfangder Siebziger die Vervierfachung des Oumllpreises Nach

dieser Preissteigerung rief Richard Nixon 1974 ein For-schungsprogramm ins Leben welches sich mit regenera-tiven Energien auseinandersetzte Bis dahin kostete jedes

Watt 200 Dollar und war somit nicht konkurrenzfaumlhigUm die Akzeptanz und das Vertrauen bei der Bevoumllke-rung zu gewinnen wurden Anfang der 1980er Rennenmit Solarmobilen ausgetragen und im Juli 1981 uumlber-querte ein mit Solarkraft angetriebenes Flugzeug den Aumlr-melkanal

Duumlnnschichtmodule aus amorphenSilicium ermoumlglichtendie autonome Versorgung von Taschenrechnern Uhrenund anderen Kleinverbrauchern

Module mit kristallinen Zellen wurden zunaumlchst fuumlr Insel-Systeme mit 12 V Systemspannung auf der Basis einerBleibatterie genutzt Ab 1990 begann in Deutschland mitdem 1000-Daumlcher-Programm der groszligflaumlchige Einsatz innetzgekopplten Systemen

Bis gegen Ende der 1990er Jahre waren Zellen mit et-wa 100 mm Kantenlaumlnge (im Fachjargon auch Vier-Zoll-Zellen genannt) und 36 Zellen pro Modul fuumlr 12-V-

Systeme die uumlblichste Baugroumlszlige Danach wurden 125-mm-Zellen (5rdquo) verstaumlrkt fuumlr Module mit 72 Zellen fuumlr 24V Systemspannung genutzt und seit etwa 2002 sind 156-mm-Zellen (Kantenlaumlnge 156 mm bzw 6 Zoll) fuumlr Stan-dardmodule mit typisch 60 Zellen die gaumlngige Groumlszlige[50]

Versuche zur Einfuumlhrung von 8-Zellen wurden abge-brochen da die mechanische Stabilitaumlt eine Erhoumlhungder Waferdicke und damit des Materialeinsatzes erfor-dert haumltte

Ab 2007 konnten Duumlnnschichtmodule mit Zellen aus Cd-Te der Firma FirstSolar einen Preisrutsch fuumlr Solarmo-dule ausloumlsen Werke fuumlr Module mit CIS- und CIGS-

Zellen wurden aufgebaut Aber seit 2012 haben Moduleaus kristallinem Silicium gefertigt in China mit ihremKostenvorteil zusammen mit der inzwischen gesichertenVersorgung mit ausreichend Rohsilicium den Markt er-obert

5 Formen und Groumlszligen

Zu Beginn der Kommerzialisierung der Solartechnikwurden haumlufig runde Zellen eingesetzt deren Ursprung

von den meist runden Siliciumstaumlben der Computerin-dustrie herruumlhrt Inzwischen ist diese Zellenform relativselten und es werden quadratische Zellen oder fast qua-dratische mit mehr oder weniger abgeschraumlgten Eckeneingesetzt Als Standardformate werden derzeit Wafermit einer Kantenlaumlnge von 125 und 156 mm prozessiertkuumlnftig sollen aber auch Zellen mit einer Kantenlaumlnge von210 mm Bedeutung erlangen

Durch Saumlgen der fertig prozessierten Zellen entstehen fuumlrspezielle Anwendungen im Kleingeraumltebereich auch Zel-len mit kleineren Kantenlaumlngen Sie liefern annaumlhernd diegleiche Spannung wie die groszligen Zellen jedoch entspre-

chend der kleineren Flaumlche einen kleineren StromIm EFG-Verfahren werden auch Zellen hergestellt beidenen die Seiten des entstehenden Rechtecks nicht die

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61 Thermodynamisches Limit I 15

gleichen Laumlngen haben

6 Wirkungsgrad

Vergleich der praktisch erzielbaren Wirkungsgrade verschie-

dener Solarzellen und deren zeitliche Entwicklung Die vio-letten Kurven im oberen Bereich stellen sogenannte Tandem-Solarzellen eine Kombination verschiedener pn-Uumlbergaumlnge dar

Der Wirkungsgrad η einer Solarzelle ist das Verhaumlltnisder von ihr erzeugten elektrischen Leistung P elektrisch undder Leistung der einfallenden Strahlung P Licht

η = P elektrisch

P Licht

Der maximale Wirkungsgrad η einer Solarzelle ist vom

Bandabstand und der Anzahl der auf verschiedene Spek-tralbereiche optimierten pn-Uumlbergaumlnge abhaumlngig Bei ei-nem pn-Uumlbergang ist bei optimalem Bandabstand unddarauf in der Wellenlaumlnge abgestimmtem Licht theo-retisch ein Wirkungsgrad von bis zu 41 erzielbarIn praktischen Anwendungen liegen tatsaumlchlich erziel-bare Wirkungsgrade um und unter 25 Bei Tandem-Solarzellen welche durch mehrere unterschiedliche pn-Uumlbergaumlnge groumlszligere Spektralbereiche abdecken koumlnnenkoumlnnen die Gesamtwirkungsgrade aller pn-Uumlbergaumlnge inSumme auch uumlber der theoretischen Grenze von 41 liegen

Der Rekord fuumlr im Labor hergestellte Silicium-Solarzellen liegt bei 247 Prozent (University of NewSouth Wales Australien) mit denen Module mit uumlber22 Prozent Wirkungsgrad hergestellt wurden DieDegradation des Wirkungsgrades (Alterungsverhalten)liegt bei ca 10 Prozent in 25 Jahren Hersteller gebenbeispielsweise Garantien auf mindestens 80 Prozent derPeak-Leistung nach 20 Jahren

Im Weltraum ist einerseits die Solarkonstante groumlszliger alsdie Globalstrahlung auf der Erde andererseits altern dieSolarzellen schneller Solarpanele fuumlr Satelliten erreichenzur Zeit (2005) einen Wirkungsgrad von fast 25 [51] bei

einer Betriebszeit von 15 JahrenEin hoher Wirkungsgrad ist erstrebenswert weil er beigleichen Lichtverhaumlltnissen und gleicher Flaumlche zu einer

groumlszligeren Ausbeute an elektrischem Strom fuumlhrt Fuumlr jedeMaschine die auf der Erde aus Sonnenlicht oder auf an-dere Weise mechanische oder elektrische Arbeit erzeugt(z B Aufwindkraftwerke Stirlingmotoren etc) gilt einthermodynamisches Limit

61 Thermodynamisches Limit I

Die groumlbste Abschaumltzung des Wirkungsgrades erhaumllt mandurch den Carnot-Wirkungsgrad Er beschreibt den ma-ximalen Wirkungsgrad den eine beliebige physikalischeMaschine erreichen kann wenn sie ihre Energie aus derTemperaturdifferenz von zwei Waumlrmebaumldern beziehtDer Carnot-Wirkungsgrad ergibt sich aus der Tempera-tur T warm des waumlrmeren Bades und der Temperatur T kalt

des kaumllteren Bades gemaumlszlig

η = 1 minusT kalt

T warm

Im Falle der Solarzelle ist das waumlrmere Energiebaddie Sonnenoberflaumlche mit einer Temperatur von etwa5800 K und das kaumlltere Bad die Solarzelle mit einerTemperatur von 300 K Daraus ergibt sich ein Carnot-Wirkungsgrad von 95 Im Weltraum genutzte Solarzel-len haben infolge der houmlheren Temperaturdifferenz ent-sprechend houmlhere Wirkungsgrade

62 Thermodynamisches Limit II

Die Abschaumltzung im obigen Abschnitt vernachlaumlssigtdass die Energie von der Sonne zur Solarzelle durchStrahlung uumlbertragen wird In einem ausfuumlhrlicheren Mo-dell setzt man vor die Solarzelle einen Absorber Dieserabsorbiert die Strahlung der Sonne und strahlt selber ei-nen kleinen Teil der Waumlrmestrahlung wieder an die Sonneab Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz flieszligt somit ins-gesamt die Waumlrmeleistung

σT 4Sonne minus σT 4Absorber

von der Sonne zum Absorber wobei σ die Stefan-Boltzmann-Konstante ist Nach dem Carnot-Wirkungsgrad kann der Absorber von dieser Waumlrme nurden Anteil

1 minusT Solarzelle

T Absorber

in elektrische Arbeit uumlberfuumlhren Der Wirkungsgrad be-stimmt sich nun aus diesem Anteil und der gesamten vonder Sonne abgestrahlten Leistung σT 4Sonne zu

η =

9830801 minus

T 4Absorber

T 4Sonne

983081 middot

9830801 minus

T Solarzelle

T Absorber

983081

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16 7 TECHNISCHE MERKMALE

Bei einer Temperatur von 5800 K fuumlr die Sonnenober-flaumlche und 300 K Umgebungstemperatur wird der Wir-kungsgrad bei einer Absorbertemperatur von etwa 2500K maximal und betraumlgt 85 [57]

63 Shockley-Queisser-Grenze

0 1 2 30

10

20

30

m a

x

W i r k u n g s g r a d i n

Bandabstand in eV

Maximaler Wirkungsgrad als Funktion des Bandabstandes wiees die Shockley-Queisser-Grenze beschreibt

rarr Hauptartikel Shockley-Queisser-Grenze

Die Shockley-Queisser-Grenze betrachtet den fuumlr Solar-zellen typischen Anregungsprozess von Elektronen in ei-nem Halbleiter In einer Solarzelle wird dadurch Licht in

elektrische Energie umgewandelt dass das Licht Elek-tronen aus dem Valenzband in das Leitungsband anregtNur ein schmaler Ausschnitt des angebotenen Energie-spektrums wird genutzt Der theoretische Grenzwert en-ergieselektiver Zellen ist deshalb kleiner als das thermo-dynamische Limit eines Gesamtsystems

Entscheidend fuumlr die Energie die man pro angeregtemElektron gewinnen kann ist dabei die Groumlszlige der Bandluuml-cke E g des Halbleiters Unabhaumlngig davon wie weit dasElektron uumlber die untere Kante des Leitungsbandes an-geregt wird erhaumllt man pro Elektron maximal die Ener-gie der Bandluumlcke als elektrische Energie Bei der elektri-

schen Leistung die man aus allen angeregten Elektronengewinnt muss man beruumlcksichtigen dass bei einer klei-nen Bandluumlcke mehr Elektronen erzeugt werden Bei ei-ner groszligen Bandluumlcke hat jedes einzelne Elektron dafuumlrmehr Energie Es muss daher ein Kompromiss aus fol-genden Grenzfaumlllen gefunden werden

bull Groszlige Bandluumlcke Nur energiereiches Licht (blauesund ultraviolettes Licht) kann Elektronen erzeugenda laumlngere Wellenlaumlngen nicht absorbiert werdenWegen der groszligen Bandluumlcke besitzt jedes Elektroneine hohe Energie

bull Kleine Bandluumlcke Auch langwelliges Licht kannElektronen anregen so dass insgesamt viele Elektro-

nen ins Leitungsband angeregt werden Diese ver-lieren jedoch durch Stoszligprozesse mit dem Kristall-gitter in wenigen hundert Femtosekunden einen Teilihrer Energie bis sie nur noch die Energie der Band-luumlcke besitzen

Die Shockley-Queisser-Grenze gilt fuumlr den Fall einer Zel-le mit nur einem pn-Uumlbergang Mit sogenanntenTandem-Solarzellen (englisch multi-junction solar cell ) in de-nen mehrere pn-Uumlbergaumlnge mit verschiedenen Band-luumlcken kombiniert sind koumlnnen prinzipiell auch houml-here Wirkungsgrade erreicht werden siehe AbschnittMehrfachsolarzellen

7 Technische Merkmale

Die Kenngroumlszligen einer Solarzelle werden fuumlr normierteBedingungen die Standard-Testbedingungen haumlufig ab-gekuumlrzt STC (englisch Standard Test Conditions ) angege-ben

bull Einstrahlungsstaumlrke von1000 Wmsup2in Modulebene

bull Temperatur der Solarzelle 25 degC konstant

bull Strahlungsspektrum AM 15 global DIN EN 61215IEC 1215 DIN EN 60904 IEC 904

Dabei steht AM 15 global fuumlr den Begriff Air Mass die

15 dafuumlr dass die Sonnenstrahlen das 15-fache der At-mosphaumlrenhoumlhe durchlaufen weil sie schraumlg auftreffenDas entspricht sehr gut den sommerlichen Gegebenhei-ten in Mitteleuropa von Norditalien bis MittelschwedenIm Winter steht die Sonne in unseren Breiten erheblichtiefer und ein Wert von AM 4 bis AM 6 ist hier realisti-scher

Durch die Absorption in der Atmosphaumlre verschiebt sichauch das Spektrum des auf das Modul treffenden Lich-tes bdquoGloballdquo steht fuumlr Globalstrahlung die sich aus demDiffus- und dem Direktstrahlungsanteil der Sonne zusam-mensetzt

Dabei ist zu beachten dass in der Realitaumlt insbesonderedie Zellentemperatur bei einer solchen Einstrahlung diein Deutschland im Sommer zur Mittagszeit erreicht wirdbei normalem Betrieb wesentlich houmlher liegt (je nach An-bringung Windanstroumlmung etc kann sie zwischen etwa30 und 60 degC liegen) Eine erhoumlhte Zellentemperatur be-deutet aber gleichzeitig einen herabgesetzten Wirkungs-grad der Solarzelle Aus diesem Grund wurde auch eineweitere Bezugsgroumlszlige geschaffen PNOCT die Leistungbei normaler Betriebstemperatur (normal operating celltemperature)

Gebraumluchliche Abkuumlrzungen fuumlr die Bezeichnungen sind

bull SC Short Circuit ndash Kurzschluss

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71 Schaltbilder 17

Stromstaumlrke I Leistung P

e r z e u g

t e L e i s

t u n g

Spannung U

o h

n e

B e l e

u c h t u

n g

m i t

B e l e

u c h t u

n g

Kurzschluszligstrom

Leerlaufspannung

Punkt maximaler

Leistung

oc

I

I

mp UU

mp

sc

Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzelle beleuchtet und un-beleuchtet

bull OC Open Circuit ndash Leerlauf

bull MPP Maximum Power Point ndash Betriebspunkt ma-ximaler Leistung

bull PR Performance Ratio Qualitaumltsfaktor der an-gibt welcher Teil des vom Solargenerator erzeug-ten Stromertrages (unter Nennbedingungen) real zurVerfuumlgung steht

Die Kennwerte einer Solarzelle sind

bull Leerlaufspannung U OC (auch V OC )

bull Kurzschlussstrom I SC

bull Spannung im bestmoumlglichen Betriebspunkt U MPP

(auch V MPP )

bull Strom im Betriebspunkt mit maximaler LeistungI MPP

bull Maximale erzielbare Leistung P MPP Solarzellenher-steller geben diese unter standardisierten Bedin-gungen maximal erzielbare Leistung in der Einheit

kWp sprich bdquoKilowatt-Peakldquo an

bull Fuumlllfaktor F F = PMPPU OCmiddotI SC

bull Koeffizient fuumlr die Leistungsaumlnderung mit der Zell-temperatur

bull Zellwirkungsgrad η = P MPPAmiddotE e

mit der bestrahlten Flauml-che A und der Bestrahlungsstaumlrke E e

Solarzellen koumlnnen also eine Leistung von sehr grob 160Wmsup2 abgeben Eingebaut in ein Modul ist die Leistung

pro Flaumlche geringer da zwischen den Zellen und zumModulrand Abstaumlnde vorhanden sind Im Weltraum wirdeine Leistung von 220 Watt pro Quadratmeter erzielt[58]

Schaltsymbol einer Fotodiode

Schaltzeichen und einfaches Ersatzschaltbild einer Solarzelle

71 Schaltbilder

Das Schaltsymbol einer Solarzelle gibt wie das Schalt-symbol einer Diode oder Photodiode mit einem Pfeil

die technische Stromrichtung zur Verschaltung an DerKennlinienverlauf einer realen Solarzelle weicht aller-dings von der einer idealen Fotodiode ab Um die-se Abweichungen zu modellieren existieren mehrereErsatzschaltbilder

711 Vereinfachtes Ersatzschaltbild

Das Schaltbild besteht zunaumlchst nur aus einerStromquelle die parallel zu einer idealen Diode ge-schaltet wird Diese produziert einen Strom der vonder Bestrahlungsstaumlrke abhaumlngt und den Photostrom I ph

modelliert Die Gesamtstromstaumlrke ergibt sich damit mitdem Diodenstrom I D (siehe Diode) zu

I = I ph minus I D = I ph minus I S

983131e

U DnmiddotU T minus 1

983133

712 Erweitertes Ersatzschaltbild (Ein- undZweidiodenmodell)

Das erweiterte Ersatzschaltbild nimmt Ruumlcksicht auf rea-le Faktoren des Bauelementes die durch die Fertigung

entstehen Mit diesen Modellen soll ein moumlglichst rea-listisches Modell der tatsaumlchlichen Solarzelle geschaffenwerden Beim Eindiodenmodell wird so das vereinfach-

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18 9 UMWELTSCHUTZ

Eindiodenmodell einer Solarzelle

te Ersatzschaltbild zunaumlchst nur durch einen parallel undeinen in Reihe geschalteten Widerstand ergaumlnzt

bull Der Parallelwiderstand Rp symbolisiertKristallfehler nichtideale Dotierungsverteilungenund andere Materialdefekte durch dieVerluststroumlme entstehen die den p-n-Uumlberganguumlberbruumlcken Bei Solarzellen aus guter Herstellungist dieser Widerstand relativ groszlig

bull Mit dem Serienwiderstand Rs werden alle Effektezusammengefasst durch die ein houmlherer Gesamtwi-derstand des Bauelementes entsteht Das sind haupt-saumlchlich der Widerstand des Halbleitermaterials derWiderstand an den Kontakten und der ZuleitungenDiese Groumlszlige sollte bei gefertigten Solarzellen moumlg-lichst gering sein

Die Formel fuumlr den Gesamtstrom ist fuumlr dieses Modellbereits eine rekursive Funktion und lautet

I = I phminusI dminusU p

Rp= I phminusI S

983131eU +RsmiddotInmiddotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

Beim Uumlbergang zum Zweidiodenmodell fuumlgt man ei-

Zweidiodenmodell mit spannungsgesteuerter Stromquelle fuumlr denLawinendurchbruch in Sperr-Richtung

ne weitere Diode mit einem anderen Idealitaumltsfaktor nein Normalerweise werden diese uumlber die Werte 1 und2 angesetzt Weiterhin lassen sich alle diese Modellebei Betrieb in Sperr-Richtung durch eine spannungsge-steuerte Stromquelle ergaumlnzen um den Lawinendurch-bruch zu modellieren Die Formeln fuumlr die Stroumlme beim

Zweidiodenmodell lauten dann bei Anpassungsleitwert g Durchbruchspannung U und Lawinendurchbruchex-ponent n

I = I phminusI bminusI S1

983131eU +RsmiddotIn1middotU T minus 1

983133minusI S2

983131eU +RsmiddotIn2middotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

I b = gb middot

(U + Rs middot I )

Rpmiddot983080

1 minus

U + Rs middot I

U b983081minusnb

8 Energetische Amortisation undErntefaktoren

Siehe auch Erntefaktor

Die energetische Amortisationszeit ist der Zeitpunkt zudem die fuumlr die Herstellung einer Photovoltaikanlage auf-gewandte Primaumlrenergie durch selbige wieder erzeugt

wurde Da die bei der Produktion genutzte elektrischeEnergie zu den Sekundaumlrenergien zaumlhlt wird diese mitdem Wirkungsgrad eines fossilen Kraftwerkes in Pri-maumlrenergie umgerechnet Dementsprechend erfolgt dieseUmrechnung auch bei der erzeugten elektrischen Energieder Solarzelle Analog kann man sich vorstellen dass diePhotovoltaikanlage den Strom aus einem konventionellenKraftwerk ersetzt[59]

Die energetische Amortisationszeit von Photovoltaikan-lagen betraumlgt derzeit (Stand 2013) nach einer Studie vonPeng et al global betrachtet zwischen 075 und 35 Jah-ren je nach Standort und verwendeter Photovoltaiktech-

nologie Der Mittelwert schwankt im Bereich von ca15 bis 25 Jahren Dies bedeutet in diesem Zeitraumhat die Photovoltaikanlage wieder die Energie hereinge-spielt die insgesamt waumlhrend ihres gesamten Lebenszy-klus verbraucht wurde Beruumlcksichtigt sind also die Her-stellung der Anlagen ihr Transport die Errichtung Be-trieb und der Ruumlckbau bzw Recycling Die rechnerischenCO2-Emissionen von Photovoltaikanlagen je nach Tech-nik und Standort zwischen 105 und 50 g CO2kWh mitDurchschnitten im Bereich 35 bis 45 g CO2kWh AlsLebensdauer wurde in der Studie 30 Jahre fuumlr Moduleauf Basis kristalliner Siliciumzellen und 20-25 Jahren fuumlr

Duumlnnschichtmodule angenommen fuumlr Lebensdauer derWechselrichter wurden 15 Jahre angenommen[60] Photo-voltaikanlagen liefern demnach waumlhrend ihrer Betriebs-zeit ein Vielfaches der Energie die zu ihrer Herstellungurspruumlnglich aufgewandt wurde

9 Umweltschutz

Die Herstellung photovoltaischer Solarzellen ist ein che-mischer Prozess bei dem gasfoumlrmige fluumlssige und fes-te Chemikalien zum Einsatz kommen die gesundheits-

und umweltschaumldlich sind Aus diesem Grund ist ein ho-her Standard der Prozesssicherheit zentral Unter Ar-beitsschutzaspekten ist eine sichere Ablufterfassung und

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Reinigung zu gewaumlhrleisten Bei dem Einsatz von Nass-waumlschern wird die Abluft durch ein fluumlssiges Absorpti-onsmedium geleitet Wenn dieses aufgebraucht ist ent-steht eine weitere Abwasserquelle neben den Aumltzloumlsun-gen aus der Produktion Diese muumlssen innerbetrieblichwiederaufbereitet oder spezialisierten Entsorgern uumlber-

geben werden Bei der Herstellung von Duumlnnschicht-halbleitern kommt es an den Waumlnden und Aufbautender Prozesskammer zu siliciumhaltigen AblagerungenDie Ruumlckstaumlnde muumlssen regelmaumlszligig entfernt werden dasie den Prozess stoumlren und zu Qualitaumltseinbuszligen fuumlh-ren Zum Entfernen der Ruumlckstaumlnde verwendet manSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid als Reini-gungsgase Beide Gase sind zwar ungiftig gleichwohlaber sehr starke Treibhausgase[61] In der Zellproduk-tion muumlssen die Reinigungsgase mit hoher Volumen-flussrate eingesetzt werden da sie chemisch sehr sta-bil sind und im Plasma zu weniger als 10 in rei-

nigungsaktive Radikale zerfallen Ein Groszligteil des Ga-ses bleibt somit ungenutzt und muss kostenintensiv ent-sorgt werden Zum Teil entweicht es ndash gewollt oder un-gewollt ndash direkt in die Umwelt Hieraus erklaumlrt sichu a auch der kuumlrzlich gemessene starke Anstieg derStickstofftrifluoridkonzentration in der Hochatmosphauml-re besonders uumlber Ost- und Suumldostasien An Stelle vonSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid kann auchdas sehr reaktive Halogen Fluor als Reinigungsgas ver-wendet werden Fluor ist sehr giftig es ist jedoch keinTreibhausgas Auszligerdem laumlsst es sich sehr leicht undruumlckstandsfrei aus Abgasstroumlmen entfernen

Einige Solarzelltypen verwenden anstelle von SiliciumStoffe wie z B toxisches oder karzinogenes CadmiumArsen bzw deren Verbindungen sowie Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid Ein typisches Cadmiumtellurid-Solarmodul enthaumllt zum Beispiel ca 22 g des gefaumlhrli-chen Schwermetalls Cadmium und 25 g Tellur pro msup2Zellflaumlche[62] Bei der Produktion werden beide Sub-stanzen durch Co-Verdampfung auf das Traumlgermaterialaufgebracht Die Co-Verdampfung ist ein ungerichteterProzess bei dem die gesamte Innenoberflaumlche derBeschichtungskammer mit Duumlnnschichten aus TellurCadmiumtellurid Cadmiumsulfid und Antimontelluriduumlberzogen werden Der Materialverbrauch erhoumlht sich

dadurch um mindestens weitere 40

Bei der regelmaumlszligigen Reinigung der Produktionskam-mer mit waumlssriger Saumlure ndash die Reinigung erfolgt ma-nuell ndash werden die Ruumlckstaumlnde in eine waumlssrige Louml-sung uumlberfuumlhrt Neben der eigentlichen Zellprodukti-on stellt also auch die Reinigung der Produktions-anlagen eine Herausforderung an Umweltschutz undArbeitsschutz dar[63][64][65][66][67] Eine neuere Unter-suchung versucht die geringere Gefaumlhrdung die vonCadmiumtellurid-Zellen im Vergleich zur Kohleverbren-nung ausgeht nachzuweisen[36] Produktionsruumlckstaumln-de und Emissionen koumlnnen zu Langzeitschaumlden und

Altlasten fuumlhren Gleiches gilt bei unsachgemaumlszliger Ent-sorgung fuumlr die Altzellen Die Photovoltaik unterschei-

det sich in diesem Aspekt von anderen Technologien zurNutzung regenerativer Energien

10 Sicherheitsbetrachtung

Fuumlr Schutzmaszlignahmen im Brandfall und Blitzeinschlagsiehe Photovoltaikanlage

11 Siehe auch

bull Halbleiterdetektor

bull Sonnensimulator (Photovoltaik)

12 Literatur

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bull Viktor Wesselak Sebastian Voswinckel Photovol-taik Wie Sonne zu Strom wird Daten FaktenHintergruumlnde Springer Vieweg Berlin 2012 ISBN978-3-642-24296-0 (= Technik im Fokus )

bull Viktor Wesselak Thomas Schabbach ThomasLink Joachim Fischer Regenerative Energietech-nik 2 erweiterte und vollstaumlndig neu bearbeite-te Auflage Springer Vieweg Berlin Heidelberg2013 ISBN 978-3-642-24165-9

bull Peter Wuumlrfel Physik der Solarzellen SpektrumAkademischer Verlag Heidelberg 2000 ISBN 3-8274-0598-X (= Spektrum Hochschultaschenbuch)

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Wikibooks Herstellung von Solarzellen ndash Lern-

und Lehrmaterialien

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15 Text- und Bildquellen Autoren und Lizenzen

151 Text

bull Solarzelle Quelle httpdewikipediaorgwikiSolarzelleoldid=138856800 Autoren Fgb RobertLechner Schewek Igelball Aka StefanKuumlhn Lukian Onno Ilja Lorek Head El GNosis Atman Sun Tsor Matthaumlus Wander Seewolf HenrikHolke Honina Pstaudt-fischbachSchusch GDK Migas Paddy Zwobot Kai11 D HaeB ArtMechanic Hadhuey Robbot Pm Anton HaSee Rdb Boehm ZumboDirk33 AndreasB Pietz Soundray Sinn Peter200 Schmiddtchen Fuenfundachtzig Breeze Magadan Fetz Braun Jdiemer StYxXxSebastianWilken Martin-vogel Mnh Ot Aloiswuest MAK Scorpion2211 Gerhardvalentin Jaques AshSert Philipendula STephanKambor Koerpertraining Nicolas PeeCee Duesentrieb AHZ Hendric Stattmann Kristjan Ri st Hafex Norro Cepheiden Christoph-Demmer Fubar Ckeen DasBee Silberchen iexcl0-8-15 1-1111 VanGore Mjk Groer Umaluagr Mkuemmerer Wendelin Cyper QdrDundak Liberatus Juesch Kdkeller Greuer Drap Garak76 MartinThoma Udo T Zaungast Stephantom Pelz ML Thorbjoern Hein-te Diba Blech Zahnstein Renekaemmerer He3nry SchorSch Ion Tauwasser Bobbl Rosa Lux Gerbil Ulfbastel Hubertl MrVVooUebel H2h Liberal Freemason Quirin Leonce49 Blaubahn Flominator RedBot Anhi Dein Freund der Baum Wkw1959 So66 Cle-mensfranz OKoslowski Itti Yahp Miaow Miaow Zaphiro Eneldo Onliner Wahldresdner Darok MovGP0 Muck Uwezi Loh SyrcroZweistein12 Olei Dantor Krischan111 Nize Uwe W Georg Slickers Amtiss Roterraecher RajHid STBR Jackalope Ephraim33JFKCom Andimx Suirenn Hydro Pajz Dktz RobotQuistnix Alanmak Euku Xocolatl Hermannthomas Eynre Savin 2005 AbrevFireball TheTruth Bahnemann Segelmaus Harf Jakob5 Zemy Nyneela Schmitty TobiWanKenobi DerHexer WAH Sesc RolandBerger Schlesinger Staro1 Mo4jolo GeorgHH MutluMan Nightflyer Matzematik PeterFrankfurt Tomreplay PortalBot Ing Schrouml-der Walter LKD Juuml Manecke Quelokee Mons Maenalus JoBa2282 Stepa Giessauf A Cellulesolaire Lemberger HillerD RadlfahrerHelfmann Logograph Mion KaiMeier Sepp Roest FabiBerg Flo422 Degreen Rai42 Rfc GruumlneErde Btr FelixP Wdwd PendulinAdipictures HAH Toumlnjes Kaumlpten Balu Andreas 06 Batosai Rex Akribix D-Kuru UnknownID01 Cramunhao BesondereUmstaende

Tetris L MichaelFrey Jaellee Moumlchtegern Rufus46 Tillniermann TobiasKlaus Spuk968 Thijsbot Hpt Drcueppers Styxcr Wiki-murmeltier XenonX3 YMS Jobu0101 Leider Mschachinger Taratonga Horst Graumlbner WasserFreund Gustav von Aschenbach TobiB Muck31 Dandelo Simon-Martin Hedwig in Washington JAnDbot Nicolas G Gratisaktie Mrdaemon YourEyesOnly MarkujaIqRS M0nsterxxl Frankee 67 Cspan64 IRiedel Qkaz Jbergner Septembermorgen Gerhard wien CommonsDelinker Phriedrich Kue-bi Leuni Alchemist-hp Radunze Giftmischer Blaufisch Don Magnifico Axl Rose ABF Diwas RacoonyRE Sundar1 Complex TarfulAnjaM Lmmrs Zeitan Reaper35 VolkovBot Gravitophoton ldblquote Michileo Hjortron TXiKiBoT Kockmeyer Cactus26 Bazoo-kabill Rei-bot Petuschki Regi51 Claude J Idioma-bot Zwoumllfvolt Angerdan Martinhei ChrisHamburg Benutzer20070331 KrawiIshbane Entlinkt Taschna Der kleine gruumlne Schornstein DerTraeumer Tubas Juri S Worfo Engie Funkruf K41f1r Rotkaeppchen68Truthlobby Snoopy1964 Avoided Josal69 Aktionsbot Dudemaster23 Bengor Succu DonatelloXX Alnilam Kh555 TorwartfehlerPickhj Wispanow Pittimann Matthiasberlin Bullvolkar Se4598 Emergency doc Querverplaumlnkler Wizard of Oz(wald) Kein EinsteinHoltzhammer Blusky Halis Jelges Inkowik Fish-guts DumZiBoT SchroedingersKatze Grey Geezer Steinbeisser Horvath08 Gi-nosbot Simonste Philipp Wetzlar CaZeRillo Amirobot Luckas-bot KamikazeBot GrouchoBot Wiki4you Spookie1302 Small AxeHarald Lordick Shisha-Tom Yonidebot CSGSolarAT Xqbot ArthurBot Howwi Cubjek Morten Haan Astrobeamer Brodkey65 Pv42Pentachlorphenol Geierkraumlchz TB42 CactusBot Sunrydz Quartl Sindopower Rr2000 Norbirt Fredric Qniemiec Simey00wiki Ko-piersperre Jivee Blau Roentgenium111 Sebaacutestian San Diego MorbZ-Bot ShithappensbyTuE MondalorBot Jashuah Nothere Rubbles-by Ein kleiner Physiker Dermartinrockt Antonsusi Wurmkraut Mabschaaf Alraunenstern SolarFuture Aund M Weitzer Helium4

Avene DerGraueWolf Martin1978 Wassertraeger Pleonasty HRoestTypo EmausBot Halbarath Muumldigkeit ReinerSpass Mswisi Un-sterblicher TtIiMmOOO ZeacuteroBot Ottomanisch Dsfranzi Didym Striga Cologinux 30wiki04 Karle07 Ne discere cessa Rabax63Waithamai EnergieLabor Cassirer Randolph33 Mukitil Nummer4 Googolplex Flanschko Georgepauljohnringo Woltmers KrdbotHephaion Andol MerlIwBot Mikered KLBot2 Oguenther Thesurvived99 Herzoeglich Rudschuck Tomaacutes66 Gregou Boshomi Stei-ni77 Isjc99 Derschueler Hans Haase Schwunkel Smallandsimple Ciwd2 Nurax666 Krantnejie Rmcharb Kuschi51 Cimballi Redak-tionPflanze Datenundfakten Ragna314 Fico123456789 Buchbibliothek Blafnu Ferina53Solarous Kritzolina WhistlingBird Budu123Manni Lang HeicoH und Anonyme 686

152 Bilder

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24 15 TEXT- UND BILDQUELLEN AUTOREN UND LIZENZEN

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Page 3: Solar Zelle

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14 Bauformen 3

erreicht worden Modul-Wirkungsgrade in-zwischen (2007) bei 10 Langzeitverhaltennoch nicht bekannt

4 I-III-VI-Halbleiter-Solarzellen

bull CIS- CIGS-Solarzellen (Chalkopyrite) be-stehen aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenidbzw Kupfer-Indium-Disulfid Dieses Materialfindet Anwendung in Duumlnnschichtsolarzellenndash hier ist CIGS das leistungsstaumlrkste Materi-al mit Laborwirkungsgraden von mittlerwei-le 208 (Oktober 2013[12]) Der Modul-Wirkungsgrad betraumlgt derzeit 174 (StandFebruar 2012[13]) 1999 konnte Siemens So-lar die ersten Module zeigen VerschiedensteHersteller haben unterschiedliche Fertigungs-verfahren entwickelt Bisher hat trotz des her-vorragenden Designs noch keiner nennenswer-te Marktanteile erreicht Indium ist teuer undals Ressource beschraumlnkt

5 Organische Solarzellen (OPV) Die organische Che-mie liefert Werkstoffe die moumlglicherweise einekostenguumlnstige Fertigung von Solarzellen erlaubenBisheriger Nachteil ist ihr derzeit noch schlechterWirkungsgrad von maximal 120 [14] und dierecht kurze Lebensdauer (max 5000 h) der Zellen

6 Farbstoffzellen - Graumltzel-Zellen DSC oder DSSC(dye-sensitized (solar) cell) - nutzen organische

Farbstoffe zur Umwandlung von Licht in elektrischeEnergie ein Vorgang der an die Photosynthese an-lehnt Sie sind meistens lila Diese Zellen liefern miteinem leitfaumlhigen Polymer wie Polypyrrol anderKa-thode den besten Wirkungsgrad aller organischenSolarzellen von uumlber 10 haben jedoch aufgrundaggressiver Elektrolyte eine begrenzte Lebensdauer

7 Halbleiter-Elektrolytzellen z B KupferoxidNaCl-Loumlsung Sehr einfach herstellbare Zelle jedoch inLeistungsfaumlhigkeit und Zuverlaumlssigkeit limitiert

13 Materialverfuumlgbarkeit

Silicium der Grundstoff fuumlr die Solarzellen steht in na-hezu unbegrenzter Menge zur Verfuumlgung [15] Siliciumkommt in der Natur als Siliciumoxid (Quarz) oder Silicatvor und wird vom Sauerstoff unter hoher Temperatur ge-trennt

Bei seltenen Solarzellenmaterialien wie etwa IndiumGallium Tellur und Selen uumlberschreitet der weltweiteVerbrauch (Indium etwa 850 Tonnen bei Gallium etwa165 Tonnen) die jaumlhrliche Produktionsmenge[16] Auf-fallend war der stark steigende Verbrauch von Indium

in Form von Indium-Zinn-Oxid in der Fluumlssigkristall-und OLED-Bildschirmherstellung sowie die Verwen-dung von Gallium und Indium in der Produktion von

Leuchtdioden zur Produktion energiesparender Leucht-mittel und als Hintergrundbeleuchtung fuumlr Flachbild-schirme

Bei dem auch bei der Herstellung von Leuchtdiodenbedeutsamen Indium wird einerseits bis 2035 mit ei-

nem Versiegen der Ressourcen gerechnet

[17]

da sich dietheoretischen Indiumvorraumlte im Jahr 2006 auf nur 6000Tonnen die oumlkonomisch abbaubaren Reserven auf so-gar nur 2800 Tonnen beliefen[18] Andere Quellen re-den von 50000 Tonnen und Speisung des Verbrauchsaus Recycling[19] Die Sekundaumlrproduktion also das Re-cycling uumlbertrifft die Primaumlrproduktion und lag im Jahr2008 bei 800 Tonnen[20]

Die Situation bei Selen und beim noch selteneren Tellur(beide Halbmetalle liegen in geringer Konzentration imAnodenschlamm der Kupferelektrolysevor) erscheint aufden ersten Blick weniger kritisch da die Kupferprodu-

zenten derzeit nur einen Teil des in Metallelektrolyse an-fallenden Anodenschlamms zur Selen- oder Tellurgewin-nung einsetzen Die oumlkonomisch erschlieszligbaren Selenre-serven werden auf 82000 Tonnen die Tellurreserven auf43000 Tonnen geschaumltzt Dies ist wenig selbst im Ver-gleich zu den Reserven des ebenfalls nicht besonders haumlu-figen Buntmetalls Kupfer von 550 Millionen Tonnen

Die Produktionsprozesse in denen Gallium Indium Se-len und Tellur eingesetzt werden verfuumlgen uumlber eine un-guumlnstige Materialoumlkonomie und muumlssen verbessert wer-den

14 Bauformen

S t r a h l u n g s i n t e n s i t auml t W m sup2 n m

05

1

15

2

500 750 1000 1250 1500 1750

Wellenlaumlnge nm

Bandluumlcke Si (T=300K)

Terrestrische Sonnenstrahlung(Luftmasse AM15)

nutzbarerSpektralanteil

Ausnutzung der Sonnenstrahlung durch Silicium (mono- und po-lykristallin)

Neben dem Material ist die Bauweise von BedeutungMan unterscheidet verschiedene Oberflaumlchenstrukturie-rungen und Anordnungen der Kontaktierung der trans-parenten jedoch hochohmigen Deckelektrode (schmaleoder sogar durchsichtige Kontakte)

Weitere Bauformen sind Stapeltechniken durch Material-kombinationen unterschiedlicher Absorptionswellenlaumln-gen wodurch der Wirkungsgrad der Gesamtanordnung

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4 1 EINTEILUNG

S t r a h l u n g s i n t e n s i t auml t W m sup2 n m

05

1

15

2

500 750 1000 1250 1500 1750

Wellenlaumlnge nm

Bandluumlcke GaSb(T=300K)

Terrestrische Sonnenstrahlung(Luftmasse AM15)

nutzbarerSpektralanteil

Ausnutzung der Sonnenstrahlung durch Galliumantimonid

erhoumlht werden kann Es wird versucht die Materialien sozu waumlhlen dass das einfallende Sonnenspektrum maxi-

mal ausgenutzt wirdDerzeitig sind kommerziell erhaumlltliche Solarzellen ausHalbleitermaterialien uumlberwiegend aus Silicium AuchIIIV-Halbleitermaterialien werden verwendet (unter an-derem an Raumsonden) Wegen ihrer hohen Kosten wer-den sie fuumlr terrestrische Anwendungen in Konzentrator-Systemen verwendet Polymere Solarzellen befinden sichnoch in der Forschung

Halbleitersolarzellen muumlssen zur Energiegewinnung zuSolarmodulen verschaltet werden Kristalline Zellen wer-den dafuumlr mit Leiterbahnen an Vorder- und Ruumlckseite in

Reihe geschaltet Die Spannung der Einzelzellen von ca05 V unter Belastung und 064 V im Leerlauf addiertsich dabei Bei der heute uumlblichsten Anzahl von 60 Zellenentsteht ein Modul mit einer typischen Arbeitsspannungvon 30 V und einer Leerlaufspannung von 384 V Solchein Modul aus 6+-Zellen liefert dabei etwa 230ndash260 WLeistung bei STC-Testbedingungen Diese Solarmodulekoumlnnen selbst wieder mittels integrierter spezieller Steck-verbinder an Kabeln einfach in Reihe geschaltet werdenum die Leistung zu erhoumlhen Dabei werden Leerlaufspan-nungen bis zu 1000 V bei Umgebungstemperaturen unterndash10 degC als maximal zulaumlssiger Grenzwert erreicht AlsSchutz vor einem Lawinendurchbruch in den einzelnen

Zellen (etwa bei Teilabschattung durch herabgefallenesLaub) muumlssen jedoch zusaumltzlich Schutz-Dioden (Bypass-Dioden) parallel zu den Zellen eingebaut werden die dieabgeschatteten Zellen uumlberbruumlcken koumlnnen In Generato-ranschlusskaumlsten kann in Groszliganlagen eine Parallelschal-tung uumlber Sicherungen zur weiteren Leistungssteigerungerfolgen

15 Funktionsprinzip

Solarzellen aus Halbleitermaterialien sind im Prinzip wie

groszligflaumlchige Photodioden aufgebaut Sie werden jedochnicht als Strahlungsdetektor sondern als Stromquelle be-trieben

Ruumlckseitenkontakt

p - dotiert+p - dotiert-

n - dotiert+

Raumladungszone

geladene

Atomruumlmpfe

(Raumladung)

E-Feld

Sonneneinstrahlung

Loch(Defektelektron)

Elektron

Frontkontakt

Lichtintensitaumlt

Eindringungstiefe

nutzbarer Lichtanteil

Einfallende Photonen erzeugen Elektronen und Loumlcher die imelektrischen Feld der Raumladungszone des p-n-Uumlbergangs ge-trennt werden (Diese Abbildung gilt nicht fuumlr waferbasierteSilicium-Solarzellen denn dort dringt das Licht tief in die Basis ein und es uumlberwiegt der Beitrag der zum p-n-Uumlbergang diffun-dierenden Minoritaumltsladungstraumlger siehe Text und [21])

Va le n z ba n d

Le i t u n g s ba n d

Ferminiveau

F r o n t k o n t a k t

R uuml c k s e i t e n k o n t a k t

p+n+ p-

P h

o t o

n

w i r d

a b

s o r b i e

r t G e n e r a t i o n

( E l e k t r o n - L o c h - P a a r )

Bandstruktur einer einfachen pin-dotierten Siliciumsolarzelle

Die Besonderheit von Halbleitern ist dass durch zuge-fuumlhrte Energie (elektromagnetische Strahlung) in ihnenfreie Ladungstraumlger erzeugt werden koumlnnen (Elektronenund Loumlcher siehe Generation) Um aus diesen Ladun-gen einen elektrischen Strom zu erzeugen ist es noumltigdie erzeugten freien Ladungstraumlger in unterschiedlicheRichtungen zu lenken dies geschieht sehr haumlufig durchein internes elektrisches Feld welches durch einen p-n-

Uumlbergang erzeugt werden kannJe nach Bauform der Solarzelle sind fuumlr die Erzeugungdes Photostroms zwei unterschiedliche Transportmecha-nismen relevant Diffusion bzw Drift

Bei typischen kristallinen Siliciumsolarzellen mit Wafer-dicken von rund 200 microm ist der groumlszligte Teil des lichtab-sorbierenden Materials feldfrei er wird Basis genannt Inder Basis diffundieren die optisch angeregten Minoritaumlts-ladungstraumlger (Elektronen bei n-dotierter Basis bzw Louml-cher bei p-dotierter Basis) frei umher (Die bei der Licht-absorption mit angeregten Majoritaumltsladungstraumlger spie-len fuumlr die Funktionsweise der Solarzelle keine Rolle)

Sobald Minoritaumltsladungstraumlger die Raumladungszonedes p-n-Uumlbergangs erreichen werden sie durch das elek-trische Feld zur anderen Seite des p-n-Uumlbergangs hin be-

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schleunigt und so von den Majoritaumltsladungstraumlgern derBasis getrennt letztere werden vom elektrischen Feld desp-n-Uumlbergangs aufgrund ihrer entgegengesetzten Ladungzuruumlckgehalten Diese Solarzellen erreichen eine hohePhotostromausbeute wenn die Diffusionslaumlnge der Mi-noritaumltsladungstraumlger groszlig im Verhaumlltnis zur Dicke der

Basis istund die Ruumlckseite der Solarzelle entweder ein so-genanntes Back Surface Field (BSF) aufweist oder dielek-trisch passiviert ist wodurch die Rekombinationsverlustereduziert werden

Bei Solarzellen die aus einem Material mit kleiner Dif-fusionslaumlnge bestehen reicht die Raumladungszone mitdem elektrischen Feld moumlglichst weit in das Material hin-ein Dies wird durch gezielte Dotierung des Materials ein-gestellt (siehe Halbleitertechnologie) Um das gewuumlnsch-te Profil zu erzeugen wird gewoumlhnlich eine duumlnne Ober-flaumlchenschicht stark n-dotiert die dickere Schicht dar-unter schwach p-dotiert Das hat eine Raumladungszone

mit hoher Weite zur Folge Wenn in dieser Zone nunPhotonen einfallen und Elektron-Loch-Paare erzeugen(innerer Photoeffekt) so werden durch das elektrischeFeld die Loumlcher zum untenliegenden p-Material be-schleunigt und umgekehrt die Elektronen zum n-Kontaktauf der (sonnenzugewandten) Oberseite

Ein Teil der Minoritaumltsladungstraumlger rekombiniert ihreAnregungsenergie geht dabei in Waumlrme verloren Wei-tere Verluste entstehen aufgrund des unvermeidlichenSerienwiderstands Der Photostrom kann direkt voneinem Verbraucher benutzt in einem Akkumulatorzwischengespeichert oder mit einem netzgefuumlhrten

Solarwechselrichter in das Stromnetz eingespeist wer-den Die elektrische Spannung bei maximaler Leistung(Maximum Power Point Leistungsanpassung) liegt beiden gebraumluchlichsten Zellen (kristalline Siliciumzellen)bei etwa 05 V

Die Struktur von Solarzellen wird zudem so angepasstdass moumlglichst viel Licht eingefangen wird und es inder aktiven Schicht (Basis bzw schwach dotierter Be-reich) freie Ladungstraumlger erzeugen kann Dazu muss dieDeckelektrode transparent sein die Kontakte zu dieserSchicht muumlssen moumlglichst schmal sein auf der Obersei-te wird eine Antireflexionsschicht (zur Verringerung des

Reflexionsgrades) aufgetragen ggfs wird die Ruumlcksei-te verspiegelt Die Antireflexionsschicht sorgt fuumlr die ty-pisch blaumluliche bis schwarze Farbe von Solarzellen Un-beschichtete Solarzellen haben dagegen ein silbrig-grauesErscheinungsbild

Manchmal wird die Vorderseite strukturiert oder aufge-raut Wegen dieses Vorteils wurden urspruumlnglich Wafermit Fehlern beim Schleifprozess o a als Ausgangsmate-rial fuumlr Solarzellen verkauft Schwarzes Silicium hat ei-ne aufgeraute nadelfoumlrmige Oberflaumlche die sehr geringeReflexionen aufweist

Die Antireflexschicht wird bei modernen Solarzel-len aus Siliciumnitrid mittels PE-CVD-Verfahren her-gestellt Die Schichtdicke betraumlgt dabei ca 70 nm

(Lambda-Viertel bei einem Brechungsindex von 20)Daruumlber hinaus kommen noch Antireflexschichten ausSiliciumdioxid und Titandioxid die beispielsweise perAP-CVD-Verfahren aufgebracht werden zur Anwen-dung

Uumlber die Schichtdicke wird auch die Farbe bestimmt(Interferenzfarbe) Eine moumlglichst hohe Gleichmaumlszligig-keit der Beschichtungsstaumlrke ist dabei wichtig da be-reits Schwankungen um einige Nanometer in der Schicht-staumlrke den Reflexionsgrad erhoumlhen Blaue Reflexion er-gibt sich aus der Einstellung der Antireflexschicht aufden roten Teil des Spektrums ndash der bevorzugten Absorp-tionswellenlaumlnge des Siliciums Prinzipiell sind jedochauch beispielsweise rote gelbe oder gruumlne Solarzellen aufdiese Weise fuumlr spezielle architektonische Anwendun-gen herstellbar sie haben jedoch einen schlechteren Wir-kungsgrad

Im Falle von Siliciumnitrid und Siliciumdioxid erfuumllltdie Antireflexschicht dabei noch die Funktion einer Pas-sivierungsschicht die die Oberflaumlchenrekombinationsge-schwindigkeit herabsetzt Die an der Oberflaumlche erzeug-ten Ladungstraumlger koumlnnen dadurch ndash vereinfacht ausge-druumlckt ndash nicht so schnell rekombinieren und die erzeugteLadung kann als Strom abgeleitet werden

2 Typen von Silicium-Solarzellen

Poly- und monokristalline Solarzelle

Das traditionelle Grundmaterial fuumlr Halbleitersolarzellenist Silicium Bis in das Jahr 2005 wurde vor allem Rest-silicium aus der Chipproduktion verwendet heute wirdzunehmend Silicium speziell fuumlr die Solaranwendungenproduziert Silicium ist allgemein fuumlr die Halbleitertech-nik nahezu ideal Es ist preiswert laumlsst sich hochrein undeinkristallin herstellen und als n- und p-Halbleiter dotie-ren Einfache Oxidation ermoumlglicht die Herstellung duumln-ner Isolationsschichten Jedoch ist die Auspraumlgung seiner

Bandluumlcke als indirekter Halbleiter fuumlr optische Wechsel-wirkung wenig geeignet Siliciumbasierte kristalline So-larzellen muumlssen eine Schichtdicke von mindestens 100

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6 2 TYPEN VON SILICIUM-SOLARZELLEN

Polykristalliner Wafer

Polykristallines Silicium

Moderne kristalline Silizium Solarzelle Das PERC Design (pas-sivated emitter and rear cell) hat fingerfoumlrmige Kontakte auf der Ruumlckseite die als Linien sichtbar sind (rechtes Bild) Damit er-reicht man Zellwirkungsgrade uumlber 20 Hergestellt im Institut

fuumlr Solarenergieforschung Hameln (ISFH) Deutschland

microm und mehr aufweisen um Licht ausreichend stark zuabsorbieren Bei Duumlnnschichtzellen direkter Halbleiter wie z B Galliumarsenid oder auch Silicium mit stark ge-stoumlrter Kristallstruktur (siehe unten) genuumlgen 10 microm

Je nach Kristallaufbau unterscheidet man bei Siliciumfolgende Typen

bull Monokristalline Zellen werden aus sogenanntenWafern (einkristalline Siliciumscheiben) herge-

stellt wie sie auch fuumlr die Halbleiterherstellung ver-wendet werden Sie sind verhaumlltnismaumlszligig teuer

bull Polykristalline Zellen bestehen aus Scheiben dienicht uumlberall die gleiche Kristallorientierung auf-weisen Sie koumlnnen z B durch Gieszligverfahren (s

u) hergestellt werden und sind preiswerter und inPhotovoltaikanlagen am meisten verbreitet

bull Amorphe Solarzellen bestehen aus einer duumlnnennichtkristallinen (amorphen) Siliciumschicht undwerden daher auch als Duumlnnschichtzellen bezeich-net Sie koumlnnen etwa durch Aufdampfen hergestelltwerden und sind preiswert haben im Sonnenlicht ei-nen nur geringen Wirkungsgrad bieten jedoch Vor-teile bei wenig Licht Streulicht und bei hoher Be-triebstemperatur Zu finden sind die amorphen Zel-len beispielsweise auf Taschenrechnern oder Uhren

bull Mikrokristalline Zellen sind Duumlnnschichtzellen mitmikrokristalliner Struktur Sie weisen einen houmlherenWirkungsgrad als amorphe Zellen auf und sind nichtso dick wie die gaumlngigen polykristallinen Zellen Siewerden teilweise fuumlr Photovoltaikanlagen verwen-det sind jedoch noch nicht sehr weit verbreitet

bull Tandem-Solarzellen sind uumlbereinander geschichte-te Solarzellen meist eine Kombination von poly-kristallinen und amorphen Zellen Die einzelnenSchichten bestehen aus unterschiedlichem Materialund sind so auf einen anderen Wellenlaumlngenbereichdes Lichtes abgestimmt Die zuoberst angeord-neten Zellen absorbieren nur einen Teil desLichtspektrums der Rest kann durchtreten und vonder darunter angeordneten Schicht verwertet wer-den Durch ein breiteres Ausnuumltzen des Lichtspek-trums der Sonne haben diese Zellen einen besserenWirkungsgrad als einfache Solarzellen Sie werdenteilweise bei Photovoltaikanlagen verwendet sindjedoch noch relativ teuer

21 Herstellung aus Siliciumbloumlcken oder -staumlben

Solarzellen koumlnnen nach verschiedenen Verfahren herge-stellt werden

Das Grundmaterial Silicium ist das zweithaumlufigstechemische Element das in der Erdkruste vorkommtEs liegt in Form von Silikaten oder als Quarz vorAus Quarzsand kann in einem Schmelz-ReduktionsofenRohsilicium sogenanntes metallurgisches Silicium mitVerunreinigungen von circa 1 bis 2 hergestellt wer-den 2005 wurden auf diese Weise 47 Mio TonnenSilicium hergestellt Ein Groszligteil davon geht in dieStahlindustrie und in die Chemische Industrie Nur ein

kleiner Anteil des metallurgischen Siliciums wird fuumlr dieMikroelektronik und die Photovoltaik verwendet Ausdem Rohsilicium wird dann uumlber einen mehrstufigen auf

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21 Herstellung aus Siliciumbloumlcken oder -staumlben 7

Silicium-Einkristall zur Waferherstellung hergestellt nach demCzochralski-Verfahren

Trichlorsilan basierenden Prozess polykristallines Reinst-silicium hergestellt Das bis heute (2006) hier angewen-dete Siemens-Verfahren[22] ein CVD-Verfahren wurdeallerdings fuumlr die Mikroelektronik entwickelt und opti-

miert Dort werden zum Teil voumlllig andere Anforderun-gen an die Qualitaumlt des Siliciums gestellt als in der Pho-tovoltaik Fuumlr Solarzellen ist beispielsweise die Reinheit

des Wafers in seiner gesamten Staumlrke wichtig um einemoumlglichst lange Ladungstraumlger-Lebensdauer zu gewaumlhr-leisten In der Mikroelektronik muumlssten dagegen prinzi-piell nur die oberen etwa 20 bis 30 microm hochrein sein Damittlerweile der Verbrauch an hochreinem Silicium fuumlrdie Photovoltaik den Verbrauch in der Mikroelektronik

uumlbertroffen hat wird zur Zeit intensiv an speziellen kos-tenguumlnstigeren und fuumlr die Photovoltaik optimierten Her-stellverfahren fuumlr Solarsilicium gearbeitet

Der gesamte Herstellprozess fuumlr hochreines Silicium istzwar sehr energieaufwendig aber dennoch koumlnnen dieheute verwendeten Solarzellen die fuumlr ihre Produktion er-forderliche Energiemenge ndash je nach Bauart ndash innerhalbvon 15 bis 5 Jahren wieder kompensieren Sie haben al-so eine positive Energiebilanz

Das Reinstsilicium kann auf unterschiedliche Weise wei-terverarbeitet werden Fuumlr polykristalline Zellen kom-

men groumlszligtenteils das Gieszligverfahren das Bridgman-Verfahren und das kantenbegrenzte Bandziehverfahren(EFG-Verfahren vonengl edge-defined film-fed growth)zum Einsatz Monokristalline Zellen werden fast immernach dem Czochralski-Verfahren hergestellt Bei allenVerfahren gilt dass die Dotierung mit Bor (siehe unten)schon beim Herstellen der Bloumlcke (Ingots) beziehungs-weise Staumlbe vorgenommen wird

211 Blockgussverfahren

Dieses Verfahren dient zur Herstellung von polykristalli-

nem Silicium Das Reinstsilicium wird in einem Tiegelmit Hilfe einer Induktionsheizung aufgeschmolzen unddann in eine quadratische Wanne gegossen in der es moumlg-lichst langsam abgekuumlhlt wird Dabei sollen moumlglichstgroszlige Kristallite in den Bloumlcken entstehen Die Kanten-laumlnge der Wanne betraumlgt etwa 50 cm die Houmlhe der er-starrten Schmelze etwa 30 cm Der groszlige Block wird inmehrere kleine Bloumlcke von etwa 30 cm Laumlnge zerteilt

Ein weiteres Gieszligverfahren ist der Strangguss wobei dieMasse schon in der am Ende benoumltigten Staumlrke auf dasTraumlgermaterial aufgebracht wird Der Vorteil ist dass einSaumlgevorgang mit seinen Verlusten entfaumlllt

212 Bridgman-Verfahren

Das Bridgman-Verfahren dient zur Herstellung von po-lykristallinem Silicium[23] und ist nach Percy WilliamsBridgman benannt Es ist nicht zu verwechseln mit derBridgman-Stockbarger-Methode diezur Herstellung vonMonokristallen dient Das Reinstsilicium wird hier eben-falls in einem Tiegel mit Hilfe einer Induktionsheizungbei uumlber 1400 degC aufgeschmolzen Die langsame Abkuumlh-lung der Schmelze bei der sich groszlige Zonen einheitlicherKristalle ausbilden findet hier im gleichen Tiegel statt

Die geheizte Zone wird langsam von unten nach oben imTiegel angehoben so dass sich oben bis zum Schluss fluumls-siges Silicium befindet waumlhrend vom Tiegelboden her

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8 2 TYPEN VON SILICIUM-SOLARZELLEN

das Erstarren erfolgt Hier sind die Kantenlaumlngen etwasgroumlszliger als beim Gieszligverfahren (zumeist Standardgroumlszlige690 mm)[24] die Houmlhe des Blocks betraumlgt etwa 20 bis25 cm Der groszlige Block wird ebenfalls in mehrere kleineBloumlcke von zumeist 156 mm Kantenlaumlnge zerteilt DieserArbeitsschritt wird Brikettieren genannt[25]

213 Czochralski-Verfahren

Das Czochralski-Verfahren wird fuumlr die Herstellung vonlangen monokristallinen Staumlben genutzt Der sogenann-te Impfkristall gibt die Orientierung im Kristall vor Vorder Herstellung der Zellen wird der entstandene Zylindernoch zurechtgeschnitten

214 Zonenschmelzverfahren

Das Zonenschmelzverfahren auch Float-Zone-Verfahrengenannt dient auch der Herstellung monokristalliner Si-liciumstaumlbe Die bei diesem Verfahren erzielte Reinheitist im Normalfall houmlher als fuumlr die Solartechnik benouml-tigt und auch mit sehr hohen Kosten verbunden Deshalbwird diese Technik fuumlr die Solartechnik eher selten be-nutzt Das einzige Unternehmen das Float-Zone-Waferin nennenswerten Mengen fuumlr Solarzellen verwendet istdas US-Unternehmen SunPower

215 Waferherstellung

Die Kristallstaumlbe muumlssen nun mit einemDrahtsaumlgeverfahren in Scheiben die sogenanntenWafer gesaumlgt werden Dabei entsteht aus einem groszligenTeil des Siliciums Saumlgestaub dessen Verwertung ab2013 erforscht wurde [26] Die Dicke der entstehendenScheiben liegt bei etwa 018 bis 028 mm

Eine weitere Quelle fuumlr Wafer war urspruumlnglich der Aus-schuss an Rohlingen fuumlr die Herstellung von integriertenSchaltkreisen der Halbleiterfertigung deren zur Weiter-verarbeitung ungeeigneten Rohlinge als Solarzelle ver-wendet werden

Die monokristallinen Zellen zeichnen sich durch eine ho-mogene Oberflaumlche aus waumlhrend bei den polykristallinenZellen gut die einzelnen Zonen mit verschiedener Kris-tallorientierung unterschieden werden koumlnnen ndash sie bil-den ein eisblumenartiges Muster auf der Oberflaumlche

Im Waferstadium sind Vorder- und Ruumlckseite der Zellenoch nicht festgelegt

216 Waferprozessierung

Die gesaumlgten Wafer durchlaufen nun noch mehrere che-

mische Baumlder um Saumlgeschaumlden zu beheben und eineOberflaumlche auszubilden die geeignet ist Licht einzufan-gen Im NormalfallsinddieWafer schon mit einer Grund-

dotierung mit Bor versehen Diese bewirkt dass es uumlber-schuumlssige Defektelektronen (positive Ladungen) gibt dasheiszligt es koumlnnen Elektronen eingefangen werden Daswird auch p-Dotierung genannt Auf dem Weg zur fer-tigen Solarzelle mit p-n-Uumlbergang muss nun die Oberflauml-che noch eine n-Dotierung bekommen was durch Pro-

zessierung der Zelle in einem Ofen in einer Phosphor-Atmosphaumlre geschieht Die Phosphoratome schaffen ei-ne Zone mit Elektronenuumlberschuss auf der Zelloberflauml-che die etwa 1 microm tief ist Nach der Diffusion mit Phos-phor entsteht auf der Oberflaumlche des Wafers Phosphor-glas Um dieses zu entfernen ist ein weiterer sehr kur-zer Aumltzschritt mit Flusssaumlure noumltig Danach wird in einemweiteren Ofen mittels PECVD die Antireflexschicht auf-getragen die der Zelle erst die typische Farbe gibt

Danach erfolgt die Bedruckung der Zelle z B durchSiebdruck mit den notwendigen Loumltzonen und der Struk-tur welche fuumlr den besseren Abgriff des generierten elek-

trischen Stroms sorgt Die Vorderseite erhaumllt meist zweibreitere Streifen auf denen spaumlter die Baumlndchen zumVerbinden mehrerer Zellen befestigt werden Auszligerdemwird ein sehr duumlnnes elektrisch gut leitendes Raster auf-gebracht was einerseits den Lichteinfall so wenig wiemoumlglich behindern und andererseits den ohmschen Wi-derstand der Deckelektrode verringern soll Die Ruumlcksei-te wird meist vollflaumlchig mit einem gut leitenden Materialbeschichtet

Nach der Prozessierung werden die Zellen nach optischenund elektrischen Merkmalen klassifiziert sortiert und fuumlrdie Fertigung von Solarmodulen zusammengestellt

22 Direkte Herstellung von Platten bzwSchichten

Um den Umweg des Saumlgens von Wafern aus Kristallblouml-cken zu vermeiden gibt es umfangreiche Aktivitaumlten So-larzellen direkt zu erzeugen

221 EFG-Verfahren

Beim EFG-Verfahren (von engl edge-defined film-fed growth ungefaumlhre Uumlbersetzung bdquokantendefiniertesFilmwachstumldquo) werden aus einer elektrisch beheiztenGraphitwanne aus fluumlssigem Reinstsilicium achteckigeRoumlhren von etwa 6 bis 7 m Laumlnge nach oben gezo-gen Die Ziehgeschwindigkeit liegt im Bereich von ca 1mms Die Kantenlaumlnge der einzelnen Seiten betraumlgt 10bzw 125 cm die Wandstaumlrke ca 280 microm Nach Fer-tigstellung der Roumlhre wird diese entlang der Kanten mitNdYAG-Lasern geschnitten und in einem bestimmtenRaster dann uumlber die Breite der jeweiligen Seite Darausergibt sich die Moumlglichkeit der Herstellung von Zellenmit unterschiedlichen Kantenlaumlngen (zum Beispiel 125

cm times 15 cm oder 125 cm times 125 cm) Es wird eineAusbeute von etwa 80 des Ausgangsmaterials erzieltBei den so erzeugten Zellen handelt es sich ebenfalls um

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24 Solarzellen aus speziellen Siliciumstrukturen 9

polykristallines Material welche sich vom Aussehen herdeutlich von den gesaumlgten Zellen unterscheidet Unter an-derem ist die Oberflaumlche der Zellen welliger Ein Vor-teil im Vergleich zum Saumlgen aus Bloumlcken ist die weit-gehende Vermeidung von Verschnitt der zudem nichtmit Schneidefluumlssigkeit (engl slurry vgl Kolloide) ver-

unreinigt ist Dieses Verfahren wird auch Bandzieh- oderOctagon-Verfahren genannt

Das EFG-Verfahren wurde bis 2009 von der FirmaSchott Solar (Deutschland) angewendet Von einer wei-teren Verwendung musste abgesehen werden da SchottSolar als einziger Anwender dieses Prozesses die Wei-terentwicklung im Vergleich zu anderen Prozessen mitmehr Entwicklern im Hintergrund nicht schnell genugvorantreiben konnte[27] Entwickelt wurde das Verfahrenvon der Firma ASE Solar (USA)

222 String-Ribbon-Verfahren

Weiterhin gibt es das String-Ribbon-Verfahren der insol-venten US-amerikanischen Firma Evergreen Solar beidem die Wafer zwischen zwei Faumlden direkt aus der Sili-ciumschmelze gezogen werden[27] Dabei entsteht weni-ger Abfall (wie Spaumlne usw die normalerweise direkt ent-sorgt werden) als bei den herkoumlmmlichen Verfahren Alsdeutsches Unternehmen verwendete die Sovello AG dasString-Ribbon-Verfahren zur Produktion von Wafern

223 Schichttransfer-Verfahren

Beim Schichttransfer-Verfahren wird eine nur ca 20 micromduumlnne Schicht aus einkristallinem Silicium direkt flachauf einem Substrat gezuumlchtet Als Traumlgermaterial eignensich keramische Substrate oder auch speziell oberflaumlchen-behandeltes Silicium wodurch das Abloumlsen des entstan-denen Wafers und die Wiederverwendung desTraumlgers ge-geben ist Die Vorteile dieser Verfahren sind der deut-lich geringere Siliciumbedarf durch die geringe Dickeund der Wegfall der Saumlgeverluste Der Saumlgevorgang als

zusaumltzlicher Prozessschritt entfaumlllt Der erreichbare Wir-kungsgrad ist hoch und liegt im Bereich von monokris-tallinen Zellen

23 Solarzellen aus bdquoschmutzigemldquo Silici-um

Der Prozess des Zonenschmelzens und Dotierens laumlsstsich auch in eine bereits gefertigte flache Platte bzwSchicht verlagern Das Prinzip ist dass die Verunreini-

gungen durch Waumlrmebehandlung (mehrfach lateral fort-schreitende Umschmelzung z B mit Laserstrahlung) desSiliciums an wenigen Stellen konzentriert werden[28]

24 Solarzellen aus speziellen Silicium-strukturen

Seit den 2000er Jahren arbeiten verschiedene For-schungsgruppen an Solarzellen auf Basis von langen bdquoSi-liciumstaumlbchenldquo (manchmal auch bdquoSiliciummikrodraumlh-teldquo genannt) im Mikrometermaszligstab[29][30] Die einzel-nen Siliciumstaumlbchen sind in der Regel einige Mikrome-ter dick und ca 200 Mikrometer lang Strukturen aussenkrecht zu einer Traumlgerflaumlche angeordneten Staumlbchenzeigen gegenuumlber konventionellen Solarzellen aus Silici-um eine erhoumlhte Absorption von Sonnenlicht in einembreiten Spektralbereich vgl Schwarzes Silicium

Ein Beispiel fuumlr eine solche Solarzelle wurde 2010 voneiner Arbeitsgruppe um Harry Atwater vom CaliforniaInstitute of Technology vorgestellt Sie stellten uumlber 100Mikrometer lange Staumlbchen mithilfe der sogenanntenVLS-Technik[31] (von engl vapor -liquid -solid ) her uumlber-gossen diese anschlieszligend zur Stabilisierung mit durch-sichtigem biegsamem Kunststoff (PolydimethylsiloxanPDMS) und loumlsten danach die fertige Zelle von derPlatte[29] Diese Zellen zeigen wie zuvor erwaumlhnt eineerhoumlhte Absorption von insgesamt bis zu 85 des einfal-lenden Lichts uumlber einen groszligen Spektralbereich Die soerzeugten Solarzellen im Laborstatus haben einen hohenWirkungsgrad Ihre Herstellung verbraucht nur 1 Prozentder sonst zur Solarzellenproduktion uumlblichen Silicium-menge auszligerdem sind diese Solarzellen biegbar[32]

3 Andere Solarzellentypen

31 Duumlnnschichtzellen

Kleine amorphe Si-Duumlnnschichtsolarzelle auf Glas vier Zellenin Reihe

Duumlnnschichtzellen gibt es in verschiedenen Ausfuumlhrun-gen je nach Substrat und aufgedampften Materialien

Die Spannbreite der physikalischen Eigenschaften undder Wirkungsgrade ist entsprechend groszlig Duumlnnschicht-zellen unterscheiden sich von den traditionellen Solar-

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10 3 ANDERE SOLARZELLENTYPEN

Ruumlckseite (Schichtseite braun lackiert)

Solarzellentypen

zellen (kristallinen Solarzellen basierend auf Silicium-wafern) vor allem in ihren Produktionsverfahren unddurch die Schichtdicken der eingesetzten MaterialienDie physikalischen Eigenschaften amorphen Siliciumsdie von kristallinem Silicium verschieden sind beeinflus-sen die Solarzelleneigenschaften Manche Eigenschaftensind auch noch nicht vollstaumlndig verstanden

Auch bei kristallinen Solarzellen wird das Licht bereitsin einer duumlnnen Oberflaumlchenschicht (ca 10 microm) absor-biert Es liegt daher nahe Solarzellen sehr duumlnn zu fer-tigen Verglichen mit kristallinen Solarzellen aus Silici-umwafern sind Duumlnnschichtzellen etwa 100-mal duumlnner

Diese Duumlnnschichtzellen werden meist durch Abscheidenaus der Gasphase direkt auf einem Traumlgermaterial aufge-bracht Das kann Glas Metallblech Kunststoff oder auchein anderes Material sein Der aufwaumlndige im vorigenKapitel beschriebene Prozess des Zerschneidens von Si-liciumbloumlcken kann also umgangen werden

Das bisher gaumlngigste Material fuumlr Duumlnnschichtzellen istamorphes Silicium (a-SiH) Solche Duumlnnschichtmodu-le sind langlebige Produkte Freiluft-Tests zeigen sta-bile Wirkungsgrade uumlber mehr als zehn Jahre Moumlgli-che weitere Materialien sind mikrokristallines Silicium(microc-SiH) Gallium-Arsenid (GaAs) Cadmiumtellurid

(CdTe) oder Kupfer-Indium-(Gallium)-Schwefel-Selen-Verbindungen die so genannten CIGS-Solarzelle bzwCIS-Zellen wobei hier je nach Zelltyp S fuumlr Schwefel

oder Selen stehen kann Ein neuesMaterial das neu in derDuumlnnschichttechnologie Anwendung findet ist CZTS

Wirkungsgrade im Bereich von 20 (217 mit CIGS-Solarzellen siehe[33]) fuumlr kleine CIGS-Laborzellen (asymp 05cmsup2) sind durchaus moumlglich CIGS-Duumlnnschichtmodule

erreichen inzwischen aumlhnliche Wirkungsgrade wie Mo-dule aus polykristallinem Silicium (11ndash12 [34])Fuumlr Cadmiumtellurid-Zellen lag der Wirkungsgrad beiLaborzellen im August 2014 bei 21 [35]

Wichtiger sind oft die Kostenzu denen Stromaus den So-larzellen produziert werden kann dazu kommen wichti-ge Kriterien wie die Emission von Schadstoffen Aktuel-le Studien belegen dass Cadmiumtellurid-Duumlnnschicht-Solarzellen hier eine bessere Bilanz als konventionelle Si-liciumzellen aufweisen[36]

Eine weitere Staumlrke von Duumlnnschichtmodulen ist dasssie einfacher und groszligflaumlchiger produziert werden koumln-

nen insbesondere die Duumlnnschichtzellen aus amorphemSilicium Duumlnnschichtmodule sind nicht auf ein rigidesSubstrat wie Glas oder Aluminium angewiesen bei auf-rollbaren Solarzellen fuumlr den Wanderrucksack oder ein-genaumlht in Kleider wird ein geringerer Wirkungsgrad inKauf genommen der Gewichtsfaktor ist wichtiger als dieoptimale Lichtumwandlung

Zur Herstellung eignen sich Maschinen welche auchzur Herstellung von Flachbildschirmen eingesetzt wer-den Dabei werden Beschichtungsflaumlchen von uumlber 5 msup2erreicht Mit den Verfahren zur Herstellung von amor-phem Silicium laumlsst sich auch kristallines Silicium induumlnnen Schichten herstellen sogenanntes mikrokristal-lines Silicium Es vereint Eigenschaften von kristalli-nem Silicium als Zellenmaterial mit den Methoden derDuumlnnschichttechnik In der Kombination aus amorphemund mikrokristallinem Silicium wurden in den letztenJahren beachtliche Wirkungsgradsteigerungen erzielt

Ein Verfahren fuumlr die Fertigung kristalliner Duumlnnschicht-zellen aus Silicium ist CSG (Crystalline Silicon onGlass) dabei wird eine weniger als zwei Mikrometerduumlnne Siliciumschicht direkt auf einen Glastraumlger aufge-bracht die kristalline Struktur wird nach einer Waumlrme-behandlung erreicht Das Aufbringen der Stromfuumlhrungerfolgt mittels Laser- und Tintenstrahldrucktechnik Da-fuumlr wurde 2005 von der Firma CSG Solar eine Fabrika-tionsanlage in Deutschland gebaut Weil das Verfahrennicht wirtschaftlich zu betreiben war musste das Unter-nehmen nach kurzer Zeit seine Produktion einstellen Derchinesische Solarkonzern Suntech erwarb das Unterneh-men und seine Technologie hat aber 2011 die Aktivitauml-ten in diesem Bereich aufgegeben und das Unternehmengeschlossen[37]

Es werden derzeit Duumlnnschichtsolarzellen aus schwarzemSilicium entwickelt die einen etwa doppelten Wirkungs-grad erreichen sollen[38]

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34 Elektrochemische Farbstoff-Solarzelle 11

Schematischer Aufbau einer Konzentratorzelle

32 Konzentratorzellen

Bei Konzentratorzellen (auch Konzentrator-Photovoltaik engl Concentrated PV CPV) wird Halbleiterflaumlche ein-gespart indem das einfallende Sonnenlicht zunaumlchst

auf einen kleineren Bereich konzentriert wird Das er-reicht man durch Konzentratoren wie z B Linsen zu-meist Fresnel-Linsen oder auch Lichtleitkoumlrper die dieTotalreflexion nutzen[39][40] Diese sind im Vergleich zuHalbleitern bezogen auf die Flaumlche preiswerter Es kannsomit zu geringeren Kosten die Sonneneinstrahlung ei-ner groumlszligeren Flaumlche ausgenutzt werden Haumlufig verwen-dete Materialien fuumlr Konzentratorsolarzellen sind III-V-Halbleiter Zumeist werden Mehrfachsolarzellen (siehenaumlchster Abschnitt) verwendet die fuumlr vollflaumlchige So-larzellen unwirtschaftlich waumlren Sie arbeiten noch zu-verlaumlssig bei mehr als dem 500-fachen der Sonneninten-

sitaumlt Konzentratorsolarzellen muumlssen dem Sonnenstandnachgefuumlhrt werden damit ihre Optik die Sonnenstrah-lung auf die Zellen buumlndeln kann Zusaumltzlicher Effekt derLichtkonzentration ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wir-kungsgrades da die Leerlaufspannung ansteigt Die US-Energiebehoumlrde hat mit dieser Technik Wirkungsgradevon uumlber 40 erreicht[41][42]

33 Mehrfachsolarzellen

rarr Hauptartikel Tandem-Solarzelle

Mehrfachsolarzellen bestehen aus zwei oder mehr So-larzellen mit verschiedenem Material die monolithisch

uumlbereinander geschichtet sind Zweck dieser Anord-nung ist es den Wirkungsgrad der gesamten Anordnungzu erhoumlhen Die Wirkungsgrade bei Labormustern vonTandem-Konzentratorsolarzellen erreichten 2008 und2009 uumlber 40 So wurde am Fraunhofer Institut fuumlrSolare Energiesysteme ISE mit einer Mehrfachsolarzel-

le und 454-facher Konzentration ein Wirkungsgrad von411 erzielt[43]

34 Elektrochemische Farbstoff-Solarzelle

rarr Hauptartikel Graumltzel-Zelle

Bei Farbstoffsolarzellen auch bekannt als Graumltzel-Zellenwird der Strom anders als bei den bisher aufgefuumlhrtenZellen uumlber die Lichtabsorption eines Farbstoffes gewon-nen als Halbleiter kommt Titandioxid zum Einsatz Als

Farbstoffe werden hauptsaumlchlich Komplexe des seltenenMetalls Ruthenium verwendet zu Demonstrationszwe-cken koumlnnen aber selbst organische Farbstoffe zum Bei-spiel der Blattfarbstoff Chlorophyll oder Anthocyane (ausBrombeeren) als Lichtakzeptor verwendet werden (die-se besitzen jedoch nur eine geringe Lebensdauer) DieFunktionsweise der Zelle ist noch nicht im Detail geklaumlrtdie kommerzielle Anwendung gilt als recht sicher ist aberproduktionstechnisch noch nicht in Sicht

Konventionelle n-Typ-Farbstoffsolarzellen arbeiten miteiner Photoanode einer positiven Elektrode die mit ei-nem n-Halbleiter zB Titandioxid und einem Farbstoff

beschichtet ist Trifft Licht darauf werden die Farbstoff-molekuumlle angeregt und setzen Elektronen frei Ein Re-doxmediator der als Bestandteil des Elektrolyten zwi-schen den Elektroden frei beweglich ist regeneriert denFarbstoff Beim p-Typ (p-DSC p-dye-sensitized solarcell) laumluft der Prozess genau entgegengesetzt Ein spezi-eller Farbstoff und ein p-Halbleiter befinden sich auf ei-ner Photokathode Der durch Licht angeregte Farbstoffsaugt Elektronen aus dem Valenzband des p-HalbleiterszB Nickeloxid heraus Das uumlblicherweise eingesetz-te System aus Iodid und Tri-Iodid ersetzten Wissen-schaftler der Monash University der Commonwealth Sci-

entific and Industrial Research Organization (Australi-en) und der Universitaumlt Ulm durch den Kobalt-KomplexTris(12-diaminoethan)cobalt(IIIII) bei dem das Ko-balt zwischen den Oxidationsstufen +2 und +3 wech-seln kann Zellen auf dieser Basis erreichen dabei einehoumlhere Energieumwandlungseffizienz Ein weiterer An-satz um die Leistung von photovoltaischen Zellen zusteigern ist die Kombination einer n- und einer p-Typ-Farbstoffsolarzelle zu einer Tandem-Solarzelle[44]

35 Organische Solarzellen

rarr Hauptartikel Organische SolarzelleEine organische Solarzelle ist eine Solarzelle die aus

Werkstoffen der organischen Chemie besteht d h aus

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12 3 ANDERE SOLARZELLENTYPEN

Ein kommerziell erhaumlltliches flexibles Modul einer polymeren or- ganischen Solarzelle

Kohlenwasserstoff-Verbindungen (Kunststoffen) Diese

Verbindungen haben elektrisch halbleitende Eigenschaf-ten Der Wirkungsgrad mit dem Sonnenenergie inelektrische Energie umgewandelt wird liegt mit 120 (Stand Januar 2013)[45] noch unterhalb von dem von So-larzellen aus anorganischem Halbleitermaterial Organi-sche Solarzellen bzw Plastiksolarzellen wie sie auch ge-nannt werden sind aufgrund der Moumlglichkeiten hinsicht-lich guumlnstiger und vielseitiger Herstellungsverfahren einaktuelles Forschungsthema Die von den Herstellern die-ser Zellen auf Kunststoffbasis genannten Vorteile gegen-uumlber herkoumlmmlichen Siliciumsolarzellen sind

bull

Geringe Herstellungskosten aufgrund billiger Pro-duktionstechnologien

bull Hohe Stromausbeuten durch Duumlnnschicht-Groszligflaumlchentechnologien fuumlr Kunststoffe

bull Flexibilitaumlt Transparenz und einfache Handhabung(mechanische Eigenschaften von Kunststoffen)

bull Hohe Umweltvertraumlglichkeit (Kunststoffe auf Koh-lenstoffbasis)

bull Anpassung an das Sonnenspektrum durch gezieltePolymersynthese

bull bdquoBunteldquo Solarzellen fuumlr architektonische Stilele-mente

Im Vergleich zu den ersten organischen Solarzellen wur-den inzwischen viele Fortschritte erzielt

Das Material fuumlr diesen Solarzellentyp basiert auf or-ganischen Kohlenwasserstoffverbindungen mit spezifi-scher elektronischer Struktur dem konjugierten π-Elektronensystem welches den betreffenden Materiali-en die wesentlichen Eigenschaften amorpher Halblei-ter verleihen Typische Vertreter organischer Halbleitersind konjugierte Polymere und Molekuumlle wobei auch

speziell synthetisierte Hybridstrukturen verwendet wer-den Die ersten Kunststoffsolarzellen die aus konju-gierten Polymeren (Elektronendonatoren) und Fullerenen

(Elektronenakzeptoren) hergestellt wurden waren Zwei-Schicht-Solarzellen Diese Zellen bestehen aus einer duumln-nen Schicht des konjugierten Polymers auf die eineweitere duumlnne Schicht von Fullerenen aufgebracht wirdAus technologischer Sicht stellen konjugierte Polyme-re und funktionalisierte Molekuumlle auf Grund ihrer Pro-

zessierbarkeit aus der Fluumlssigphase attraktive Basisma-terialien fuumlr die kostenguumlnstige Massenproduktion flexi-bler PV-Elemente mit vergleichsweise einfacher Strukturdar Molekulare Halbleiter hingegen werden uumlblicherwei-se in vakuumgestuumltzten Aufdampfprozessen zu wohlde-finierten Mehrschichtsystemen verarbeitet und lassen dieHerstellung sequentiell abgeschiedener Halbleiterschich-ten und somit komplexere Zelltypen (z B Tandemzellen)zu

Die organische Photovoltaik (OPV) hat das technologi-sche Potenzial als sogenannte bdquoLow-cost Energy SourceldquoEinzug in die mobile Stromversorgung zu halten Dies

auch aufgrund der kostenguumlnstigen Massenfertigung aufBasis etablierter Druckverfahren Damit koumlnnte mit derorganischen Photovoltaik ein neuer Anwendungsbereicherschlossen werden bei gleichzeitig niedrigen Investiti-onskosten Die Firma Konarka Technologies GmbH inNuumlrnberg hatte 2009 erste organische Kollektoren fuumlrMobilgeraumlte auf den Markt gebracht[46]

36 Hybrid-Solarzelle

Eine Hybridsolarzelle ist eine Solarzelle die organischeund anorganische Bestandteile enthaumllt[47]

37 Fluoreszenz-Zelle

Fluoreszenz-Zellen sind Solarzellen die zunaumlchst in ei-ner Platte durch Fluoreszenz Licht groumlszligerer Wellenlaumlngeerzeugen um dieses an den Plattenkanten zu wandeln

38 Thermische Photovoltaik-Zellen(TPV)

Unter dem Namen Thermische Photovoltaik-Zellen(TPV) werden Zellen auf Basis von InP (fruumlher GaSb)verstanden die nicht Sonnenlicht verwerten sondernWaumlrmestrahlung also Licht wesentlich houmlherer Wel-lenlaumlnge Der Wirkungsgrad wurde dabei durch neuereArbeiten[48] bis auf 12 gesteigert (vorher maximal 9) Eine potentielle Anwendung solcher Zellen waumlre

die Verwertung von Waumlrme wie sie bei groszligtechnischenAnwendungen in groszligen Mengen entsteht und die bishermit zusaumltzlichem Aufwand entsorgt werden muss

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13

4 Geschichte

rarr Hauptartikel Geschichte der Photovoltaik

Die Nutzung der Sonne zur Gewinnung von elektrischerEnergie kann man grob in das Jahr 1839 datieren DerFranzose Alexandre Edmond Becquerel stellte fest dasseine Batterie wenn man sie dem Sonnenlicht aussetzteine houmlhere Leistung hat als ohne Sonnenlicht Er nutz-te den Potentialunterschied zwischen einer verdunkeltenund einer belichteten Seite einer chemischen Loumlsung indie er zwei Platinelektroden eintauchte Als er nun die-se Konstruktion in die Sonne stellte beobachtete er dassein Strom zwischen den zwei Elektroden entstand So ent-deckte er den photovoltaischen Effekt konnte ihn aller-dings noch nicht erklaumlren Spaumlter wies man nach dassauch andere Materialien wie Kupfer photoleitfaumlhig sind

Die Photoleitfaumlhigkeit wurde bei Selen 1873 nachgewie-sen Zehn Jahre spaumlter wurde die erste bdquoklassischeldquo Pho-tozelle aus Selen gefertigt Wiederum zehn Jahre spaumlter1893 wurde die erste Solarzelle zur Erzeugung von Elek-trizitaumlt gebaut

1904 entdeckte der oumlsterreichisch-ungarische PhysikerPhilipp Lenard dass Lichtstrahlen beim Auftreffen aufbestimmte Metalle Elektronen aus deren Oberflaumlche her-ausloumlsen und lieferte damit die ersten Erklaumlrungen fuumlrdenEffekt der Photovoltaik Ein Jahr spaumlter erhielt er den No-belpreis fuumlr Physik fuumlr die Erforschung des Durchgan-ges von Kathodenstrahlen durch Materie und fuumlr seineElektronentheorie Den endguumlltigen Durchbruch schaffte1905 Albert Einstein als er mit Hilfe der Quantentheo-rie die gleichzeitige Existenz des Lichtes sowohl als Welleals auch als Teilchen erklaumlren konnte Bis dahin glaubteman dass Licht nur als eine Energie mit unterschiedlicherWellenlaumlnge auftritt Doch Einstein stellte in seinen Ver-suchen die Photovoltaik zu erklaumlren fest dass sich Lichtin manchen Situationen genauso wie ein Teilchen verhaumlltund dass die Energie jedes Lichtteilchens oder Photonsnur von der Wellenlaumlnge des Lichts abhaumlngt Er beschriebdas Licht als eine Ansammlung von Geschossen die aufdas Metall treffen Wenn diese Geschosse genuumlgend En-

ergie besitzen wird ein freies Elektron das sich im Me-tall befindet und von einem Photon getroffen wird vomMetall geloumlst Auszligerdem entdeckte er dass die maxima-le kinetische Energie der losgeloumlsten Elektronen von derIntensitaumlt des Lichtes unabhaumlngig ist und nur durch dieEnergie des auftreffenden Photons bestimmt wird DieseEnergie haumlngt wiederum nur von der Wellenlaumlnge (oderder Frequenz) des Lichtes ab Fuumlr seine Arbeit zum pho-toelektrischen Effekt erhielt er 1921 den Nobelpreis fuumlrPhysik

Die Entdeckung des p-n-Uumlbergangs (Kristallgleichrich-ters) im Jahre 1947 durch William B Shockley Walther

H Brattain und John Bardeen war ein weiterer groszligerSchritt zur Solarzelle in ihrer heutigen Form Nach die-sen Entdeckungen stand dem Bau einer Solarzelle in ih-

rer heutigen Form nichts mehr entgegen Es ist jedocheinem gluumlcklichen Zufall zu verdanken dass diese ersteSolarzelle 1954 in den Laboratorien der amerikanischenFirma Bell gebaut wurde Die Mitarbeiter der Firma (un-ter Teamleiter Morton Price) beobachteten als sie einenGleichrichter der mit Hilfe von Silicium arbeitete un-

tersuchten dass dieser mehr Strom lieferte wenn er inder Sonne stand als wenn er zugedeckt war Bei Bell er-kannte man schnell den Nutzen dieser Entdeckung zurVersorgung des Telefonnetzes von laumlndlichen Regionenmit Strom was bis dahin noch mit Batterien geschah DieFirma Bell genauer Daryl Chapin Calvin Souther Fullerund Gerald Pearson entwickelte 1953 die erste mit Arsendotierte Solarzelle auf Siliciumbasis welche einen Wir-kungsgrad von etwa 4 besaszlig Durch den Wechsel desDotierungsmittels konnte der Wirkungsgrad auf etwa 6 erhoumlht werden

Modell von Vanguard 1

Die Raumfahrt erkannte sehr schnell den Nutzen derSolartechnik und ruumlstete 1958 zum ersten Mal einenSatelliten mit Solarzellen aus Vanguard 1 startete am17 Maumlrz 1958 und war erst der vierte Satellit uumlber-haupt Er besaszlig ein Solarpanel welches mit 108 Silicium-Solarzellen ausgestattet war Diese dienten nur als Lade-

station der Akkus und nicht zur direkten Stromversor-gung Dabei wurde errechnet dass die Zellen einen Wir-kungsgrad von 105 besaszligen Die Konstrukteure hatteneine geringere Energieausbeute und eine kuumlrzere Lebens-dauer angenommen so dass man diesen Satelliten nichtmit einem bdquoAusschalterldquo versehen hatte Erst nach achtJahren stellte der Satellit aufgrund von Strahlenschaumldenseinen Betrieb ein

Kurz darauf entstand die CdS-Cu2S-Solarzelle die bisAnfang der 1990er noch in Satelliten eingesetzt wurdenHeutige Satelliten sind zum Vergleich mit Vanguard I mitrund 40000 Solarzellen ausgestattet

Im Weltraum steht der natuumlrlichen Sonnenstrahlung imVergleich zur Erdoberflaumlche nichts entgegen keine Wol-kendecken und keine Strahlung absorbierende und mehr

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14 5 FORMEN UND GROumlszligEN

oder weniger verschmutzte Atmosphaumlre die das Sonnen-licht behindert Andererseits fuumlhren die extremen Strah-lungsverhaumlltnisse im Weltraum zu einer staumlrkeren Degra-dation der Solarzellen als es auf der Erde der Fall ist Seit-her versuchen Industrie und Forschung immer groumlszligereWirkungsgrade zu erreichen und zugleich die Degradati-

on und Strahlungsresistenz zu verbessern

Grafik Juno vor dem Jupiter

Uumlblicherweise werden Raumsonden im inneren Sonnen-system durch Solarzellen mit Strom versorgt Dadurchdass heutige fuumlr Raumfahrtzwecke verwendete Solarzel-len nicht nur 50 effizienter sondern auch strahlungs-resistenter als die noch vor 20 Jahren verwendeten Sili-

ciumzellen sind[49] kann im Jahr 2011 die RaumsondeJuno als erste mit Solarzellen ausgeruumlstete Raumsondezum in Strahlung getauchten Planeten Jupiter starten

Durch die Verwendung reineren Siliciums und bessererDotierungsmoumlglichkeiten wurde der Wirkungsgrad ge-steigert und die Lebensdauer erhoumlht Mandelkorn undLamneck verbesserten die Lebensdauer der Zellen 1972durch eine Reflexion der Minoritaumltsladungstraumlger in demsie ein sogenanntes back surfaces field (BSF) in die p-leitende Schicht einbrachten 1973 stellten Lindmayerund Ellison die sog violette Zelle vor die bereits ei-nen Wirkungsgrad von 14 besaszlig Durch das Reduzie-

ren des Reflexionsvermoumlgens wurde 1975 der Wirkungs-grad auf 16 gesteigert Diese Zellen heiszligen CNR-Solarzellen (englisch Comsat Non Reflection Comsat =Telefonsatellit ) und wurden fuumlr Satelliten entwickelt In-zwischen sind von Green sowie an der Stanford Univer-sitaumlt und bei Telefunken Solarzellen mit Wirkungsgradenum 20 entwickelt worden Der theoretische Wirkungs-grad fuumlr Silicium-Solarzellen liegt bei 29 fuumlr die Strah-lungsverhaumlltnisse in mittleren Breiten Zu den Wirkungs-graden siehe auch technische Merkmale

Maszliggeblicher Anstoszlig fuumlr diese Entwicklung war Anfangder Siebziger die Vervierfachung des Oumllpreises Nach

dieser Preissteigerung rief Richard Nixon 1974 ein For-schungsprogramm ins Leben welches sich mit regenera-tiven Energien auseinandersetzte Bis dahin kostete jedes

Watt 200 Dollar und war somit nicht konkurrenzfaumlhigUm die Akzeptanz und das Vertrauen bei der Bevoumllke-rung zu gewinnen wurden Anfang der 1980er Rennenmit Solarmobilen ausgetragen und im Juli 1981 uumlber-querte ein mit Solarkraft angetriebenes Flugzeug den Aumlr-melkanal

Duumlnnschichtmodule aus amorphenSilicium ermoumlglichtendie autonome Versorgung von Taschenrechnern Uhrenund anderen Kleinverbrauchern

Module mit kristallinen Zellen wurden zunaumlchst fuumlr Insel-Systeme mit 12 V Systemspannung auf der Basis einerBleibatterie genutzt Ab 1990 begann in Deutschland mitdem 1000-Daumlcher-Programm der groszligflaumlchige Einsatz innetzgekopplten Systemen

Bis gegen Ende der 1990er Jahre waren Zellen mit et-wa 100 mm Kantenlaumlnge (im Fachjargon auch Vier-Zoll-Zellen genannt) und 36 Zellen pro Modul fuumlr 12-V-

Systeme die uumlblichste Baugroumlszlige Danach wurden 125-mm-Zellen (5rdquo) verstaumlrkt fuumlr Module mit 72 Zellen fuumlr 24V Systemspannung genutzt und seit etwa 2002 sind 156-mm-Zellen (Kantenlaumlnge 156 mm bzw 6 Zoll) fuumlr Stan-dardmodule mit typisch 60 Zellen die gaumlngige Groumlszlige[50]

Versuche zur Einfuumlhrung von 8-Zellen wurden abge-brochen da die mechanische Stabilitaumlt eine Erhoumlhungder Waferdicke und damit des Materialeinsatzes erfor-dert haumltte

Ab 2007 konnten Duumlnnschichtmodule mit Zellen aus Cd-Te der Firma FirstSolar einen Preisrutsch fuumlr Solarmo-dule ausloumlsen Werke fuumlr Module mit CIS- und CIGS-

Zellen wurden aufgebaut Aber seit 2012 haben Moduleaus kristallinem Silicium gefertigt in China mit ihremKostenvorteil zusammen mit der inzwischen gesichertenVersorgung mit ausreichend Rohsilicium den Markt er-obert

5 Formen und Groumlszligen

Zu Beginn der Kommerzialisierung der Solartechnikwurden haumlufig runde Zellen eingesetzt deren Ursprung

von den meist runden Siliciumstaumlben der Computerin-dustrie herruumlhrt Inzwischen ist diese Zellenform relativselten und es werden quadratische Zellen oder fast qua-dratische mit mehr oder weniger abgeschraumlgten Eckeneingesetzt Als Standardformate werden derzeit Wafermit einer Kantenlaumlnge von 125 und 156 mm prozessiertkuumlnftig sollen aber auch Zellen mit einer Kantenlaumlnge von210 mm Bedeutung erlangen

Durch Saumlgen der fertig prozessierten Zellen entstehen fuumlrspezielle Anwendungen im Kleingeraumltebereich auch Zel-len mit kleineren Kantenlaumlngen Sie liefern annaumlhernd diegleiche Spannung wie die groszligen Zellen jedoch entspre-

chend der kleineren Flaumlche einen kleineren StromIm EFG-Verfahren werden auch Zellen hergestellt beidenen die Seiten des entstehenden Rechtecks nicht die

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61 Thermodynamisches Limit I 15

gleichen Laumlngen haben

6 Wirkungsgrad

Vergleich der praktisch erzielbaren Wirkungsgrade verschie-

dener Solarzellen und deren zeitliche Entwicklung Die vio-letten Kurven im oberen Bereich stellen sogenannte Tandem-Solarzellen eine Kombination verschiedener pn-Uumlbergaumlnge dar

Der Wirkungsgrad η einer Solarzelle ist das Verhaumlltnisder von ihr erzeugten elektrischen Leistung P elektrisch undder Leistung der einfallenden Strahlung P Licht

η = P elektrisch

P Licht

Der maximale Wirkungsgrad η einer Solarzelle ist vom

Bandabstand und der Anzahl der auf verschiedene Spek-tralbereiche optimierten pn-Uumlbergaumlnge abhaumlngig Bei ei-nem pn-Uumlbergang ist bei optimalem Bandabstand unddarauf in der Wellenlaumlnge abgestimmtem Licht theo-retisch ein Wirkungsgrad von bis zu 41 erzielbarIn praktischen Anwendungen liegen tatsaumlchlich erziel-bare Wirkungsgrade um und unter 25 Bei Tandem-Solarzellen welche durch mehrere unterschiedliche pn-Uumlbergaumlnge groumlszligere Spektralbereiche abdecken koumlnnenkoumlnnen die Gesamtwirkungsgrade aller pn-Uumlbergaumlnge inSumme auch uumlber der theoretischen Grenze von 41 liegen

Der Rekord fuumlr im Labor hergestellte Silicium-Solarzellen liegt bei 247 Prozent (University of NewSouth Wales Australien) mit denen Module mit uumlber22 Prozent Wirkungsgrad hergestellt wurden DieDegradation des Wirkungsgrades (Alterungsverhalten)liegt bei ca 10 Prozent in 25 Jahren Hersteller gebenbeispielsweise Garantien auf mindestens 80 Prozent derPeak-Leistung nach 20 Jahren

Im Weltraum ist einerseits die Solarkonstante groumlszliger alsdie Globalstrahlung auf der Erde andererseits altern dieSolarzellen schneller Solarpanele fuumlr Satelliten erreichenzur Zeit (2005) einen Wirkungsgrad von fast 25 [51] bei

einer Betriebszeit von 15 JahrenEin hoher Wirkungsgrad ist erstrebenswert weil er beigleichen Lichtverhaumlltnissen und gleicher Flaumlche zu einer

groumlszligeren Ausbeute an elektrischem Strom fuumlhrt Fuumlr jedeMaschine die auf der Erde aus Sonnenlicht oder auf an-dere Weise mechanische oder elektrische Arbeit erzeugt(z B Aufwindkraftwerke Stirlingmotoren etc) gilt einthermodynamisches Limit

61 Thermodynamisches Limit I

Die groumlbste Abschaumltzung des Wirkungsgrades erhaumllt mandurch den Carnot-Wirkungsgrad Er beschreibt den ma-ximalen Wirkungsgrad den eine beliebige physikalischeMaschine erreichen kann wenn sie ihre Energie aus derTemperaturdifferenz von zwei Waumlrmebaumldern beziehtDer Carnot-Wirkungsgrad ergibt sich aus der Tempera-tur T warm des waumlrmeren Bades und der Temperatur T kalt

des kaumllteren Bades gemaumlszlig

η = 1 minusT kalt

T warm

Im Falle der Solarzelle ist das waumlrmere Energiebaddie Sonnenoberflaumlche mit einer Temperatur von etwa5800 K und das kaumlltere Bad die Solarzelle mit einerTemperatur von 300 K Daraus ergibt sich ein Carnot-Wirkungsgrad von 95 Im Weltraum genutzte Solarzel-len haben infolge der houmlheren Temperaturdifferenz ent-sprechend houmlhere Wirkungsgrade

62 Thermodynamisches Limit II

Die Abschaumltzung im obigen Abschnitt vernachlaumlssigtdass die Energie von der Sonne zur Solarzelle durchStrahlung uumlbertragen wird In einem ausfuumlhrlicheren Mo-dell setzt man vor die Solarzelle einen Absorber Dieserabsorbiert die Strahlung der Sonne und strahlt selber ei-nen kleinen Teil der Waumlrmestrahlung wieder an die Sonneab Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz flieszligt somit ins-gesamt die Waumlrmeleistung

σT 4Sonne minus σT 4Absorber

von der Sonne zum Absorber wobei σ die Stefan-Boltzmann-Konstante ist Nach dem Carnot-Wirkungsgrad kann der Absorber von dieser Waumlrme nurden Anteil

1 minusT Solarzelle

T Absorber

in elektrische Arbeit uumlberfuumlhren Der Wirkungsgrad be-stimmt sich nun aus diesem Anteil und der gesamten vonder Sonne abgestrahlten Leistung σT 4Sonne zu

η =

9830801 minus

T 4Absorber

T 4Sonne

983081 middot

9830801 minus

T Solarzelle

T Absorber

983081

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16 7 TECHNISCHE MERKMALE

Bei einer Temperatur von 5800 K fuumlr die Sonnenober-flaumlche und 300 K Umgebungstemperatur wird der Wir-kungsgrad bei einer Absorbertemperatur von etwa 2500K maximal und betraumlgt 85 [57]

63 Shockley-Queisser-Grenze

0 1 2 30

10

20

30

m a

x

W i r k u n g s g r a d i n

Bandabstand in eV

Maximaler Wirkungsgrad als Funktion des Bandabstandes wiees die Shockley-Queisser-Grenze beschreibt

rarr Hauptartikel Shockley-Queisser-Grenze

Die Shockley-Queisser-Grenze betrachtet den fuumlr Solar-zellen typischen Anregungsprozess von Elektronen in ei-nem Halbleiter In einer Solarzelle wird dadurch Licht in

elektrische Energie umgewandelt dass das Licht Elek-tronen aus dem Valenzband in das Leitungsband anregtNur ein schmaler Ausschnitt des angebotenen Energie-spektrums wird genutzt Der theoretische Grenzwert en-ergieselektiver Zellen ist deshalb kleiner als das thermo-dynamische Limit eines Gesamtsystems

Entscheidend fuumlr die Energie die man pro angeregtemElektron gewinnen kann ist dabei die Groumlszlige der Bandluuml-cke E g des Halbleiters Unabhaumlngig davon wie weit dasElektron uumlber die untere Kante des Leitungsbandes an-geregt wird erhaumllt man pro Elektron maximal die Ener-gie der Bandluumlcke als elektrische Energie Bei der elektri-

schen Leistung die man aus allen angeregten Elektronengewinnt muss man beruumlcksichtigen dass bei einer klei-nen Bandluumlcke mehr Elektronen erzeugt werden Bei ei-ner groszligen Bandluumlcke hat jedes einzelne Elektron dafuumlrmehr Energie Es muss daher ein Kompromiss aus fol-genden Grenzfaumlllen gefunden werden

bull Groszlige Bandluumlcke Nur energiereiches Licht (blauesund ultraviolettes Licht) kann Elektronen erzeugenda laumlngere Wellenlaumlngen nicht absorbiert werdenWegen der groszligen Bandluumlcke besitzt jedes Elektroneine hohe Energie

bull Kleine Bandluumlcke Auch langwelliges Licht kannElektronen anregen so dass insgesamt viele Elektro-

nen ins Leitungsband angeregt werden Diese ver-lieren jedoch durch Stoszligprozesse mit dem Kristall-gitter in wenigen hundert Femtosekunden einen Teilihrer Energie bis sie nur noch die Energie der Band-luumlcke besitzen

Die Shockley-Queisser-Grenze gilt fuumlr den Fall einer Zel-le mit nur einem pn-Uumlbergang Mit sogenanntenTandem-Solarzellen (englisch multi-junction solar cell ) in de-nen mehrere pn-Uumlbergaumlnge mit verschiedenen Band-luumlcken kombiniert sind koumlnnen prinzipiell auch houml-here Wirkungsgrade erreicht werden siehe AbschnittMehrfachsolarzellen

7 Technische Merkmale

Die Kenngroumlszligen einer Solarzelle werden fuumlr normierteBedingungen die Standard-Testbedingungen haumlufig ab-gekuumlrzt STC (englisch Standard Test Conditions ) angege-ben

bull Einstrahlungsstaumlrke von1000 Wmsup2in Modulebene

bull Temperatur der Solarzelle 25 degC konstant

bull Strahlungsspektrum AM 15 global DIN EN 61215IEC 1215 DIN EN 60904 IEC 904

Dabei steht AM 15 global fuumlr den Begriff Air Mass die

15 dafuumlr dass die Sonnenstrahlen das 15-fache der At-mosphaumlrenhoumlhe durchlaufen weil sie schraumlg auftreffenDas entspricht sehr gut den sommerlichen Gegebenhei-ten in Mitteleuropa von Norditalien bis MittelschwedenIm Winter steht die Sonne in unseren Breiten erheblichtiefer und ein Wert von AM 4 bis AM 6 ist hier realisti-scher

Durch die Absorption in der Atmosphaumlre verschiebt sichauch das Spektrum des auf das Modul treffenden Lich-tes bdquoGloballdquo steht fuumlr Globalstrahlung die sich aus demDiffus- und dem Direktstrahlungsanteil der Sonne zusam-mensetzt

Dabei ist zu beachten dass in der Realitaumlt insbesonderedie Zellentemperatur bei einer solchen Einstrahlung diein Deutschland im Sommer zur Mittagszeit erreicht wirdbei normalem Betrieb wesentlich houmlher liegt (je nach An-bringung Windanstroumlmung etc kann sie zwischen etwa30 und 60 degC liegen) Eine erhoumlhte Zellentemperatur be-deutet aber gleichzeitig einen herabgesetzten Wirkungs-grad der Solarzelle Aus diesem Grund wurde auch eineweitere Bezugsgroumlszlige geschaffen PNOCT die Leistungbei normaler Betriebstemperatur (normal operating celltemperature)

Gebraumluchliche Abkuumlrzungen fuumlr die Bezeichnungen sind

bull SC Short Circuit ndash Kurzschluss

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71 Schaltbilder 17

Stromstaumlrke I Leistung P

e r z e u g

t e L e i s

t u n g

Spannung U

o h

n e

B e l e

u c h t u

n g

m i t

B e l e

u c h t u

n g

Kurzschluszligstrom

Leerlaufspannung

Punkt maximaler

Leistung

oc

I

I

mp UU

mp

sc

Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzelle beleuchtet und un-beleuchtet

bull OC Open Circuit ndash Leerlauf

bull MPP Maximum Power Point ndash Betriebspunkt ma-ximaler Leistung

bull PR Performance Ratio Qualitaumltsfaktor der an-gibt welcher Teil des vom Solargenerator erzeug-ten Stromertrages (unter Nennbedingungen) real zurVerfuumlgung steht

Die Kennwerte einer Solarzelle sind

bull Leerlaufspannung U OC (auch V OC )

bull Kurzschlussstrom I SC

bull Spannung im bestmoumlglichen Betriebspunkt U MPP

(auch V MPP )

bull Strom im Betriebspunkt mit maximaler LeistungI MPP

bull Maximale erzielbare Leistung P MPP Solarzellenher-steller geben diese unter standardisierten Bedin-gungen maximal erzielbare Leistung in der Einheit

kWp sprich bdquoKilowatt-Peakldquo an

bull Fuumlllfaktor F F = PMPPU OCmiddotI SC

bull Koeffizient fuumlr die Leistungsaumlnderung mit der Zell-temperatur

bull Zellwirkungsgrad η = P MPPAmiddotE e

mit der bestrahlten Flauml-che A und der Bestrahlungsstaumlrke E e

Solarzellen koumlnnen also eine Leistung von sehr grob 160Wmsup2 abgeben Eingebaut in ein Modul ist die Leistung

pro Flaumlche geringer da zwischen den Zellen und zumModulrand Abstaumlnde vorhanden sind Im Weltraum wirdeine Leistung von 220 Watt pro Quadratmeter erzielt[58]

Schaltsymbol einer Fotodiode

Schaltzeichen und einfaches Ersatzschaltbild einer Solarzelle

71 Schaltbilder

Das Schaltsymbol einer Solarzelle gibt wie das Schalt-symbol einer Diode oder Photodiode mit einem Pfeil

die technische Stromrichtung zur Verschaltung an DerKennlinienverlauf einer realen Solarzelle weicht aller-dings von der einer idealen Fotodiode ab Um die-se Abweichungen zu modellieren existieren mehrereErsatzschaltbilder

711 Vereinfachtes Ersatzschaltbild

Das Schaltbild besteht zunaumlchst nur aus einerStromquelle die parallel zu einer idealen Diode ge-schaltet wird Diese produziert einen Strom der vonder Bestrahlungsstaumlrke abhaumlngt und den Photostrom I ph

modelliert Die Gesamtstromstaumlrke ergibt sich damit mitdem Diodenstrom I D (siehe Diode) zu

I = I ph minus I D = I ph minus I S

983131e

U DnmiddotU T minus 1

983133

712 Erweitertes Ersatzschaltbild (Ein- undZweidiodenmodell)

Das erweiterte Ersatzschaltbild nimmt Ruumlcksicht auf rea-le Faktoren des Bauelementes die durch die Fertigung

entstehen Mit diesen Modellen soll ein moumlglichst rea-listisches Modell der tatsaumlchlichen Solarzelle geschaffenwerden Beim Eindiodenmodell wird so das vereinfach-

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18 9 UMWELTSCHUTZ

Eindiodenmodell einer Solarzelle

te Ersatzschaltbild zunaumlchst nur durch einen parallel undeinen in Reihe geschalteten Widerstand ergaumlnzt

bull Der Parallelwiderstand Rp symbolisiertKristallfehler nichtideale Dotierungsverteilungenund andere Materialdefekte durch dieVerluststroumlme entstehen die den p-n-Uumlberganguumlberbruumlcken Bei Solarzellen aus guter Herstellungist dieser Widerstand relativ groszlig

bull Mit dem Serienwiderstand Rs werden alle Effektezusammengefasst durch die ein houmlherer Gesamtwi-derstand des Bauelementes entsteht Das sind haupt-saumlchlich der Widerstand des Halbleitermaterials derWiderstand an den Kontakten und der ZuleitungenDiese Groumlszlige sollte bei gefertigten Solarzellen moumlg-lichst gering sein

Die Formel fuumlr den Gesamtstrom ist fuumlr dieses Modellbereits eine rekursive Funktion und lautet

I = I phminusI dminusU p

Rp= I phminusI S

983131eU +RsmiddotInmiddotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

Beim Uumlbergang zum Zweidiodenmodell fuumlgt man ei-

Zweidiodenmodell mit spannungsgesteuerter Stromquelle fuumlr denLawinendurchbruch in Sperr-Richtung

ne weitere Diode mit einem anderen Idealitaumltsfaktor nein Normalerweise werden diese uumlber die Werte 1 und2 angesetzt Weiterhin lassen sich alle diese Modellebei Betrieb in Sperr-Richtung durch eine spannungsge-steuerte Stromquelle ergaumlnzen um den Lawinendurch-bruch zu modellieren Die Formeln fuumlr die Stroumlme beim

Zweidiodenmodell lauten dann bei Anpassungsleitwert g Durchbruchspannung U und Lawinendurchbruchex-ponent n

I = I phminusI bminusI S1

983131eU +RsmiddotIn1middotU T minus 1

983133minusI S2

983131eU +RsmiddotIn2middotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

I b = gb middot

(U + Rs middot I )

Rpmiddot983080

1 minus

U + Rs middot I

U b983081minusnb

8 Energetische Amortisation undErntefaktoren

Siehe auch Erntefaktor

Die energetische Amortisationszeit ist der Zeitpunkt zudem die fuumlr die Herstellung einer Photovoltaikanlage auf-gewandte Primaumlrenergie durch selbige wieder erzeugt

wurde Da die bei der Produktion genutzte elektrischeEnergie zu den Sekundaumlrenergien zaumlhlt wird diese mitdem Wirkungsgrad eines fossilen Kraftwerkes in Pri-maumlrenergie umgerechnet Dementsprechend erfolgt dieseUmrechnung auch bei der erzeugten elektrischen Energieder Solarzelle Analog kann man sich vorstellen dass diePhotovoltaikanlage den Strom aus einem konventionellenKraftwerk ersetzt[59]

Die energetische Amortisationszeit von Photovoltaikan-lagen betraumlgt derzeit (Stand 2013) nach einer Studie vonPeng et al global betrachtet zwischen 075 und 35 Jah-ren je nach Standort und verwendeter Photovoltaiktech-

nologie Der Mittelwert schwankt im Bereich von ca15 bis 25 Jahren Dies bedeutet in diesem Zeitraumhat die Photovoltaikanlage wieder die Energie hereinge-spielt die insgesamt waumlhrend ihres gesamten Lebenszy-klus verbraucht wurde Beruumlcksichtigt sind also die Her-stellung der Anlagen ihr Transport die Errichtung Be-trieb und der Ruumlckbau bzw Recycling Die rechnerischenCO2-Emissionen von Photovoltaikanlagen je nach Tech-nik und Standort zwischen 105 und 50 g CO2kWh mitDurchschnitten im Bereich 35 bis 45 g CO2kWh AlsLebensdauer wurde in der Studie 30 Jahre fuumlr Moduleauf Basis kristalliner Siliciumzellen und 20-25 Jahren fuumlr

Duumlnnschichtmodule angenommen fuumlr Lebensdauer derWechselrichter wurden 15 Jahre angenommen[60] Photo-voltaikanlagen liefern demnach waumlhrend ihrer Betriebs-zeit ein Vielfaches der Energie die zu ihrer Herstellungurspruumlnglich aufgewandt wurde

9 Umweltschutz

Die Herstellung photovoltaischer Solarzellen ist ein che-mischer Prozess bei dem gasfoumlrmige fluumlssige und fes-te Chemikalien zum Einsatz kommen die gesundheits-

und umweltschaumldlich sind Aus diesem Grund ist ein ho-her Standard der Prozesssicherheit zentral Unter Ar-beitsschutzaspekten ist eine sichere Ablufterfassung und

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Reinigung zu gewaumlhrleisten Bei dem Einsatz von Nass-waumlschern wird die Abluft durch ein fluumlssiges Absorpti-onsmedium geleitet Wenn dieses aufgebraucht ist ent-steht eine weitere Abwasserquelle neben den Aumltzloumlsun-gen aus der Produktion Diese muumlssen innerbetrieblichwiederaufbereitet oder spezialisierten Entsorgern uumlber-

geben werden Bei der Herstellung von Duumlnnschicht-halbleitern kommt es an den Waumlnden und Aufbautender Prozesskammer zu siliciumhaltigen AblagerungenDie Ruumlckstaumlnde muumlssen regelmaumlszligig entfernt werden dasie den Prozess stoumlren und zu Qualitaumltseinbuszligen fuumlh-ren Zum Entfernen der Ruumlckstaumlnde verwendet manSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid als Reini-gungsgase Beide Gase sind zwar ungiftig gleichwohlaber sehr starke Treibhausgase[61] In der Zellproduk-tion muumlssen die Reinigungsgase mit hoher Volumen-flussrate eingesetzt werden da sie chemisch sehr sta-bil sind und im Plasma zu weniger als 10 in rei-

nigungsaktive Radikale zerfallen Ein Groszligteil des Ga-ses bleibt somit ungenutzt und muss kostenintensiv ent-sorgt werden Zum Teil entweicht es ndash gewollt oder un-gewollt ndash direkt in die Umwelt Hieraus erklaumlrt sichu a auch der kuumlrzlich gemessene starke Anstieg derStickstofftrifluoridkonzentration in der Hochatmosphauml-re besonders uumlber Ost- und Suumldostasien An Stelle vonSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid kann auchdas sehr reaktive Halogen Fluor als Reinigungsgas ver-wendet werden Fluor ist sehr giftig es ist jedoch keinTreibhausgas Auszligerdem laumlsst es sich sehr leicht undruumlckstandsfrei aus Abgasstroumlmen entfernen

Einige Solarzelltypen verwenden anstelle von SiliciumStoffe wie z B toxisches oder karzinogenes CadmiumArsen bzw deren Verbindungen sowie Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid Ein typisches Cadmiumtellurid-Solarmodul enthaumllt zum Beispiel ca 22 g des gefaumlhrli-chen Schwermetalls Cadmium und 25 g Tellur pro msup2Zellflaumlche[62] Bei der Produktion werden beide Sub-stanzen durch Co-Verdampfung auf das Traumlgermaterialaufgebracht Die Co-Verdampfung ist ein ungerichteterProzess bei dem die gesamte Innenoberflaumlche derBeschichtungskammer mit Duumlnnschichten aus TellurCadmiumtellurid Cadmiumsulfid und Antimontelluriduumlberzogen werden Der Materialverbrauch erhoumlht sich

dadurch um mindestens weitere 40

Bei der regelmaumlszligigen Reinigung der Produktionskam-mer mit waumlssriger Saumlure ndash die Reinigung erfolgt ma-nuell ndash werden die Ruumlckstaumlnde in eine waumlssrige Louml-sung uumlberfuumlhrt Neben der eigentlichen Zellprodukti-on stellt also auch die Reinigung der Produktions-anlagen eine Herausforderung an Umweltschutz undArbeitsschutz dar[63][64][65][66][67] Eine neuere Unter-suchung versucht die geringere Gefaumlhrdung die vonCadmiumtellurid-Zellen im Vergleich zur Kohleverbren-nung ausgeht nachzuweisen[36] Produktionsruumlckstaumln-de und Emissionen koumlnnen zu Langzeitschaumlden und

Altlasten fuumlhren Gleiches gilt bei unsachgemaumlszliger Ent-sorgung fuumlr die Altzellen Die Photovoltaik unterschei-

det sich in diesem Aspekt von anderen Technologien zurNutzung regenerativer Energien

10 Sicherheitsbetrachtung

Fuumlr Schutzmaszlignahmen im Brandfall und Blitzeinschlagsiehe Photovoltaikanlage

11 Siehe auch

bull Halbleiterdetektor

bull Sonnensimulator (Photovoltaik)

12 Literatur

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bull Volker Quaschning Regenerative Energiesysteme 8Auflage Hanser Muumlnchen 2013 ISBN 978-3-446-

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bull Viktor Wesselak Thomas Schabbach ThomasLink Joachim Fischer Regenerative Energietech-nik 2 erweiterte und vollstaumlndig neu bearbeite-te Auflage Springer Vieweg Berlin Heidelberg2013 ISBN 978-3-642-24165-9

bull Peter Wuumlrfel Physik der Solarzellen SpektrumAkademischer Verlag Heidelberg 2000 ISBN 3-8274-0598-X (= Spektrum Hochschultaschenbuch)

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20 14 EINZELNACHWEISE

13 Weblinks

Commons Solarzelle ndash Album mit Bildern Videosund Audiodateien

Wikibooks Herstellung von Solarzellen ndash Lern-

und Lehrmaterialien

bull Die Solarmaus ndash Entstehung der Solarzelle mit Ar-min Maiwald (YouTube-Video)

bull PV-Education ndash detaillierte Online-Vorlesung mitGrundlagen und Anwendungen zur PV (englisch)

bull Photovoltaik ndash Innovationen (BINE Informations-dienst)

14 Einzelnachweise

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151 Text

bull Solarzelle Quelle httpdewikipediaorgwikiSolarzelleoldid=138856800 Autoren Fgb RobertLechner Schewek Igelball Aka StefanKuumlhn Lukian Onno Ilja Lorek Head El GNosis Atman Sun Tsor Matthaumlus Wander Seewolf HenrikHolke Honina Pstaudt-fischbachSchusch GDK Migas Paddy Zwobot Kai11 D HaeB ArtMechanic Hadhuey Robbot Pm Anton HaSee Rdb Boehm ZumboDirk33 AndreasB Pietz Soundray Sinn Peter200 Schmiddtchen Fuenfundachtzig Breeze Magadan Fetz Braun Jdiemer StYxXxSebastianWilken Martin-vogel Mnh Ot Aloiswuest MAK Scorpion2211 Gerhardvalentin Jaques AshSert Philipendula STephanKambor Koerpertraining Nicolas PeeCee Duesentrieb AHZ Hendric Stattmann Kristjan Ri st Hafex Norro Cepheiden Christoph-Demmer Fubar Ckeen DasBee Silberchen iexcl0-8-15 1-1111 VanGore Mjk Groer Umaluagr Mkuemmerer Wendelin Cyper QdrDundak Liberatus Juesch Kdkeller Greuer Drap Garak76 MartinThoma Udo T Zaungast Stephantom Pelz ML Thorbjoern Hein-te Diba Blech Zahnstein Renekaemmerer He3nry SchorSch Ion Tauwasser Bobbl Rosa Lux Gerbil Ulfbastel Hubertl MrVVooUebel H2h Liberal Freemason Quirin Leonce49 Blaubahn Flominator RedBot Anhi Dein Freund der Baum Wkw1959 So66 Cle-mensfranz OKoslowski Itti Yahp Miaow Miaow Zaphiro Eneldo Onliner Wahldresdner Darok MovGP0 Muck Uwezi Loh SyrcroZweistein12 Olei Dantor Krischan111 Nize Uwe W Georg Slickers Amtiss Roterraecher RajHid STBR Jackalope Ephraim33JFKCom Andimx Suirenn Hydro Pajz Dktz RobotQuistnix Alanmak Euku Xocolatl Hermannthomas Eynre Savin 2005 AbrevFireball TheTruth Bahnemann Segelmaus Harf Jakob5 Zemy Nyneela Schmitty TobiWanKenobi DerHexer WAH Sesc RolandBerger Schlesinger Staro1 Mo4jolo GeorgHH MutluMan Nightflyer Matzematik PeterFrankfurt Tomreplay PortalBot Ing Schrouml-der Walter LKD Juuml Manecke Quelokee Mons Maenalus JoBa2282 Stepa Giessauf A Cellulesolaire Lemberger HillerD RadlfahrerHelfmann Logograph Mion KaiMeier Sepp Roest FabiBerg Flo422 Degreen Rai42 Rfc GruumlneErde Btr FelixP Wdwd PendulinAdipictures HAH Toumlnjes Kaumlpten Balu Andreas 06 Batosai Rex Akribix D-Kuru UnknownID01 Cramunhao BesondereUmstaende

Tetris L MichaelFrey Jaellee Moumlchtegern Rufus46 Tillniermann TobiasKlaus Spuk968 Thijsbot Hpt Drcueppers Styxcr Wiki-murmeltier XenonX3 YMS Jobu0101 Leider Mschachinger Taratonga Horst Graumlbner WasserFreund Gustav von Aschenbach TobiB Muck31 Dandelo Simon-Martin Hedwig in Washington JAnDbot Nicolas G Gratisaktie Mrdaemon YourEyesOnly MarkujaIqRS M0nsterxxl Frankee 67 Cspan64 IRiedel Qkaz Jbergner Septembermorgen Gerhard wien CommonsDelinker Phriedrich Kue-bi Leuni Alchemist-hp Radunze Giftmischer Blaufisch Don Magnifico Axl Rose ABF Diwas RacoonyRE Sundar1 Complex TarfulAnjaM Lmmrs Zeitan Reaper35 VolkovBot Gravitophoton ldblquote Michileo Hjortron TXiKiBoT Kockmeyer Cactus26 Bazoo-kabill Rei-bot Petuschki Regi51 Claude J Idioma-bot Zwoumllfvolt Angerdan Martinhei ChrisHamburg Benutzer20070331 KrawiIshbane Entlinkt Taschna Der kleine gruumlne Schornstein DerTraeumer Tubas Juri S Worfo Engie Funkruf K41f1r Rotkaeppchen68Truthlobby Snoopy1964 Avoided Josal69 Aktionsbot Dudemaster23 Bengor Succu DonatelloXX Alnilam Kh555 TorwartfehlerPickhj Wispanow Pittimann Matthiasberlin Bullvolkar Se4598 Emergency doc Querverplaumlnkler Wizard of Oz(wald) Kein EinsteinHoltzhammer Blusky Halis Jelges Inkowik Fish-guts DumZiBoT SchroedingersKatze Grey Geezer Steinbeisser Horvath08 Gi-nosbot Simonste Philipp Wetzlar CaZeRillo Amirobot Luckas-bot KamikazeBot GrouchoBot Wiki4you Spookie1302 Small AxeHarald Lordick Shisha-Tom Yonidebot CSGSolarAT Xqbot ArthurBot Howwi Cubjek Morten Haan Astrobeamer Brodkey65 Pv42Pentachlorphenol Geierkraumlchz TB42 CactusBot Sunrydz Quartl Sindopower Rr2000 Norbirt Fredric Qniemiec Simey00wiki Ko-piersperre Jivee Blau Roentgenium111 Sebaacutestian San Diego MorbZ-Bot ShithappensbyTuE MondalorBot Jashuah Nothere Rubbles-by Ein kleiner Physiker Dermartinrockt Antonsusi Wurmkraut Mabschaaf Alraunenstern SolarFuture Aund M Weitzer Helium4

Avene DerGraueWolf Martin1978 Wassertraeger Pleonasty HRoestTypo EmausBot Halbarath Muumldigkeit ReinerSpass Mswisi Un-sterblicher TtIiMmOOO ZeacuteroBot Ottomanisch Dsfranzi Didym Striga Cologinux 30wiki04 Karle07 Ne discere cessa Rabax63Waithamai EnergieLabor Cassirer Randolph33 Mukitil Nummer4 Googolplex Flanschko Georgepauljohnringo Woltmers KrdbotHephaion Andol MerlIwBot Mikered KLBot2 Oguenther Thesurvived99 Herzoeglich Rudschuck Tomaacutes66 Gregou Boshomi Stei-ni77 Isjc99 Derschueler Hans Haase Schwunkel Smallandsimple Ciwd2 Nurax666 Krantnejie Rmcharb Kuschi51 Cimballi Redak-tionPflanze Datenundfakten Ragna314 Fico123456789 Buchbibliothek Blafnu Ferina53Solarous Kritzolina WhistlingBird Budu123Manni Lang HeicoH und Anonyme 686

152 Bilder

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bull Fraunhofer ISE Report current edition Originalkuumlnstler Eigenes Werk

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24 15 TEXT- UND BILDQUELLEN AUTOREN UND LIZENZEN

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Page 4: Solar Zelle

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4 1 EINTEILUNG

S t r a h l u n g s i n t e n s i t auml t W m sup2 n m

05

1

15

2

500 750 1000 1250 1500 1750

Wellenlaumlnge nm

Bandluumlcke GaSb(T=300K)

Terrestrische Sonnenstrahlung(Luftmasse AM15)

nutzbarerSpektralanteil

Ausnutzung der Sonnenstrahlung durch Galliumantimonid

erhoumlht werden kann Es wird versucht die Materialien sozu waumlhlen dass das einfallende Sonnenspektrum maxi-

mal ausgenutzt wirdDerzeitig sind kommerziell erhaumlltliche Solarzellen ausHalbleitermaterialien uumlberwiegend aus Silicium AuchIIIV-Halbleitermaterialien werden verwendet (unter an-derem an Raumsonden) Wegen ihrer hohen Kosten wer-den sie fuumlr terrestrische Anwendungen in Konzentrator-Systemen verwendet Polymere Solarzellen befinden sichnoch in der Forschung

Halbleitersolarzellen muumlssen zur Energiegewinnung zuSolarmodulen verschaltet werden Kristalline Zellen wer-den dafuumlr mit Leiterbahnen an Vorder- und Ruumlckseite in

Reihe geschaltet Die Spannung der Einzelzellen von ca05 V unter Belastung und 064 V im Leerlauf addiertsich dabei Bei der heute uumlblichsten Anzahl von 60 Zellenentsteht ein Modul mit einer typischen Arbeitsspannungvon 30 V und einer Leerlaufspannung von 384 V Solchein Modul aus 6+-Zellen liefert dabei etwa 230ndash260 WLeistung bei STC-Testbedingungen Diese Solarmodulekoumlnnen selbst wieder mittels integrierter spezieller Steck-verbinder an Kabeln einfach in Reihe geschaltet werdenum die Leistung zu erhoumlhen Dabei werden Leerlaufspan-nungen bis zu 1000 V bei Umgebungstemperaturen unterndash10 degC als maximal zulaumlssiger Grenzwert erreicht AlsSchutz vor einem Lawinendurchbruch in den einzelnen

Zellen (etwa bei Teilabschattung durch herabgefallenesLaub) muumlssen jedoch zusaumltzlich Schutz-Dioden (Bypass-Dioden) parallel zu den Zellen eingebaut werden die dieabgeschatteten Zellen uumlberbruumlcken koumlnnen In Generato-ranschlusskaumlsten kann in Groszliganlagen eine Parallelschal-tung uumlber Sicherungen zur weiteren Leistungssteigerungerfolgen

15 Funktionsprinzip

Solarzellen aus Halbleitermaterialien sind im Prinzip wie

groszligflaumlchige Photodioden aufgebaut Sie werden jedochnicht als Strahlungsdetektor sondern als Stromquelle be-trieben

Ruumlckseitenkontakt

p - dotiert+p - dotiert-

n - dotiert+

Raumladungszone

geladene

Atomruumlmpfe

(Raumladung)

E-Feld

Sonneneinstrahlung

Loch(Defektelektron)

Elektron

Frontkontakt

Lichtintensitaumlt

Eindringungstiefe

nutzbarer Lichtanteil

Einfallende Photonen erzeugen Elektronen und Loumlcher die imelektrischen Feld der Raumladungszone des p-n-Uumlbergangs ge-trennt werden (Diese Abbildung gilt nicht fuumlr waferbasierteSilicium-Solarzellen denn dort dringt das Licht tief in die Basis ein und es uumlberwiegt der Beitrag der zum p-n-Uumlbergang diffun-dierenden Minoritaumltsladungstraumlger siehe Text und [21])

Va le n z ba n d

Le i t u n g s ba n d

Ferminiveau

F r o n t k o n t a k t

R uuml c k s e i t e n k o n t a k t

p+n+ p-

P h

o t o

n

w i r d

a b

s o r b i e

r t G e n e r a t i o n

( E l e k t r o n - L o c h - P a a r )

Bandstruktur einer einfachen pin-dotierten Siliciumsolarzelle

Die Besonderheit von Halbleitern ist dass durch zuge-fuumlhrte Energie (elektromagnetische Strahlung) in ihnenfreie Ladungstraumlger erzeugt werden koumlnnen (Elektronenund Loumlcher siehe Generation) Um aus diesen Ladun-gen einen elektrischen Strom zu erzeugen ist es noumltigdie erzeugten freien Ladungstraumlger in unterschiedlicheRichtungen zu lenken dies geschieht sehr haumlufig durchein internes elektrisches Feld welches durch einen p-n-

Uumlbergang erzeugt werden kannJe nach Bauform der Solarzelle sind fuumlr die Erzeugungdes Photostroms zwei unterschiedliche Transportmecha-nismen relevant Diffusion bzw Drift

Bei typischen kristallinen Siliciumsolarzellen mit Wafer-dicken von rund 200 microm ist der groumlszligte Teil des lichtab-sorbierenden Materials feldfrei er wird Basis genannt Inder Basis diffundieren die optisch angeregten Minoritaumlts-ladungstraumlger (Elektronen bei n-dotierter Basis bzw Louml-cher bei p-dotierter Basis) frei umher (Die bei der Licht-absorption mit angeregten Majoritaumltsladungstraumlger spie-len fuumlr die Funktionsweise der Solarzelle keine Rolle)

Sobald Minoritaumltsladungstraumlger die Raumladungszonedes p-n-Uumlbergangs erreichen werden sie durch das elek-trische Feld zur anderen Seite des p-n-Uumlbergangs hin be-

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schleunigt und so von den Majoritaumltsladungstraumlgern derBasis getrennt letztere werden vom elektrischen Feld desp-n-Uumlbergangs aufgrund ihrer entgegengesetzten Ladungzuruumlckgehalten Diese Solarzellen erreichen eine hohePhotostromausbeute wenn die Diffusionslaumlnge der Mi-noritaumltsladungstraumlger groszlig im Verhaumlltnis zur Dicke der

Basis istund die Ruumlckseite der Solarzelle entweder ein so-genanntes Back Surface Field (BSF) aufweist oder dielek-trisch passiviert ist wodurch die Rekombinationsverlustereduziert werden

Bei Solarzellen die aus einem Material mit kleiner Dif-fusionslaumlnge bestehen reicht die Raumladungszone mitdem elektrischen Feld moumlglichst weit in das Material hin-ein Dies wird durch gezielte Dotierung des Materials ein-gestellt (siehe Halbleitertechnologie) Um das gewuumlnsch-te Profil zu erzeugen wird gewoumlhnlich eine duumlnne Ober-flaumlchenschicht stark n-dotiert die dickere Schicht dar-unter schwach p-dotiert Das hat eine Raumladungszone

mit hoher Weite zur Folge Wenn in dieser Zone nunPhotonen einfallen und Elektron-Loch-Paare erzeugen(innerer Photoeffekt) so werden durch das elektrischeFeld die Loumlcher zum untenliegenden p-Material be-schleunigt und umgekehrt die Elektronen zum n-Kontaktauf der (sonnenzugewandten) Oberseite

Ein Teil der Minoritaumltsladungstraumlger rekombiniert ihreAnregungsenergie geht dabei in Waumlrme verloren Wei-tere Verluste entstehen aufgrund des unvermeidlichenSerienwiderstands Der Photostrom kann direkt voneinem Verbraucher benutzt in einem Akkumulatorzwischengespeichert oder mit einem netzgefuumlhrten

Solarwechselrichter in das Stromnetz eingespeist wer-den Die elektrische Spannung bei maximaler Leistung(Maximum Power Point Leistungsanpassung) liegt beiden gebraumluchlichsten Zellen (kristalline Siliciumzellen)bei etwa 05 V

Die Struktur von Solarzellen wird zudem so angepasstdass moumlglichst viel Licht eingefangen wird und es inder aktiven Schicht (Basis bzw schwach dotierter Be-reich) freie Ladungstraumlger erzeugen kann Dazu muss dieDeckelektrode transparent sein die Kontakte zu dieserSchicht muumlssen moumlglichst schmal sein auf der Obersei-te wird eine Antireflexionsschicht (zur Verringerung des

Reflexionsgrades) aufgetragen ggfs wird die Ruumlcksei-te verspiegelt Die Antireflexionsschicht sorgt fuumlr die ty-pisch blaumluliche bis schwarze Farbe von Solarzellen Un-beschichtete Solarzellen haben dagegen ein silbrig-grauesErscheinungsbild

Manchmal wird die Vorderseite strukturiert oder aufge-raut Wegen dieses Vorteils wurden urspruumlnglich Wafermit Fehlern beim Schleifprozess o a als Ausgangsmate-rial fuumlr Solarzellen verkauft Schwarzes Silicium hat ei-ne aufgeraute nadelfoumlrmige Oberflaumlche die sehr geringeReflexionen aufweist

Die Antireflexschicht wird bei modernen Solarzel-len aus Siliciumnitrid mittels PE-CVD-Verfahren her-gestellt Die Schichtdicke betraumlgt dabei ca 70 nm

(Lambda-Viertel bei einem Brechungsindex von 20)Daruumlber hinaus kommen noch Antireflexschichten ausSiliciumdioxid und Titandioxid die beispielsweise perAP-CVD-Verfahren aufgebracht werden zur Anwen-dung

Uumlber die Schichtdicke wird auch die Farbe bestimmt(Interferenzfarbe) Eine moumlglichst hohe Gleichmaumlszligig-keit der Beschichtungsstaumlrke ist dabei wichtig da be-reits Schwankungen um einige Nanometer in der Schicht-staumlrke den Reflexionsgrad erhoumlhen Blaue Reflexion er-gibt sich aus der Einstellung der Antireflexschicht aufden roten Teil des Spektrums ndash der bevorzugten Absorp-tionswellenlaumlnge des Siliciums Prinzipiell sind jedochauch beispielsweise rote gelbe oder gruumlne Solarzellen aufdiese Weise fuumlr spezielle architektonische Anwendun-gen herstellbar sie haben jedoch einen schlechteren Wir-kungsgrad

Im Falle von Siliciumnitrid und Siliciumdioxid erfuumllltdie Antireflexschicht dabei noch die Funktion einer Pas-sivierungsschicht die die Oberflaumlchenrekombinationsge-schwindigkeit herabsetzt Die an der Oberflaumlche erzeug-ten Ladungstraumlger koumlnnen dadurch ndash vereinfacht ausge-druumlckt ndash nicht so schnell rekombinieren und die erzeugteLadung kann als Strom abgeleitet werden

2 Typen von Silicium-Solarzellen

Poly- und monokristalline Solarzelle

Das traditionelle Grundmaterial fuumlr Halbleitersolarzellenist Silicium Bis in das Jahr 2005 wurde vor allem Rest-silicium aus der Chipproduktion verwendet heute wirdzunehmend Silicium speziell fuumlr die Solaranwendungenproduziert Silicium ist allgemein fuumlr die Halbleitertech-nik nahezu ideal Es ist preiswert laumlsst sich hochrein undeinkristallin herstellen und als n- und p-Halbleiter dotie-ren Einfache Oxidation ermoumlglicht die Herstellung duumln-ner Isolationsschichten Jedoch ist die Auspraumlgung seiner

Bandluumlcke als indirekter Halbleiter fuumlr optische Wechsel-wirkung wenig geeignet Siliciumbasierte kristalline So-larzellen muumlssen eine Schichtdicke von mindestens 100

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6 2 TYPEN VON SILICIUM-SOLARZELLEN

Polykristalliner Wafer

Polykristallines Silicium

Moderne kristalline Silizium Solarzelle Das PERC Design (pas-sivated emitter and rear cell) hat fingerfoumlrmige Kontakte auf der Ruumlckseite die als Linien sichtbar sind (rechtes Bild) Damit er-reicht man Zellwirkungsgrade uumlber 20 Hergestellt im Institut

fuumlr Solarenergieforschung Hameln (ISFH) Deutschland

microm und mehr aufweisen um Licht ausreichend stark zuabsorbieren Bei Duumlnnschichtzellen direkter Halbleiter wie z B Galliumarsenid oder auch Silicium mit stark ge-stoumlrter Kristallstruktur (siehe unten) genuumlgen 10 microm

Je nach Kristallaufbau unterscheidet man bei Siliciumfolgende Typen

bull Monokristalline Zellen werden aus sogenanntenWafern (einkristalline Siliciumscheiben) herge-

stellt wie sie auch fuumlr die Halbleiterherstellung ver-wendet werden Sie sind verhaumlltnismaumlszligig teuer

bull Polykristalline Zellen bestehen aus Scheiben dienicht uumlberall die gleiche Kristallorientierung auf-weisen Sie koumlnnen z B durch Gieszligverfahren (s

u) hergestellt werden und sind preiswerter und inPhotovoltaikanlagen am meisten verbreitet

bull Amorphe Solarzellen bestehen aus einer duumlnnennichtkristallinen (amorphen) Siliciumschicht undwerden daher auch als Duumlnnschichtzellen bezeich-net Sie koumlnnen etwa durch Aufdampfen hergestelltwerden und sind preiswert haben im Sonnenlicht ei-nen nur geringen Wirkungsgrad bieten jedoch Vor-teile bei wenig Licht Streulicht und bei hoher Be-triebstemperatur Zu finden sind die amorphen Zel-len beispielsweise auf Taschenrechnern oder Uhren

bull Mikrokristalline Zellen sind Duumlnnschichtzellen mitmikrokristalliner Struktur Sie weisen einen houmlherenWirkungsgrad als amorphe Zellen auf und sind nichtso dick wie die gaumlngigen polykristallinen Zellen Siewerden teilweise fuumlr Photovoltaikanlagen verwen-det sind jedoch noch nicht sehr weit verbreitet

bull Tandem-Solarzellen sind uumlbereinander geschichte-te Solarzellen meist eine Kombination von poly-kristallinen und amorphen Zellen Die einzelnenSchichten bestehen aus unterschiedlichem Materialund sind so auf einen anderen Wellenlaumlngenbereichdes Lichtes abgestimmt Die zuoberst angeord-neten Zellen absorbieren nur einen Teil desLichtspektrums der Rest kann durchtreten und vonder darunter angeordneten Schicht verwertet wer-den Durch ein breiteres Ausnuumltzen des Lichtspek-trums der Sonne haben diese Zellen einen besserenWirkungsgrad als einfache Solarzellen Sie werdenteilweise bei Photovoltaikanlagen verwendet sindjedoch noch relativ teuer

21 Herstellung aus Siliciumbloumlcken oder -staumlben

Solarzellen koumlnnen nach verschiedenen Verfahren herge-stellt werden

Das Grundmaterial Silicium ist das zweithaumlufigstechemische Element das in der Erdkruste vorkommtEs liegt in Form von Silikaten oder als Quarz vorAus Quarzsand kann in einem Schmelz-ReduktionsofenRohsilicium sogenanntes metallurgisches Silicium mitVerunreinigungen von circa 1 bis 2 hergestellt wer-den 2005 wurden auf diese Weise 47 Mio TonnenSilicium hergestellt Ein Groszligteil davon geht in dieStahlindustrie und in die Chemische Industrie Nur ein

kleiner Anteil des metallurgischen Siliciums wird fuumlr dieMikroelektronik und die Photovoltaik verwendet Ausdem Rohsilicium wird dann uumlber einen mehrstufigen auf

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21 Herstellung aus Siliciumbloumlcken oder -staumlben 7

Silicium-Einkristall zur Waferherstellung hergestellt nach demCzochralski-Verfahren

Trichlorsilan basierenden Prozess polykristallines Reinst-silicium hergestellt Das bis heute (2006) hier angewen-dete Siemens-Verfahren[22] ein CVD-Verfahren wurdeallerdings fuumlr die Mikroelektronik entwickelt und opti-

miert Dort werden zum Teil voumlllig andere Anforderun-gen an die Qualitaumlt des Siliciums gestellt als in der Pho-tovoltaik Fuumlr Solarzellen ist beispielsweise die Reinheit

des Wafers in seiner gesamten Staumlrke wichtig um einemoumlglichst lange Ladungstraumlger-Lebensdauer zu gewaumlhr-leisten In der Mikroelektronik muumlssten dagegen prinzi-piell nur die oberen etwa 20 bis 30 microm hochrein sein Damittlerweile der Verbrauch an hochreinem Silicium fuumlrdie Photovoltaik den Verbrauch in der Mikroelektronik

uumlbertroffen hat wird zur Zeit intensiv an speziellen kos-tenguumlnstigeren und fuumlr die Photovoltaik optimierten Her-stellverfahren fuumlr Solarsilicium gearbeitet

Der gesamte Herstellprozess fuumlr hochreines Silicium istzwar sehr energieaufwendig aber dennoch koumlnnen dieheute verwendeten Solarzellen die fuumlr ihre Produktion er-forderliche Energiemenge ndash je nach Bauart ndash innerhalbvon 15 bis 5 Jahren wieder kompensieren Sie haben al-so eine positive Energiebilanz

Das Reinstsilicium kann auf unterschiedliche Weise wei-terverarbeitet werden Fuumlr polykristalline Zellen kom-

men groumlszligtenteils das Gieszligverfahren das Bridgman-Verfahren und das kantenbegrenzte Bandziehverfahren(EFG-Verfahren vonengl edge-defined film-fed growth)zum Einsatz Monokristalline Zellen werden fast immernach dem Czochralski-Verfahren hergestellt Bei allenVerfahren gilt dass die Dotierung mit Bor (siehe unten)schon beim Herstellen der Bloumlcke (Ingots) beziehungs-weise Staumlbe vorgenommen wird

211 Blockgussverfahren

Dieses Verfahren dient zur Herstellung von polykristalli-

nem Silicium Das Reinstsilicium wird in einem Tiegelmit Hilfe einer Induktionsheizung aufgeschmolzen unddann in eine quadratische Wanne gegossen in der es moumlg-lichst langsam abgekuumlhlt wird Dabei sollen moumlglichstgroszlige Kristallite in den Bloumlcken entstehen Die Kanten-laumlnge der Wanne betraumlgt etwa 50 cm die Houmlhe der er-starrten Schmelze etwa 30 cm Der groszlige Block wird inmehrere kleine Bloumlcke von etwa 30 cm Laumlnge zerteilt

Ein weiteres Gieszligverfahren ist der Strangguss wobei dieMasse schon in der am Ende benoumltigten Staumlrke auf dasTraumlgermaterial aufgebracht wird Der Vorteil ist dass einSaumlgevorgang mit seinen Verlusten entfaumlllt

212 Bridgman-Verfahren

Das Bridgman-Verfahren dient zur Herstellung von po-lykristallinem Silicium[23] und ist nach Percy WilliamsBridgman benannt Es ist nicht zu verwechseln mit derBridgman-Stockbarger-Methode diezur Herstellung vonMonokristallen dient Das Reinstsilicium wird hier eben-falls in einem Tiegel mit Hilfe einer Induktionsheizungbei uumlber 1400 degC aufgeschmolzen Die langsame Abkuumlh-lung der Schmelze bei der sich groszlige Zonen einheitlicherKristalle ausbilden findet hier im gleichen Tiegel statt

Die geheizte Zone wird langsam von unten nach oben imTiegel angehoben so dass sich oben bis zum Schluss fluumls-siges Silicium befindet waumlhrend vom Tiegelboden her

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8 2 TYPEN VON SILICIUM-SOLARZELLEN

das Erstarren erfolgt Hier sind die Kantenlaumlngen etwasgroumlszliger als beim Gieszligverfahren (zumeist Standardgroumlszlige690 mm)[24] die Houmlhe des Blocks betraumlgt etwa 20 bis25 cm Der groszlige Block wird ebenfalls in mehrere kleineBloumlcke von zumeist 156 mm Kantenlaumlnge zerteilt DieserArbeitsschritt wird Brikettieren genannt[25]

213 Czochralski-Verfahren

Das Czochralski-Verfahren wird fuumlr die Herstellung vonlangen monokristallinen Staumlben genutzt Der sogenann-te Impfkristall gibt die Orientierung im Kristall vor Vorder Herstellung der Zellen wird der entstandene Zylindernoch zurechtgeschnitten

214 Zonenschmelzverfahren

Das Zonenschmelzverfahren auch Float-Zone-Verfahrengenannt dient auch der Herstellung monokristalliner Si-liciumstaumlbe Die bei diesem Verfahren erzielte Reinheitist im Normalfall houmlher als fuumlr die Solartechnik benouml-tigt und auch mit sehr hohen Kosten verbunden Deshalbwird diese Technik fuumlr die Solartechnik eher selten be-nutzt Das einzige Unternehmen das Float-Zone-Waferin nennenswerten Mengen fuumlr Solarzellen verwendet istdas US-Unternehmen SunPower

215 Waferherstellung

Die Kristallstaumlbe muumlssen nun mit einemDrahtsaumlgeverfahren in Scheiben die sogenanntenWafer gesaumlgt werden Dabei entsteht aus einem groszligenTeil des Siliciums Saumlgestaub dessen Verwertung ab2013 erforscht wurde [26] Die Dicke der entstehendenScheiben liegt bei etwa 018 bis 028 mm

Eine weitere Quelle fuumlr Wafer war urspruumlnglich der Aus-schuss an Rohlingen fuumlr die Herstellung von integriertenSchaltkreisen der Halbleiterfertigung deren zur Weiter-verarbeitung ungeeigneten Rohlinge als Solarzelle ver-wendet werden

Die monokristallinen Zellen zeichnen sich durch eine ho-mogene Oberflaumlche aus waumlhrend bei den polykristallinenZellen gut die einzelnen Zonen mit verschiedener Kris-tallorientierung unterschieden werden koumlnnen ndash sie bil-den ein eisblumenartiges Muster auf der Oberflaumlche

Im Waferstadium sind Vorder- und Ruumlckseite der Zellenoch nicht festgelegt

216 Waferprozessierung

Die gesaumlgten Wafer durchlaufen nun noch mehrere che-

mische Baumlder um Saumlgeschaumlden zu beheben und eineOberflaumlche auszubilden die geeignet ist Licht einzufan-gen Im NormalfallsinddieWafer schon mit einer Grund-

dotierung mit Bor versehen Diese bewirkt dass es uumlber-schuumlssige Defektelektronen (positive Ladungen) gibt dasheiszligt es koumlnnen Elektronen eingefangen werden Daswird auch p-Dotierung genannt Auf dem Weg zur fer-tigen Solarzelle mit p-n-Uumlbergang muss nun die Oberflauml-che noch eine n-Dotierung bekommen was durch Pro-

zessierung der Zelle in einem Ofen in einer Phosphor-Atmosphaumlre geschieht Die Phosphoratome schaffen ei-ne Zone mit Elektronenuumlberschuss auf der Zelloberflauml-che die etwa 1 microm tief ist Nach der Diffusion mit Phos-phor entsteht auf der Oberflaumlche des Wafers Phosphor-glas Um dieses zu entfernen ist ein weiterer sehr kur-zer Aumltzschritt mit Flusssaumlure noumltig Danach wird in einemweiteren Ofen mittels PECVD die Antireflexschicht auf-getragen die der Zelle erst die typische Farbe gibt

Danach erfolgt die Bedruckung der Zelle z B durchSiebdruck mit den notwendigen Loumltzonen und der Struk-tur welche fuumlr den besseren Abgriff des generierten elek-

trischen Stroms sorgt Die Vorderseite erhaumllt meist zweibreitere Streifen auf denen spaumlter die Baumlndchen zumVerbinden mehrerer Zellen befestigt werden Auszligerdemwird ein sehr duumlnnes elektrisch gut leitendes Raster auf-gebracht was einerseits den Lichteinfall so wenig wiemoumlglich behindern und andererseits den ohmschen Wi-derstand der Deckelektrode verringern soll Die Ruumlcksei-te wird meist vollflaumlchig mit einem gut leitenden Materialbeschichtet

Nach der Prozessierung werden die Zellen nach optischenund elektrischen Merkmalen klassifiziert sortiert und fuumlrdie Fertigung von Solarmodulen zusammengestellt

22 Direkte Herstellung von Platten bzwSchichten

Um den Umweg des Saumlgens von Wafern aus Kristallblouml-cken zu vermeiden gibt es umfangreiche Aktivitaumlten So-larzellen direkt zu erzeugen

221 EFG-Verfahren

Beim EFG-Verfahren (von engl edge-defined film-fed growth ungefaumlhre Uumlbersetzung bdquokantendefiniertesFilmwachstumldquo) werden aus einer elektrisch beheiztenGraphitwanne aus fluumlssigem Reinstsilicium achteckigeRoumlhren von etwa 6 bis 7 m Laumlnge nach oben gezo-gen Die Ziehgeschwindigkeit liegt im Bereich von ca 1mms Die Kantenlaumlnge der einzelnen Seiten betraumlgt 10bzw 125 cm die Wandstaumlrke ca 280 microm Nach Fer-tigstellung der Roumlhre wird diese entlang der Kanten mitNdYAG-Lasern geschnitten und in einem bestimmtenRaster dann uumlber die Breite der jeweiligen Seite Darausergibt sich die Moumlglichkeit der Herstellung von Zellenmit unterschiedlichen Kantenlaumlngen (zum Beispiel 125

cm times 15 cm oder 125 cm times 125 cm) Es wird eineAusbeute von etwa 80 des Ausgangsmaterials erzieltBei den so erzeugten Zellen handelt es sich ebenfalls um

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24 Solarzellen aus speziellen Siliciumstrukturen 9

polykristallines Material welche sich vom Aussehen herdeutlich von den gesaumlgten Zellen unterscheidet Unter an-derem ist die Oberflaumlche der Zellen welliger Ein Vor-teil im Vergleich zum Saumlgen aus Bloumlcken ist die weit-gehende Vermeidung von Verschnitt der zudem nichtmit Schneidefluumlssigkeit (engl slurry vgl Kolloide) ver-

unreinigt ist Dieses Verfahren wird auch Bandzieh- oderOctagon-Verfahren genannt

Das EFG-Verfahren wurde bis 2009 von der FirmaSchott Solar (Deutschland) angewendet Von einer wei-teren Verwendung musste abgesehen werden da SchottSolar als einziger Anwender dieses Prozesses die Wei-terentwicklung im Vergleich zu anderen Prozessen mitmehr Entwicklern im Hintergrund nicht schnell genugvorantreiben konnte[27] Entwickelt wurde das Verfahrenvon der Firma ASE Solar (USA)

222 String-Ribbon-Verfahren

Weiterhin gibt es das String-Ribbon-Verfahren der insol-venten US-amerikanischen Firma Evergreen Solar beidem die Wafer zwischen zwei Faumlden direkt aus der Sili-ciumschmelze gezogen werden[27] Dabei entsteht weni-ger Abfall (wie Spaumlne usw die normalerweise direkt ent-sorgt werden) als bei den herkoumlmmlichen Verfahren Alsdeutsches Unternehmen verwendete die Sovello AG dasString-Ribbon-Verfahren zur Produktion von Wafern

223 Schichttransfer-Verfahren

Beim Schichttransfer-Verfahren wird eine nur ca 20 micromduumlnne Schicht aus einkristallinem Silicium direkt flachauf einem Substrat gezuumlchtet Als Traumlgermaterial eignensich keramische Substrate oder auch speziell oberflaumlchen-behandeltes Silicium wodurch das Abloumlsen des entstan-denen Wafers und die Wiederverwendung desTraumlgers ge-geben ist Die Vorteile dieser Verfahren sind der deut-lich geringere Siliciumbedarf durch die geringe Dickeund der Wegfall der Saumlgeverluste Der Saumlgevorgang als

zusaumltzlicher Prozessschritt entfaumlllt Der erreichbare Wir-kungsgrad ist hoch und liegt im Bereich von monokris-tallinen Zellen

23 Solarzellen aus bdquoschmutzigemldquo Silici-um

Der Prozess des Zonenschmelzens und Dotierens laumlsstsich auch in eine bereits gefertigte flache Platte bzwSchicht verlagern Das Prinzip ist dass die Verunreini-

gungen durch Waumlrmebehandlung (mehrfach lateral fort-schreitende Umschmelzung z B mit Laserstrahlung) desSiliciums an wenigen Stellen konzentriert werden[28]

24 Solarzellen aus speziellen Silicium-strukturen

Seit den 2000er Jahren arbeiten verschiedene For-schungsgruppen an Solarzellen auf Basis von langen bdquoSi-liciumstaumlbchenldquo (manchmal auch bdquoSiliciummikrodraumlh-teldquo genannt) im Mikrometermaszligstab[29][30] Die einzel-nen Siliciumstaumlbchen sind in der Regel einige Mikrome-ter dick und ca 200 Mikrometer lang Strukturen aussenkrecht zu einer Traumlgerflaumlche angeordneten Staumlbchenzeigen gegenuumlber konventionellen Solarzellen aus Silici-um eine erhoumlhte Absorption von Sonnenlicht in einembreiten Spektralbereich vgl Schwarzes Silicium

Ein Beispiel fuumlr eine solche Solarzelle wurde 2010 voneiner Arbeitsgruppe um Harry Atwater vom CaliforniaInstitute of Technology vorgestellt Sie stellten uumlber 100Mikrometer lange Staumlbchen mithilfe der sogenanntenVLS-Technik[31] (von engl vapor -liquid -solid ) her uumlber-gossen diese anschlieszligend zur Stabilisierung mit durch-sichtigem biegsamem Kunststoff (PolydimethylsiloxanPDMS) und loumlsten danach die fertige Zelle von derPlatte[29] Diese Zellen zeigen wie zuvor erwaumlhnt eineerhoumlhte Absorption von insgesamt bis zu 85 des einfal-lenden Lichts uumlber einen groszligen Spektralbereich Die soerzeugten Solarzellen im Laborstatus haben einen hohenWirkungsgrad Ihre Herstellung verbraucht nur 1 Prozentder sonst zur Solarzellenproduktion uumlblichen Silicium-menge auszligerdem sind diese Solarzellen biegbar[32]

3 Andere Solarzellentypen

31 Duumlnnschichtzellen

Kleine amorphe Si-Duumlnnschichtsolarzelle auf Glas vier Zellenin Reihe

Duumlnnschichtzellen gibt es in verschiedenen Ausfuumlhrun-gen je nach Substrat und aufgedampften Materialien

Die Spannbreite der physikalischen Eigenschaften undder Wirkungsgrade ist entsprechend groszlig Duumlnnschicht-zellen unterscheiden sich von den traditionellen Solar-

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10 3 ANDERE SOLARZELLENTYPEN

Ruumlckseite (Schichtseite braun lackiert)

Solarzellentypen

zellen (kristallinen Solarzellen basierend auf Silicium-wafern) vor allem in ihren Produktionsverfahren unddurch die Schichtdicken der eingesetzten MaterialienDie physikalischen Eigenschaften amorphen Siliciumsdie von kristallinem Silicium verschieden sind beeinflus-sen die Solarzelleneigenschaften Manche Eigenschaftensind auch noch nicht vollstaumlndig verstanden

Auch bei kristallinen Solarzellen wird das Licht bereitsin einer duumlnnen Oberflaumlchenschicht (ca 10 microm) absor-biert Es liegt daher nahe Solarzellen sehr duumlnn zu fer-tigen Verglichen mit kristallinen Solarzellen aus Silici-umwafern sind Duumlnnschichtzellen etwa 100-mal duumlnner

Diese Duumlnnschichtzellen werden meist durch Abscheidenaus der Gasphase direkt auf einem Traumlgermaterial aufge-bracht Das kann Glas Metallblech Kunststoff oder auchein anderes Material sein Der aufwaumlndige im vorigenKapitel beschriebene Prozess des Zerschneidens von Si-liciumbloumlcken kann also umgangen werden

Das bisher gaumlngigste Material fuumlr Duumlnnschichtzellen istamorphes Silicium (a-SiH) Solche Duumlnnschichtmodu-le sind langlebige Produkte Freiluft-Tests zeigen sta-bile Wirkungsgrade uumlber mehr als zehn Jahre Moumlgli-che weitere Materialien sind mikrokristallines Silicium(microc-SiH) Gallium-Arsenid (GaAs) Cadmiumtellurid

(CdTe) oder Kupfer-Indium-(Gallium)-Schwefel-Selen-Verbindungen die so genannten CIGS-Solarzelle bzwCIS-Zellen wobei hier je nach Zelltyp S fuumlr Schwefel

oder Selen stehen kann Ein neuesMaterial das neu in derDuumlnnschichttechnologie Anwendung findet ist CZTS

Wirkungsgrade im Bereich von 20 (217 mit CIGS-Solarzellen siehe[33]) fuumlr kleine CIGS-Laborzellen (asymp 05cmsup2) sind durchaus moumlglich CIGS-Duumlnnschichtmodule

erreichen inzwischen aumlhnliche Wirkungsgrade wie Mo-dule aus polykristallinem Silicium (11ndash12 [34])Fuumlr Cadmiumtellurid-Zellen lag der Wirkungsgrad beiLaborzellen im August 2014 bei 21 [35]

Wichtiger sind oft die Kostenzu denen Stromaus den So-larzellen produziert werden kann dazu kommen wichti-ge Kriterien wie die Emission von Schadstoffen Aktuel-le Studien belegen dass Cadmiumtellurid-Duumlnnschicht-Solarzellen hier eine bessere Bilanz als konventionelle Si-liciumzellen aufweisen[36]

Eine weitere Staumlrke von Duumlnnschichtmodulen ist dasssie einfacher und groszligflaumlchiger produziert werden koumln-

nen insbesondere die Duumlnnschichtzellen aus amorphemSilicium Duumlnnschichtmodule sind nicht auf ein rigidesSubstrat wie Glas oder Aluminium angewiesen bei auf-rollbaren Solarzellen fuumlr den Wanderrucksack oder ein-genaumlht in Kleider wird ein geringerer Wirkungsgrad inKauf genommen der Gewichtsfaktor ist wichtiger als dieoptimale Lichtumwandlung

Zur Herstellung eignen sich Maschinen welche auchzur Herstellung von Flachbildschirmen eingesetzt wer-den Dabei werden Beschichtungsflaumlchen von uumlber 5 msup2erreicht Mit den Verfahren zur Herstellung von amor-phem Silicium laumlsst sich auch kristallines Silicium induumlnnen Schichten herstellen sogenanntes mikrokristal-lines Silicium Es vereint Eigenschaften von kristalli-nem Silicium als Zellenmaterial mit den Methoden derDuumlnnschichttechnik In der Kombination aus amorphemund mikrokristallinem Silicium wurden in den letztenJahren beachtliche Wirkungsgradsteigerungen erzielt

Ein Verfahren fuumlr die Fertigung kristalliner Duumlnnschicht-zellen aus Silicium ist CSG (Crystalline Silicon onGlass) dabei wird eine weniger als zwei Mikrometerduumlnne Siliciumschicht direkt auf einen Glastraumlger aufge-bracht die kristalline Struktur wird nach einer Waumlrme-behandlung erreicht Das Aufbringen der Stromfuumlhrungerfolgt mittels Laser- und Tintenstrahldrucktechnik Da-fuumlr wurde 2005 von der Firma CSG Solar eine Fabrika-tionsanlage in Deutschland gebaut Weil das Verfahrennicht wirtschaftlich zu betreiben war musste das Unter-nehmen nach kurzer Zeit seine Produktion einstellen Derchinesische Solarkonzern Suntech erwarb das Unterneh-men und seine Technologie hat aber 2011 die Aktivitauml-ten in diesem Bereich aufgegeben und das Unternehmengeschlossen[37]

Es werden derzeit Duumlnnschichtsolarzellen aus schwarzemSilicium entwickelt die einen etwa doppelten Wirkungs-grad erreichen sollen[38]

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34 Elektrochemische Farbstoff-Solarzelle 11

Schematischer Aufbau einer Konzentratorzelle

32 Konzentratorzellen

Bei Konzentratorzellen (auch Konzentrator-Photovoltaik engl Concentrated PV CPV) wird Halbleiterflaumlche ein-gespart indem das einfallende Sonnenlicht zunaumlchst

auf einen kleineren Bereich konzentriert wird Das er-reicht man durch Konzentratoren wie z B Linsen zu-meist Fresnel-Linsen oder auch Lichtleitkoumlrper die dieTotalreflexion nutzen[39][40] Diese sind im Vergleich zuHalbleitern bezogen auf die Flaumlche preiswerter Es kannsomit zu geringeren Kosten die Sonneneinstrahlung ei-ner groumlszligeren Flaumlche ausgenutzt werden Haumlufig verwen-dete Materialien fuumlr Konzentratorsolarzellen sind III-V-Halbleiter Zumeist werden Mehrfachsolarzellen (siehenaumlchster Abschnitt) verwendet die fuumlr vollflaumlchige So-larzellen unwirtschaftlich waumlren Sie arbeiten noch zu-verlaumlssig bei mehr als dem 500-fachen der Sonneninten-

sitaumlt Konzentratorsolarzellen muumlssen dem Sonnenstandnachgefuumlhrt werden damit ihre Optik die Sonnenstrah-lung auf die Zellen buumlndeln kann Zusaumltzlicher Effekt derLichtkonzentration ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wir-kungsgrades da die Leerlaufspannung ansteigt Die US-Energiebehoumlrde hat mit dieser Technik Wirkungsgradevon uumlber 40 erreicht[41][42]

33 Mehrfachsolarzellen

rarr Hauptartikel Tandem-Solarzelle

Mehrfachsolarzellen bestehen aus zwei oder mehr So-larzellen mit verschiedenem Material die monolithisch

uumlbereinander geschichtet sind Zweck dieser Anord-nung ist es den Wirkungsgrad der gesamten Anordnungzu erhoumlhen Die Wirkungsgrade bei Labormustern vonTandem-Konzentratorsolarzellen erreichten 2008 und2009 uumlber 40 So wurde am Fraunhofer Institut fuumlrSolare Energiesysteme ISE mit einer Mehrfachsolarzel-

le und 454-facher Konzentration ein Wirkungsgrad von411 erzielt[43]

34 Elektrochemische Farbstoff-Solarzelle

rarr Hauptartikel Graumltzel-Zelle

Bei Farbstoffsolarzellen auch bekannt als Graumltzel-Zellenwird der Strom anders als bei den bisher aufgefuumlhrtenZellen uumlber die Lichtabsorption eines Farbstoffes gewon-nen als Halbleiter kommt Titandioxid zum Einsatz Als

Farbstoffe werden hauptsaumlchlich Komplexe des seltenenMetalls Ruthenium verwendet zu Demonstrationszwe-cken koumlnnen aber selbst organische Farbstoffe zum Bei-spiel der Blattfarbstoff Chlorophyll oder Anthocyane (ausBrombeeren) als Lichtakzeptor verwendet werden (die-se besitzen jedoch nur eine geringe Lebensdauer) DieFunktionsweise der Zelle ist noch nicht im Detail geklaumlrtdie kommerzielle Anwendung gilt als recht sicher ist aberproduktionstechnisch noch nicht in Sicht

Konventionelle n-Typ-Farbstoffsolarzellen arbeiten miteiner Photoanode einer positiven Elektrode die mit ei-nem n-Halbleiter zB Titandioxid und einem Farbstoff

beschichtet ist Trifft Licht darauf werden die Farbstoff-molekuumlle angeregt und setzen Elektronen frei Ein Re-doxmediator der als Bestandteil des Elektrolyten zwi-schen den Elektroden frei beweglich ist regeneriert denFarbstoff Beim p-Typ (p-DSC p-dye-sensitized solarcell) laumluft der Prozess genau entgegengesetzt Ein spezi-eller Farbstoff und ein p-Halbleiter befinden sich auf ei-ner Photokathode Der durch Licht angeregte Farbstoffsaugt Elektronen aus dem Valenzband des p-HalbleiterszB Nickeloxid heraus Das uumlblicherweise eingesetz-te System aus Iodid und Tri-Iodid ersetzten Wissen-schaftler der Monash University der Commonwealth Sci-

entific and Industrial Research Organization (Australi-en) und der Universitaumlt Ulm durch den Kobalt-KomplexTris(12-diaminoethan)cobalt(IIIII) bei dem das Ko-balt zwischen den Oxidationsstufen +2 und +3 wech-seln kann Zellen auf dieser Basis erreichen dabei einehoumlhere Energieumwandlungseffizienz Ein weiterer An-satz um die Leistung von photovoltaischen Zellen zusteigern ist die Kombination einer n- und einer p-Typ-Farbstoffsolarzelle zu einer Tandem-Solarzelle[44]

35 Organische Solarzellen

rarr Hauptartikel Organische SolarzelleEine organische Solarzelle ist eine Solarzelle die aus

Werkstoffen der organischen Chemie besteht d h aus

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12 3 ANDERE SOLARZELLENTYPEN

Ein kommerziell erhaumlltliches flexibles Modul einer polymeren or- ganischen Solarzelle

Kohlenwasserstoff-Verbindungen (Kunststoffen) Diese

Verbindungen haben elektrisch halbleitende Eigenschaf-ten Der Wirkungsgrad mit dem Sonnenenergie inelektrische Energie umgewandelt wird liegt mit 120 (Stand Januar 2013)[45] noch unterhalb von dem von So-larzellen aus anorganischem Halbleitermaterial Organi-sche Solarzellen bzw Plastiksolarzellen wie sie auch ge-nannt werden sind aufgrund der Moumlglichkeiten hinsicht-lich guumlnstiger und vielseitiger Herstellungsverfahren einaktuelles Forschungsthema Die von den Herstellern die-ser Zellen auf Kunststoffbasis genannten Vorteile gegen-uumlber herkoumlmmlichen Siliciumsolarzellen sind

bull

Geringe Herstellungskosten aufgrund billiger Pro-duktionstechnologien

bull Hohe Stromausbeuten durch Duumlnnschicht-Groszligflaumlchentechnologien fuumlr Kunststoffe

bull Flexibilitaumlt Transparenz und einfache Handhabung(mechanische Eigenschaften von Kunststoffen)

bull Hohe Umweltvertraumlglichkeit (Kunststoffe auf Koh-lenstoffbasis)

bull Anpassung an das Sonnenspektrum durch gezieltePolymersynthese

bull bdquoBunteldquo Solarzellen fuumlr architektonische Stilele-mente

Im Vergleich zu den ersten organischen Solarzellen wur-den inzwischen viele Fortschritte erzielt

Das Material fuumlr diesen Solarzellentyp basiert auf or-ganischen Kohlenwasserstoffverbindungen mit spezifi-scher elektronischer Struktur dem konjugierten π-Elektronensystem welches den betreffenden Materiali-en die wesentlichen Eigenschaften amorpher Halblei-ter verleihen Typische Vertreter organischer Halbleitersind konjugierte Polymere und Molekuumlle wobei auch

speziell synthetisierte Hybridstrukturen verwendet wer-den Die ersten Kunststoffsolarzellen die aus konju-gierten Polymeren (Elektronendonatoren) und Fullerenen

(Elektronenakzeptoren) hergestellt wurden waren Zwei-Schicht-Solarzellen Diese Zellen bestehen aus einer duumln-nen Schicht des konjugierten Polymers auf die eineweitere duumlnne Schicht von Fullerenen aufgebracht wirdAus technologischer Sicht stellen konjugierte Polyme-re und funktionalisierte Molekuumlle auf Grund ihrer Pro-

zessierbarkeit aus der Fluumlssigphase attraktive Basisma-terialien fuumlr die kostenguumlnstige Massenproduktion flexi-bler PV-Elemente mit vergleichsweise einfacher Strukturdar Molekulare Halbleiter hingegen werden uumlblicherwei-se in vakuumgestuumltzten Aufdampfprozessen zu wohlde-finierten Mehrschichtsystemen verarbeitet und lassen dieHerstellung sequentiell abgeschiedener Halbleiterschich-ten und somit komplexere Zelltypen (z B Tandemzellen)zu

Die organische Photovoltaik (OPV) hat das technologi-sche Potenzial als sogenannte bdquoLow-cost Energy SourceldquoEinzug in die mobile Stromversorgung zu halten Dies

auch aufgrund der kostenguumlnstigen Massenfertigung aufBasis etablierter Druckverfahren Damit koumlnnte mit derorganischen Photovoltaik ein neuer Anwendungsbereicherschlossen werden bei gleichzeitig niedrigen Investiti-onskosten Die Firma Konarka Technologies GmbH inNuumlrnberg hatte 2009 erste organische Kollektoren fuumlrMobilgeraumlte auf den Markt gebracht[46]

36 Hybrid-Solarzelle

Eine Hybridsolarzelle ist eine Solarzelle die organischeund anorganische Bestandteile enthaumllt[47]

37 Fluoreszenz-Zelle

Fluoreszenz-Zellen sind Solarzellen die zunaumlchst in ei-ner Platte durch Fluoreszenz Licht groumlszligerer Wellenlaumlngeerzeugen um dieses an den Plattenkanten zu wandeln

38 Thermische Photovoltaik-Zellen(TPV)

Unter dem Namen Thermische Photovoltaik-Zellen(TPV) werden Zellen auf Basis von InP (fruumlher GaSb)verstanden die nicht Sonnenlicht verwerten sondernWaumlrmestrahlung also Licht wesentlich houmlherer Wel-lenlaumlnge Der Wirkungsgrad wurde dabei durch neuereArbeiten[48] bis auf 12 gesteigert (vorher maximal 9) Eine potentielle Anwendung solcher Zellen waumlre

die Verwertung von Waumlrme wie sie bei groszligtechnischenAnwendungen in groszligen Mengen entsteht und die bishermit zusaumltzlichem Aufwand entsorgt werden muss

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4 Geschichte

rarr Hauptartikel Geschichte der Photovoltaik

Die Nutzung der Sonne zur Gewinnung von elektrischerEnergie kann man grob in das Jahr 1839 datieren DerFranzose Alexandre Edmond Becquerel stellte fest dasseine Batterie wenn man sie dem Sonnenlicht aussetzteine houmlhere Leistung hat als ohne Sonnenlicht Er nutz-te den Potentialunterschied zwischen einer verdunkeltenund einer belichteten Seite einer chemischen Loumlsung indie er zwei Platinelektroden eintauchte Als er nun die-se Konstruktion in die Sonne stellte beobachtete er dassein Strom zwischen den zwei Elektroden entstand So ent-deckte er den photovoltaischen Effekt konnte ihn aller-dings noch nicht erklaumlren Spaumlter wies man nach dassauch andere Materialien wie Kupfer photoleitfaumlhig sind

Die Photoleitfaumlhigkeit wurde bei Selen 1873 nachgewie-sen Zehn Jahre spaumlter wurde die erste bdquoklassischeldquo Pho-tozelle aus Selen gefertigt Wiederum zehn Jahre spaumlter1893 wurde die erste Solarzelle zur Erzeugung von Elek-trizitaumlt gebaut

1904 entdeckte der oumlsterreichisch-ungarische PhysikerPhilipp Lenard dass Lichtstrahlen beim Auftreffen aufbestimmte Metalle Elektronen aus deren Oberflaumlche her-ausloumlsen und lieferte damit die ersten Erklaumlrungen fuumlrdenEffekt der Photovoltaik Ein Jahr spaumlter erhielt er den No-belpreis fuumlr Physik fuumlr die Erforschung des Durchgan-ges von Kathodenstrahlen durch Materie und fuumlr seineElektronentheorie Den endguumlltigen Durchbruch schaffte1905 Albert Einstein als er mit Hilfe der Quantentheo-rie die gleichzeitige Existenz des Lichtes sowohl als Welleals auch als Teilchen erklaumlren konnte Bis dahin glaubteman dass Licht nur als eine Energie mit unterschiedlicherWellenlaumlnge auftritt Doch Einstein stellte in seinen Ver-suchen die Photovoltaik zu erklaumlren fest dass sich Lichtin manchen Situationen genauso wie ein Teilchen verhaumlltund dass die Energie jedes Lichtteilchens oder Photonsnur von der Wellenlaumlnge des Lichts abhaumlngt Er beschriebdas Licht als eine Ansammlung von Geschossen die aufdas Metall treffen Wenn diese Geschosse genuumlgend En-

ergie besitzen wird ein freies Elektron das sich im Me-tall befindet und von einem Photon getroffen wird vomMetall geloumlst Auszligerdem entdeckte er dass die maxima-le kinetische Energie der losgeloumlsten Elektronen von derIntensitaumlt des Lichtes unabhaumlngig ist und nur durch dieEnergie des auftreffenden Photons bestimmt wird DieseEnergie haumlngt wiederum nur von der Wellenlaumlnge (oderder Frequenz) des Lichtes ab Fuumlr seine Arbeit zum pho-toelektrischen Effekt erhielt er 1921 den Nobelpreis fuumlrPhysik

Die Entdeckung des p-n-Uumlbergangs (Kristallgleichrich-ters) im Jahre 1947 durch William B Shockley Walther

H Brattain und John Bardeen war ein weiterer groszligerSchritt zur Solarzelle in ihrer heutigen Form Nach die-sen Entdeckungen stand dem Bau einer Solarzelle in ih-

rer heutigen Form nichts mehr entgegen Es ist jedocheinem gluumlcklichen Zufall zu verdanken dass diese ersteSolarzelle 1954 in den Laboratorien der amerikanischenFirma Bell gebaut wurde Die Mitarbeiter der Firma (un-ter Teamleiter Morton Price) beobachteten als sie einenGleichrichter der mit Hilfe von Silicium arbeitete un-

tersuchten dass dieser mehr Strom lieferte wenn er inder Sonne stand als wenn er zugedeckt war Bei Bell er-kannte man schnell den Nutzen dieser Entdeckung zurVersorgung des Telefonnetzes von laumlndlichen Regionenmit Strom was bis dahin noch mit Batterien geschah DieFirma Bell genauer Daryl Chapin Calvin Souther Fullerund Gerald Pearson entwickelte 1953 die erste mit Arsendotierte Solarzelle auf Siliciumbasis welche einen Wir-kungsgrad von etwa 4 besaszlig Durch den Wechsel desDotierungsmittels konnte der Wirkungsgrad auf etwa 6 erhoumlht werden

Modell von Vanguard 1

Die Raumfahrt erkannte sehr schnell den Nutzen derSolartechnik und ruumlstete 1958 zum ersten Mal einenSatelliten mit Solarzellen aus Vanguard 1 startete am17 Maumlrz 1958 und war erst der vierte Satellit uumlber-haupt Er besaszlig ein Solarpanel welches mit 108 Silicium-Solarzellen ausgestattet war Diese dienten nur als Lade-

station der Akkus und nicht zur direkten Stromversor-gung Dabei wurde errechnet dass die Zellen einen Wir-kungsgrad von 105 besaszligen Die Konstrukteure hatteneine geringere Energieausbeute und eine kuumlrzere Lebens-dauer angenommen so dass man diesen Satelliten nichtmit einem bdquoAusschalterldquo versehen hatte Erst nach achtJahren stellte der Satellit aufgrund von Strahlenschaumldenseinen Betrieb ein

Kurz darauf entstand die CdS-Cu2S-Solarzelle die bisAnfang der 1990er noch in Satelliten eingesetzt wurdenHeutige Satelliten sind zum Vergleich mit Vanguard I mitrund 40000 Solarzellen ausgestattet

Im Weltraum steht der natuumlrlichen Sonnenstrahlung imVergleich zur Erdoberflaumlche nichts entgegen keine Wol-kendecken und keine Strahlung absorbierende und mehr

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14 5 FORMEN UND GROumlszligEN

oder weniger verschmutzte Atmosphaumlre die das Sonnen-licht behindert Andererseits fuumlhren die extremen Strah-lungsverhaumlltnisse im Weltraum zu einer staumlrkeren Degra-dation der Solarzellen als es auf der Erde der Fall ist Seit-her versuchen Industrie und Forschung immer groumlszligereWirkungsgrade zu erreichen und zugleich die Degradati-

on und Strahlungsresistenz zu verbessern

Grafik Juno vor dem Jupiter

Uumlblicherweise werden Raumsonden im inneren Sonnen-system durch Solarzellen mit Strom versorgt Dadurchdass heutige fuumlr Raumfahrtzwecke verwendete Solarzel-len nicht nur 50 effizienter sondern auch strahlungs-resistenter als die noch vor 20 Jahren verwendeten Sili-

ciumzellen sind[49] kann im Jahr 2011 die RaumsondeJuno als erste mit Solarzellen ausgeruumlstete Raumsondezum in Strahlung getauchten Planeten Jupiter starten

Durch die Verwendung reineren Siliciums und bessererDotierungsmoumlglichkeiten wurde der Wirkungsgrad ge-steigert und die Lebensdauer erhoumlht Mandelkorn undLamneck verbesserten die Lebensdauer der Zellen 1972durch eine Reflexion der Minoritaumltsladungstraumlger in demsie ein sogenanntes back surfaces field (BSF) in die p-leitende Schicht einbrachten 1973 stellten Lindmayerund Ellison die sog violette Zelle vor die bereits ei-nen Wirkungsgrad von 14 besaszlig Durch das Reduzie-

ren des Reflexionsvermoumlgens wurde 1975 der Wirkungs-grad auf 16 gesteigert Diese Zellen heiszligen CNR-Solarzellen (englisch Comsat Non Reflection Comsat =Telefonsatellit ) und wurden fuumlr Satelliten entwickelt In-zwischen sind von Green sowie an der Stanford Univer-sitaumlt und bei Telefunken Solarzellen mit Wirkungsgradenum 20 entwickelt worden Der theoretische Wirkungs-grad fuumlr Silicium-Solarzellen liegt bei 29 fuumlr die Strah-lungsverhaumlltnisse in mittleren Breiten Zu den Wirkungs-graden siehe auch technische Merkmale

Maszliggeblicher Anstoszlig fuumlr diese Entwicklung war Anfangder Siebziger die Vervierfachung des Oumllpreises Nach

dieser Preissteigerung rief Richard Nixon 1974 ein For-schungsprogramm ins Leben welches sich mit regenera-tiven Energien auseinandersetzte Bis dahin kostete jedes

Watt 200 Dollar und war somit nicht konkurrenzfaumlhigUm die Akzeptanz und das Vertrauen bei der Bevoumllke-rung zu gewinnen wurden Anfang der 1980er Rennenmit Solarmobilen ausgetragen und im Juli 1981 uumlber-querte ein mit Solarkraft angetriebenes Flugzeug den Aumlr-melkanal

Duumlnnschichtmodule aus amorphenSilicium ermoumlglichtendie autonome Versorgung von Taschenrechnern Uhrenund anderen Kleinverbrauchern

Module mit kristallinen Zellen wurden zunaumlchst fuumlr Insel-Systeme mit 12 V Systemspannung auf der Basis einerBleibatterie genutzt Ab 1990 begann in Deutschland mitdem 1000-Daumlcher-Programm der groszligflaumlchige Einsatz innetzgekopplten Systemen

Bis gegen Ende der 1990er Jahre waren Zellen mit et-wa 100 mm Kantenlaumlnge (im Fachjargon auch Vier-Zoll-Zellen genannt) und 36 Zellen pro Modul fuumlr 12-V-

Systeme die uumlblichste Baugroumlszlige Danach wurden 125-mm-Zellen (5rdquo) verstaumlrkt fuumlr Module mit 72 Zellen fuumlr 24V Systemspannung genutzt und seit etwa 2002 sind 156-mm-Zellen (Kantenlaumlnge 156 mm bzw 6 Zoll) fuumlr Stan-dardmodule mit typisch 60 Zellen die gaumlngige Groumlszlige[50]

Versuche zur Einfuumlhrung von 8-Zellen wurden abge-brochen da die mechanische Stabilitaumlt eine Erhoumlhungder Waferdicke und damit des Materialeinsatzes erfor-dert haumltte

Ab 2007 konnten Duumlnnschichtmodule mit Zellen aus Cd-Te der Firma FirstSolar einen Preisrutsch fuumlr Solarmo-dule ausloumlsen Werke fuumlr Module mit CIS- und CIGS-

Zellen wurden aufgebaut Aber seit 2012 haben Moduleaus kristallinem Silicium gefertigt in China mit ihremKostenvorteil zusammen mit der inzwischen gesichertenVersorgung mit ausreichend Rohsilicium den Markt er-obert

5 Formen und Groumlszligen

Zu Beginn der Kommerzialisierung der Solartechnikwurden haumlufig runde Zellen eingesetzt deren Ursprung

von den meist runden Siliciumstaumlben der Computerin-dustrie herruumlhrt Inzwischen ist diese Zellenform relativselten und es werden quadratische Zellen oder fast qua-dratische mit mehr oder weniger abgeschraumlgten Eckeneingesetzt Als Standardformate werden derzeit Wafermit einer Kantenlaumlnge von 125 und 156 mm prozessiertkuumlnftig sollen aber auch Zellen mit einer Kantenlaumlnge von210 mm Bedeutung erlangen

Durch Saumlgen der fertig prozessierten Zellen entstehen fuumlrspezielle Anwendungen im Kleingeraumltebereich auch Zel-len mit kleineren Kantenlaumlngen Sie liefern annaumlhernd diegleiche Spannung wie die groszligen Zellen jedoch entspre-

chend der kleineren Flaumlche einen kleineren StromIm EFG-Verfahren werden auch Zellen hergestellt beidenen die Seiten des entstehenden Rechtecks nicht die

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61 Thermodynamisches Limit I 15

gleichen Laumlngen haben

6 Wirkungsgrad

Vergleich der praktisch erzielbaren Wirkungsgrade verschie-

dener Solarzellen und deren zeitliche Entwicklung Die vio-letten Kurven im oberen Bereich stellen sogenannte Tandem-Solarzellen eine Kombination verschiedener pn-Uumlbergaumlnge dar

Der Wirkungsgrad η einer Solarzelle ist das Verhaumlltnisder von ihr erzeugten elektrischen Leistung P elektrisch undder Leistung der einfallenden Strahlung P Licht

η = P elektrisch

P Licht

Der maximale Wirkungsgrad η einer Solarzelle ist vom

Bandabstand und der Anzahl der auf verschiedene Spek-tralbereiche optimierten pn-Uumlbergaumlnge abhaumlngig Bei ei-nem pn-Uumlbergang ist bei optimalem Bandabstand unddarauf in der Wellenlaumlnge abgestimmtem Licht theo-retisch ein Wirkungsgrad von bis zu 41 erzielbarIn praktischen Anwendungen liegen tatsaumlchlich erziel-bare Wirkungsgrade um und unter 25 Bei Tandem-Solarzellen welche durch mehrere unterschiedliche pn-Uumlbergaumlnge groumlszligere Spektralbereiche abdecken koumlnnenkoumlnnen die Gesamtwirkungsgrade aller pn-Uumlbergaumlnge inSumme auch uumlber der theoretischen Grenze von 41 liegen

Der Rekord fuumlr im Labor hergestellte Silicium-Solarzellen liegt bei 247 Prozent (University of NewSouth Wales Australien) mit denen Module mit uumlber22 Prozent Wirkungsgrad hergestellt wurden DieDegradation des Wirkungsgrades (Alterungsverhalten)liegt bei ca 10 Prozent in 25 Jahren Hersteller gebenbeispielsweise Garantien auf mindestens 80 Prozent derPeak-Leistung nach 20 Jahren

Im Weltraum ist einerseits die Solarkonstante groumlszliger alsdie Globalstrahlung auf der Erde andererseits altern dieSolarzellen schneller Solarpanele fuumlr Satelliten erreichenzur Zeit (2005) einen Wirkungsgrad von fast 25 [51] bei

einer Betriebszeit von 15 JahrenEin hoher Wirkungsgrad ist erstrebenswert weil er beigleichen Lichtverhaumlltnissen und gleicher Flaumlche zu einer

groumlszligeren Ausbeute an elektrischem Strom fuumlhrt Fuumlr jedeMaschine die auf der Erde aus Sonnenlicht oder auf an-dere Weise mechanische oder elektrische Arbeit erzeugt(z B Aufwindkraftwerke Stirlingmotoren etc) gilt einthermodynamisches Limit

61 Thermodynamisches Limit I

Die groumlbste Abschaumltzung des Wirkungsgrades erhaumllt mandurch den Carnot-Wirkungsgrad Er beschreibt den ma-ximalen Wirkungsgrad den eine beliebige physikalischeMaschine erreichen kann wenn sie ihre Energie aus derTemperaturdifferenz von zwei Waumlrmebaumldern beziehtDer Carnot-Wirkungsgrad ergibt sich aus der Tempera-tur T warm des waumlrmeren Bades und der Temperatur T kalt

des kaumllteren Bades gemaumlszlig

η = 1 minusT kalt

T warm

Im Falle der Solarzelle ist das waumlrmere Energiebaddie Sonnenoberflaumlche mit einer Temperatur von etwa5800 K und das kaumlltere Bad die Solarzelle mit einerTemperatur von 300 K Daraus ergibt sich ein Carnot-Wirkungsgrad von 95 Im Weltraum genutzte Solarzel-len haben infolge der houmlheren Temperaturdifferenz ent-sprechend houmlhere Wirkungsgrade

62 Thermodynamisches Limit II

Die Abschaumltzung im obigen Abschnitt vernachlaumlssigtdass die Energie von der Sonne zur Solarzelle durchStrahlung uumlbertragen wird In einem ausfuumlhrlicheren Mo-dell setzt man vor die Solarzelle einen Absorber Dieserabsorbiert die Strahlung der Sonne und strahlt selber ei-nen kleinen Teil der Waumlrmestrahlung wieder an die Sonneab Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz flieszligt somit ins-gesamt die Waumlrmeleistung

σT 4Sonne minus σT 4Absorber

von der Sonne zum Absorber wobei σ die Stefan-Boltzmann-Konstante ist Nach dem Carnot-Wirkungsgrad kann der Absorber von dieser Waumlrme nurden Anteil

1 minusT Solarzelle

T Absorber

in elektrische Arbeit uumlberfuumlhren Der Wirkungsgrad be-stimmt sich nun aus diesem Anteil und der gesamten vonder Sonne abgestrahlten Leistung σT 4Sonne zu

η =

9830801 minus

T 4Absorber

T 4Sonne

983081 middot

9830801 minus

T Solarzelle

T Absorber

983081

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16 7 TECHNISCHE MERKMALE

Bei einer Temperatur von 5800 K fuumlr die Sonnenober-flaumlche und 300 K Umgebungstemperatur wird der Wir-kungsgrad bei einer Absorbertemperatur von etwa 2500K maximal und betraumlgt 85 [57]

63 Shockley-Queisser-Grenze

0 1 2 30

10

20

30

m a

x

W i r k u n g s g r a d i n

Bandabstand in eV

Maximaler Wirkungsgrad als Funktion des Bandabstandes wiees die Shockley-Queisser-Grenze beschreibt

rarr Hauptartikel Shockley-Queisser-Grenze

Die Shockley-Queisser-Grenze betrachtet den fuumlr Solar-zellen typischen Anregungsprozess von Elektronen in ei-nem Halbleiter In einer Solarzelle wird dadurch Licht in

elektrische Energie umgewandelt dass das Licht Elek-tronen aus dem Valenzband in das Leitungsband anregtNur ein schmaler Ausschnitt des angebotenen Energie-spektrums wird genutzt Der theoretische Grenzwert en-ergieselektiver Zellen ist deshalb kleiner als das thermo-dynamische Limit eines Gesamtsystems

Entscheidend fuumlr die Energie die man pro angeregtemElektron gewinnen kann ist dabei die Groumlszlige der Bandluuml-cke E g des Halbleiters Unabhaumlngig davon wie weit dasElektron uumlber die untere Kante des Leitungsbandes an-geregt wird erhaumllt man pro Elektron maximal die Ener-gie der Bandluumlcke als elektrische Energie Bei der elektri-

schen Leistung die man aus allen angeregten Elektronengewinnt muss man beruumlcksichtigen dass bei einer klei-nen Bandluumlcke mehr Elektronen erzeugt werden Bei ei-ner groszligen Bandluumlcke hat jedes einzelne Elektron dafuumlrmehr Energie Es muss daher ein Kompromiss aus fol-genden Grenzfaumlllen gefunden werden

bull Groszlige Bandluumlcke Nur energiereiches Licht (blauesund ultraviolettes Licht) kann Elektronen erzeugenda laumlngere Wellenlaumlngen nicht absorbiert werdenWegen der groszligen Bandluumlcke besitzt jedes Elektroneine hohe Energie

bull Kleine Bandluumlcke Auch langwelliges Licht kannElektronen anregen so dass insgesamt viele Elektro-

nen ins Leitungsband angeregt werden Diese ver-lieren jedoch durch Stoszligprozesse mit dem Kristall-gitter in wenigen hundert Femtosekunden einen Teilihrer Energie bis sie nur noch die Energie der Band-luumlcke besitzen

Die Shockley-Queisser-Grenze gilt fuumlr den Fall einer Zel-le mit nur einem pn-Uumlbergang Mit sogenanntenTandem-Solarzellen (englisch multi-junction solar cell ) in de-nen mehrere pn-Uumlbergaumlnge mit verschiedenen Band-luumlcken kombiniert sind koumlnnen prinzipiell auch houml-here Wirkungsgrade erreicht werden siehe AbschnittMehrfachsolarzellen

7 Technische Merkmale

Die Kenngroumlszligen einer Solarzelle werden fuumlr normierteBedingungen die Standard-Testbedingungen haumlufig ab-gekuumlrzt STC (englisch Standard Test Conditions ) angege-ben

bull Einstrahlungsstaumlrke von1000 Wmsup2in Modulebene

bull Temperatur der Solarzelle 25 degC konstant

bull Strahlungsspektrum AM 15 global DIN EN 61215IEC 1215 DIN EN 60904 IEC 904

Dabei steht AM 15 global fuumlr den Begriff Air Mass die

15 dafuumlr dass die Sonnenstrahlen das 15-fache der At-mosphaumlrenhoumlhe durchlaufen weil sie schraumlg auftreffenDas entspricht sehr gut den sommerlichen Gegebenhei-ten in Mitteleuropa von Norditalien bis MittelschwedenIm Winter steht die Sonne in unseren Breiten erheblichtiefer und ein Wert von AM 4 bis AM 6 ist hier realisti-scher

Durch die Absorption in der Atmosphaumlre verschiebt sichauch das Spektrum des auf das Modul treffenden Lich-tes bdquoGloballdquo steht fuumlr Globalstrahlung die sich aus demDiffus- und dem Direktstrahlungsanteil der Sonne zusam-mensetzt

Dabei ist zu beachten dass in der Realitaumlt insbesonderedie Zellentemperatur bei einer solchen Einstrahlung diein Deutschland im Sommer zur Mittagszeit erreicht wirdbei normalem Betrieb wesentlich houmlher liegt (je nach An-bringung Windanstroumlmung etc kann sie zwischen etwa30 und 60 degC liegen) Eine erhoumlhte Zellentemperatur be-deutet aber gleichzeitig einen herabgesetzten Wirkungs-grad der Solarzelle Aus diesem Grund wurde auch eineweitere Bezugsgroumlszlige geschaffen PNOCT die Leistungbei normaler Betriebstemperatur (normal operating celltemperature)

Gebraumluchliche Abkuumlrzungen fuumlr die Bezeichnungen sind

bull SC Short Circuit ndash Kurzschluss

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71 Schaltbilder 17

Stromstaumlrke I Leistung P

e r z e u g

t e L e i s

t u n g

Spannung U

o h

n e

B e l e

u c h t u

n g

m i t

B e l e

u c h t u

n g

Kurzschluszligstrom

Leerlaufspannung

Punkt maximaler

Leistung

oc

I

I

mp UU

mp

sc

Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzelle beleuchtet und un-beleuchtet

bull OC Open Circuit ndash Leerlauf

bull MPP Maximum Power Point ndash Betriebspunkt ma-ximaler Leistung

bull PR Performance Ratio Qualitaumltsfaktor der an-gibt welcher Teil des vom Solargenerator erzeug-ten Stromertrages (unter Nennbedingungen) real zurVerfuumlgung steht

Die Kennwerte einer Solarzelle sind

bull Leerlaufspannung U OC (auch V OC )

bull Kurzschlussstrom I SC

bull Spannung im bestmoumlglichen Betriebspunkt U MPP

(auch V MPP )

bull Strom im Betriebspunkt mit maximaler LeistungI MPP

bull Maximale erzielbare Leistung P MPP Solarzellenher-steller geben diese unter standardisierten Bedin-gungen maximal erzielbare Leistung in der Einheit

kWp sprich bdquoKilowatt-Peakldquo an

bull Fuumlllfaktor F F = PMPPU OCmiddotI SC

bull Koeffizient fuumlr die Leistungsaumlnderung mit der Zell-temperatur

bull Zellwirkungsgrad η = P MPPAmiddotE e

mit der bestrahlten Flauml-che A und der Bestrahlungsstaumlrke E e

Solarzellen koumlnnen also eine Leistung von sehr grob 160Wmsup2 abgeben Eingebaut in ein Modul ist die Leistung

pro Flaumlche geringer da zwischen den Zellen und zumModulrand Abstaumlnde vorhanden sind Im Weltraum wirdeine Leistung von 220 Watt pro Quadratmeter erzielt[58]

Schaltsymbol einer Fotodiode

Schaltzeichen und einfaches Ersatzschaltbild einer Solarzelle

71 Schaltbilder

Das Schaltsymbol einer Solarzelle gibt wie das Schalt-symbol einer Diode oder Photodiode mit einem Pfeil

die technische Stromrichtung zur Verschaltung an DerKennlinienverlauf einer realen Solarzelle weicht aller-dings von der einer idealen Fotodiode ab Um die-se Abweichungen zu modellieren existieren mehrereErsatzschaltbilder

711 Vereinfachtes Ersatzschaltbild

Das Schaltbild besteht zunaumlchst nur aus einerStromquelle die parallel zu einer idealen Diode ge-schaltet wird Diese produziert einen Strom der vonder Bestrahlungsstaumlrke abhaumlngt und den Photostrom I ph

modelliert Die Gesamtstromstaumlrke ergibt sich damit mitdem Diodenstrom I D (siehe Diode) zu

I = I ph minus I D = I ph minus I S

983131e

U DnmiddotU T minus 1

983133

712 Erweitertes Ersatzschaltbild (Ein- undZweidiodenmodell)

Das erweiterte Ersatzschaltbild nimmt Ruumlcksicht auf rea-le Faktoren des Bauelementes die durch die Fertigung

entstehen Mit diesen Modellen soll ein moumlglichst rea-listisches Modell der tatsaumlchlichen Solarzelle geschaffenwerden Beim Eindiodenmodell wird so das vereinfach-

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18 9 UMWELTSCHUTZ

Eindiodenmodell einer Solarzelle

te Ersatzschaltbild zunaumlchst nur durch einen parallel undeinen in Reihe geschalteten Widerstand ergaumlnzt

bull Der Parallelwiderstand Rp symbolisiertKristallfehler nichtideale Dotierungsverteilungenund andere Materialdefekte durch dieVerluststroumlme entstehen die den p-n-Uumlberganguumlberbruumlcken Bei Solarzellen aus guter Herstellungist dieser Widerstand relativ groszlig

bull Mit dem Serienwiderstand Rs werden alle Effektezusammengefasst durch die ein houmlherer Gesamtwi-derstand des Bauelementes entsteht Das sind haupt-saumlchlich der Widerstand des Halbleitermaterials derWiderstand an den Kontakten und der ZuleitungenDiese Groumlszlige sollte bei gefertigten Solarzellen moumlg-lichst gering sein

Die Formel fuumlr den Gesamtstrom ist fuumlr dieses Modellbereits eine rekursive Funktion und lautet

I = I phminusI dminusU p

Rp= I phminusI S

983131eU +RsmiddotInmiddotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

Beim Uumlbergang zum Zweidiodenmodell fuumlgt man ei-

Zweidiodenmodell mit spannungsgesteuerter Stromquelle fuumlr denLawinendurchbruch in Sperr-Richtung

ne weitere Diode mit einem anderen Idealitaumltsfaktor nein Normalerweise werden diese uumlber die Werte 1 und2 angesetzt Weiterhin lassen sich alle diese Modellebei Betrieb in Sperr-Richtung durch eine spannungsge-steuerte Stromquelle ergaumlnzen um den Lawinendurch-bruch zu modellieren Die Formeln fuumlr die Stroumlme beim

Zweidiodenmodell lauten dann bei Anpassungsleitwert g Durchbruchspannung U und Lawinendurchbruchex-ponent n

I = I phminusI bminusI S1

983131eU +RsmiddotIn1middotU T minus 1

983133minusI S2

983131eU +RsmiddotIn2middotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

I b = gb middot

(U + Rs middot I )

Rpmiddot983080

1 minus

U + Rs middot I

U b983081minusnb

8 Energetische Amortisation undErntefaktoren

Siehe auch Erntefaktor

Die energetische Amortisationszeit ist der Zeitpunkt zudem die fuumlr die Herstellung einer Photovoltaikanlage auf-gewandte Primaumlrenergie durch selbige wieder erzeugt

wurde Da die bei der Produktion genutzte elektrischeEnergie zu den Sekundaumlrenergien zaumlhlt wird diese mitdem Wirkungsgrad eines fossilen Kraftwerkes in Pri-maumlrenergie umgerechnet Dementsprechend erfolgt dieseUmrechnung auch bei der erzeugten elektrischen Energieder Solarzelle Analog kann man sich vorstellen dass diePhotovoltaikanlage den Strom aus einem konventionellenKraftwerk ersetzt[59]

Die energetische Amortisationszeit von Photovoltaikan-lagen betraumlgt derzeit (Stand 2013) nach einer Studie vonPeng et al global betrachtet zwischen 075 und 35 Jah-ren je nach Standort und verwendeter Photovoltaiktech-

nologie Der Mittelwert schwankt im Bereich von ca15 bis 25 Jahren Dies bedeutet in diesem Zeitraumhat die Photovoltaikanlage wieder die Energie hereinge-spielt die insgesamt waumlhrend ihres gesamten Lebenszy-klus verbraucht wurde Beruumlcksichtigt sind also die Her-stellung der Anlagen ihr Transport die Errichtung Be-trieb und der Ruumlckbau bzw Recycling Die rechnerischenCO2-Emissionen von Photovoltaikanlagen je nach Tech-nik und Standort zwischen 105 und 50 g CO2kWh mitDurchschnitten im Bereich 35 bis 45 g CO2kWh AlsLebensdauer wurde in der Studie 30 Jahre fuumlr Moduleauf Basis kristalliner Siliciumzellen und 20-25 Jahren fuumlr

Duumlnnschichtmodule angenommen fuumlr Lebensdauer derWechselrichter wurden 15 Jahre angenommen[60] Photo-voltaikanlagen liefern demnach waumlhrend ihrer Betriebs-zeit ein Vielfaches der Energie die zu ihrer Herstellungurspruumlnglich aufgewandt wurde

9 Umweltschutz

Die Herstellung photovoltaischer Solarzellen ist ein che-mischer Prozess bei dem gasfoumlrmige fluumlssige und fes-te Chemikalien zum Einsatz kommen die gesundheits-

und umweltschaumldlich sind Aus diesem Grund ist ein ho-her Standard der Prozesssicherheit zentral Unter Ar-beitsschutzaspekten ist eine sichere Ablufterfassung und

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19

Reinigung zu gewaumlhrleisten Bei dem Einsatz von Nass-waumlschern wird die Abluft durch ein fluumlssiges Absorpti-onsmedium geleitet Wenn dieses aufgebraucht ist ent-steht eine weitere Abwasserquelle neben den Aumltzloumlsun-gen aus der Produktion Diese muumlssen innerbetrieblichwiederaufbereitet oder spezialisierten Entsorgern uumlber-

geben werden Bei der Herstellung von Duumlnnschicht-halbleitern kommt es an den Waumlnden und Aufbautender Prozesskammer zu siliciumhaltigen AblagerungenDie Ruumlckstaumlnde muumlssen regelmaumlszligig entfernt werden dasie den Prozess stoumlren und zu Qualitaumltseinbuszligen fuumlh-ren Zum Entfernen der Ruumlckstaumlnde verwendet manSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid als Reini-gungsgase Beide Gase sind zwar ungiftig gleichwohlaber sehr starke Treibhausgase[61] In der Zellproduk-tion muumlssen die Reinigungsgase mit hoher Volumen-flussrate eingesetzt werden da sie chemisch sehr sta-bil sind und im Plasma zu weniger als 10 in rei-

nigungsaktive Radikale zerfallen Ein Groszligteil des Ga-ses bleibt somit ungenutzt und muss kostenintensiv ent-sorgt werden Zum Teil entweicht es ndash gewollt oder un-gewollt ndash direkt in die Umwelt Hieraus erklaumlrt sichu a auch der kuumlrzlich gemessene starke Anstieg derStickstofftrifluoridkonzentration in der Hochatmosphauml-re besonders uumlber Ost- und Suumldostasien An Stelle vonSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid kann auchdas sehr reaktive Halogen Fluor als Reinigungsgas ver-wendet werden Fluor ist sehr giftig es ist jedoch keinTreibhausgas Auszligerdem laumlsst es sich sehr leicht undruumlckstandsfrei aus Abgasstroumlmen entfernen

Einige Solarzelltypen verwenden anstelle von SiliciumStoffe wie z B toxisches oder karzinogenes CadmiumArsen bzw deren Verbindungen sowie Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid Ein typisches Cadmiumtellurid-Solarmodul enthaumllt zum Beispiel ca 22 g des gefaumlhrli-chen Schwermetalls Cadmium und 25 g Tellur pro msup2Zellflaumlche[62] Bei der Produktion werden beide Sub-stanzen durch Co-Verdampfung auf das Traumlgermaterialaufgebracht Die Co-Verdampfung ist ein ungerichteterProzess bei dem die gesamte Innenoberflaumlche derBeschichtungskammer mit Duumlnnschichten aus TellurCadmiumtellurid Cadmiumsulfid und Antimontelluriduumlberzogen werden Der Materialverbrauch erhoumlht sich

dadurch um mindestens weitere 40

Bei der regelmaumlszligigen Reinigung der Produktionskam-mer mit waumlssriger Saumlure ndash die Reinigung erfolgt ma-nuell ndash werden die Ruumlckstaumlnde in eine waumlssrige Louml-sung uumlberfuumlhrt Neben der eigentlichen Zellprodukti-on stellt also auch die Reinigung der Produktions-anlagen eine Herausforderung an Umweltschutz undArbeitsschutz dar[63][64][65][66][67] Eine neuere Unter-suchung versucht die geringere Gefaumlhrdung die vonCadmiumtellurid-Zellen im Vergleich zur Kohleverbren-nung ausgeht nachzuweisen[36] Produktionsruumlckstaumln-de und Emissionen koumlnnen zu Langzeitschaumlden und

Altlasten fuumlhren Gleiches gilt bei unsachgemaumlszliger Ent-sorgung fuumlr die Altzellen Die Photovoltaik unterschei-

det sich in diesem Aspekt von anderen Technologien zurNutzung regenerativer Energien

10 Sicherheitsbetrachtung

Fuumlr Schutzmaszlignahmen im Brandfall und Blitzeinschlagsiehe Photovoltaikanlage

11 Siehe auch

bull Halbleiterdetektor

bull Sonnensimulator (Photovoltaik)

12 Literatur

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bull Heinrich Haumlberlin Photovoltaik Strom aus Son-nenlicht fuumlr Verbundnetz und Inselanlagen 2 we-sentlich erweiterte und aktualisierte Auflage VDE Electrosuisse Berlin Fehraltorf 2010 ISBN 978-3-8007-3205-0 (VDE) ISBN 978-3-905214-62-8(Electrosuisse)

bull Tom Markvart Luis Castantildeer Solar cells ndash mate-rials manufacture and operation Elsevier Oxford2006 ISBN 1-85617-457-3 (englisch)

bull Volker Quaschning Regenerative Energiesysteme 8Auflage Hanser Muumlnchen 2013 ISBN 978-3-446-

43526-1

bull Viktor Wesselak Sebastian Voswinckel Photovol-taik Wie Sonne zu Strom wird Daten FaktenHintergruumlnde Springer Vieweg Berlin 2012 ISBN978-3-642-24296-0 (= Technik im Fokus )

bull Viktor Wesselak Thomas Schabbach ThomasLink Joachim Fischer Regenerative Energietech-nik 2 erweiterte und vollstaumlndig neu bearbeite-te Auflage Springer Vieweg Berlin Heidelberg2013 ISBN 978-3-642-24165-9

bull Peter Wuumlrfel Physik der Solarzellen SpektrumAkademischer Verlag Heidelberg 2000 ISBN 3-8274-0598-X (= Spektrum Hochschultaschenbuch)

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20 14 EINZELNACHWEISE

13 Weblinks

Commons Solarzelle ndash Album mit Bildern Videosund Audiodateien

Wikibooks Herstellung von Solarzellen ndash Lern-

und Lehrmaterialien

bull Die Solarmaus ndash Entstehung der Solarzelle mit Ar-min Maiwald (YouTube-Video)

bull PV-Education ndash detaillierte Online-Vorlesung mitGrundlagen und Anwendungen zur PV (englisch)

bull Photovoltaik ndash Innovationen (BINE Informations-dienst)

14 Einzelnachweise

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15 Text- und Bildquellen Autoren und Lizenzen

151 Text

bull Solarzelle Quelle httpdewikipediaorgwikiSolarzelleoldid=138856800 Autoren Fgb RobertLechner Schewek Igelball Aka StefanKuumlhn Lukian Onno Ilja Lorek Head El GNosis Atman Sun Tsor Matthaumlus Wander Seewolf HenrikHolke Honina Pstaudt-fischbachSchusch GDK Migas Paddy Zwobot Kai11 D HaeB ArtMechanic Hadhuey Robbot Pm Anton HaSee Rdb Boehm ZumboDirk33 AndreasB Pietz Soundray Sinn Peter200 Schmiddtchen Fuenfundachtzig Breeze Magadan Fetz Braun Jdiemer StYxXxSebastianWilken Martin-vogel Mnh Ot Aloiswuest MAK Scorpion2211 Gerhardvalentin Jaques AshSert Philipendula STephanKambor Koerpertraining Nicolas PeeCee Duesentrieb AHZ Hendric Stattmann Kristjan Ri st Hafex Norro Cepheiden Christoph-Demmer Fubar Ckeen DasBee Silberchen iexcl0-8-15 1-1111 VanGore Mjk Groer Umaluagr Mkuemmerer Wendelin Cyper QdrDundak Liberatus Juesch Kdkeller Greuer Drap Garak76 MartinThoma Udo T Zaungast Stephantom Pelz ML Thorbjoern Hein-te Diba Blech Zahnstein Renekaemmerer He3nry SchorSch Ion Tauwasser Bobbl Rosa Lux Gerbil Ulfbastel Hubertl MrVVooUebel H2h Liberal Freemason Quirin Leonce49 Blaubahn Flominator RedBot Anhi Dein Freund der Baum Wkw1959 So66 Cle-mensfranz OKoslowski Itti Yahp Miaow Miaow Zaphiro Eneldo Onliner Wahldresdner Darok MovGP0 Muck Uwezi Loh SyrcroZweistein12 Olei Dantor Krischan111 Nize Uwe W Georg Slickers Amtiss Roterraecher RajHid STBR Jackalope Ephraim33JFKCom Andimx Suirenn Hydro Pajz Dktz RobotQuistnix Alanmak Euku Xocolatl Hermannthomas Eynre Savin 2005 AbrevFireball TheTruth Bahnemann Segelmaus Harf Jakob5 Zemy Nyneela Schmitty TobiWanKenobi DerHexer WAH Sesc RolandBerger Schlesinger Staro1 Mo4jolo GeorgHH MutluMan Nightflyer Matzematik PeterFrankfurt Tomreplay PortalBot Ing Schrouml-der Walter LKD Juuml Manecke Quelokee Mons Maenalus JoBa2282 Stepa Giessauf A Cellulesolaire Lemberger HillerD RadlfahrerHelfmann Logograph Mion KaiMeier Sepp Roest FabiBerg Flo422 Degreen Rai42 Rfc GruumlneErde Btr FelixP Wdwd PendulinAdipictures HAH Toumlnjes Kaumlpten Balu Andreas 06 Batosai Rex Akribix D-Kuru UnknownID01 Cramunhao BesondereUmstaende

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Avene DerGraueWolf Martin1978 Wassertraeger Pleonasty HRoestTypo EmausBot Halbarath Muumldigkeit ReinerSpass Mswisi Un-sterblicher TtIiMmOOO ZeacuteroBot Ottomanisch Dsfranzi Didym Striga Cologinux 30wiki04 Karle07 Ne discere cessa Rabax63Waithamai EnergieLabor Cassirer Randolph33 Mukitil Nummer4 Googolplex Flanschko Georgepauljohnringo Woltmers KrdbotHephaion Andol MerlIwBot Mikered KLBot2 Oguenther Thesurvived99 Herzoeglich Rudschuck Tomaacutes66 Gregou Boshomi Stei-ni77 Isjc99 Derschueler Hans Haase Schwunkel Smallandsimple Ciwd2 Nurax666 Krantnejie Rmcharb Kuschi51 Cimballi Redak-tionPflanze Datenundfakten Ragna314 Fico123456789 Buchbibliothek Blafnu Ferina53Solarous Kritzolina WhistlingBird Budu123Manni Lang HeicoH und Anonyme 686

152 Bilder

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24 15 TEXT- UND BILDQUELLEN AUTOREN UND LIZENZEN

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Page 5: Solar Zelle

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schleunigt und so von den Majoritaumltsladungstraumlgern derBasis getrennt letztere werden vom elektrischen Feld desp-n-Uumlbergangs aufgrund ihrer entgegengesetzten Ladungzuruumlckgehalten Diese Solarzellen erreichen eine hohePhotostromausbeute wenn die Diffusionslaumlnge der Mi-noritaumltsladungstraumlger groszlig im Verhaumlltnis zur Dicke der

Basis istund die Ruumlckseite der Solarzelle entweder ein so-genanntes Back Surface Field (BSF) aufweist oder dielek-trisch passiviert ist wodurch die Rekombinationsverlustereduziert werden

Bei Solarzellen die aus einem Material mit kleiner Dif-fusionslaumlnge bestehen reicht die Raumladungszone mitdem elektrischen Feld moumlglichst weit in das Material hin-ein Dies wird durch gezielte Dotierung des Materials ein-gestellt (siehe Halbleitertechnologie) Um das gewuumlnsch-te Profil zu erzeugen wird gewoumlhnlich eine duumlnne Ober-flaumlchenschicht stark n-dotiert die dickere Schicht dar-unter schwach p-dotiert Das hat eine Raumladungszone

mit hoher Weite zur Folge Wenn in dieser Zone nunPhotonen einfallen und Elektron-Loch-Paare erzeugen(innerer Photoeffekt) so werden durch das elektrischeFeld die Loumlcher zum untenliegenden p-Material be-schleunigt und umgekehrt die Elektronen zum n-Kontaktauf der (sonnenzugewandten) Oberseite

Ein Teil der Minoritaumltsladungstraumlger rekombiniert ihreAnregungsenergie geht dabei in Waumlrme verloren Wei-tere Verluste entstehen aufgrund des unvermeidlichenSerienwiderstands Der Photostrom kann direkt voneinem Verbraucher benutzt in einem Akkumulatorzwischengespeichert oder mit einem netzgefuumlhrten

Solarwechselrichter in das Stromnetz eingespeist wer-den Die elektrische Spannung bei maximaler Leistung(Maximum Power Point Leistungsanpassung) liegt beiden gebraumluchlichsten Zellen (kristalline Siliciumzellen)bei etwa 05 V

Die Struktur von Solarzellen wird zudem so angepasstdass moumlglichst viel Licht eingefangen wird und es inder aktiven Schicht (Basis bzw schwach dotierter Be-reich) freie Ladungstraumlger erzeugen kann Dazu muss dieDeckelektrode transparent sein die Kontakte zu dieserSchicht muumlssen moumlglichst schmal sein auf der Obersei-te wird eine Antireflexionsschicht (zur Verringerung des

Reflexionsgrades) aufgetragen ggfs wird die Ruumlcksei-te verspiegelt Die Antireflexionsschicht sorgt fuumlr die ty-pisch blaumluliche bis schwarze Farbe von Solarzellen Un-beschichtete Solarzellen haben dagegen ein silbrig-grauesErscheinungsbild

Manchmal wird die Vorderseite strukturiert oder aufge-raut Wegen dieses Vorteils wurden urspruumlnglich Wafermit Fehlern beim Schleifprozess o a als Ausgangsmate-rial fuumlr Solarzellen verkauft Schwarzes Silicium hat ei-ne aufgeraute nadelfoumlrmige Oberflaumlche die sehr geringeReflexionen aufweist

Die Antireflexschicht wird bei modernen Solarzel-len aus Siliciumnitrid mittels PE-CVD-Verfahren her-gestellt Die Schichtdicke betraumlgt dabei ca 70 nm

(Lambda-Viertel bei einem Brechungsindex von 20)Daruumlber hinaus kommen noch Antireflexschichten ausSiliciumdioxid und Titandioxid die beispielsweise perAP-CVD-Verfahren aufgebracht werden zur Anwen-dung

Uumlber die Schichtdicke wird auch die Farbe bestimmt(Interferenzfarbe) Eine moumlglichst hohe Gleichmaumlszligig-keit der Beschichtungsstaumlrke ist dabei wichtig da be-reits Schwankungen um einige Nanometer in der Schicht-staumlrke den Reflexionsgrad erhoumlhen Blaue Reflexion er-gibt sich aus der Einstellung der Antireflexschicht aufden roten Teil des Spektrums ndash der bevorzugten Absorp-tionswellenlaumlnge des Siliciums Prinzipiell sind jedochauch beispielsweise rote gelbe oder gruumlne Solarzellen aufdiese Weise fuumlr spezielle architektonische Anwendun-gen herstellbar sie haben jedoch einen schlechteren Wir-kungsgrad

Im Falle von Siliciumnitrid und Siliciumdioxid erfuumllltdie Antireflexschicht dabei noch die Funktion einer Pas-sivierungsschicht die die Oberflaumlchenrekombinationsge-schwindigkeit herabsetzt Die an der Oberflaumlche erzeug-ten Ladungstraumlger koumlnnen dadurch ndash vereinfacht ausge-druumlckt ndash nicht so schnell rekombinieren und die erzeugteLadung kann als Strom abgeleitet werden

2 Typen von Silicium-Solarzellen

Poly- und monokristalline Solarzelle

Das traditionelle Grundmaterial fuumlr Halbleitersolarzellenist Silicium Bis in das Jahr 2005 wurde vor allem Rest-silicium aus der Chipproduktion verwendet heute wirdzunehmend Silicium speziell fuumlr die Solaranwendungenproduziert Silicium ist allgemein fuumlr die Halbleitertech-nik nahezu ideal Es ist preiswert laumlsst sich hochrein undeinkristallin herstellen und als n- und p-Halbleiter dotie-ren Einfache Oxidation ermoumlglicht die Herstellung duumln-ner Isolationsschichten Jedoch ist die Auspraumlgung seiner

Bandluumlcke als indirekter Halbleiter fuumlr optische Wechsel-wirkung wenig geeignet Siliciumbasierte kristalline So-larzellen muumlssen eine Schichtdicke von mindestens 100

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6 2 TYPEN VON SILICIUM-SOLARZELLEN

Polykristalliner Wafer

Polykristallines Silicium

Moderne kristalline Silizium Solarzelle Das PERC Design (pas-sivated emitter and rear cell) hat fingerfoumlrmige Kontakte auf der Ruumlckseite die als Linien sichtbar sind (rechtes Bild) Damit er-reicht man Zellwirkungsgrade uumlber 20 Hergestellt im Institut

fuumlr Solarenergieforschung Hameln (ISFH) Deutschland

microm und mehr aufweisen um Licht ausreichend stark zuabsorbieren Bei Duumlnnschichtzellen direkter Halbleiter wie z B Galliumarsenid oder auch Silicium mit stark ge-stoumlrter Kristallstruktur (siehe unten) genuumlgen 10 microm

Je nach Kristallaufbau unterscheidet man bei Siliciumfolgende Typen

bull Monokristalline Zellen werden aus sogenanntenWafern (einkristalline Siliciumscheiben) herge-

stellt wie sie auch fuumlr die Halbleiterherstellung ver-wendet werden Sie sind verhaumlltnismaumlszligig teuer

bull Polykristalline Zellen bestehen aus Scheiben dienicht uumlberall die gleiche Kristallorientierung auf-weisen Sie koumlnnen z B durch Gieszligverfahren (s

u) hergestellt werden und sind preiswerter und inPhotovoltaikanlagen am meisten verbreitet

bull Amorphe Solarzellen bestehen aus einer duumlnnennichtkristallinen (amorphen) Siliciumschicht undwerden daher auch als Duumlnnschichtzellen bezeich-net Sie koumlnnen etwa durch Aufdampfen hergestelltwerden und sind preiswert haben im Sonnenlicht ei-nen nur geringen Wirkungsgrad bieten jedoch Vor-teile bei wenig Licht Streulicht und bei hoher Be-triebstemperatur Zu finden sind die amorphen Zel-len beispielsweise auf Taschenrechnern oder Uhren

bull Mikrokristalline Zellen sind Duumlnnschichtzellen mitmikrokristalliner Struktur Sie weisen einen houmlherenWirkungsgrad als amorphe Zellen auf und sind nichtso dick wie die gaumlngigen polykristallinen Zellen Siewerden teilweise fuumlr Photovoltaikanlagen verwen-det sind jedoch noch nicht sehr weit verbreitet

bull Tandem-Solarzellen sind uumlbereinander geschichte-te Solarzellen meist eine Kombination von poly-kristallinen und amorphen Zellen Die einzelnenSchichten bestehen aus unterschiedlichem Materialund sind so auf einen anderen Wellenlaumlngenbereichdes Lichtes abgestimmt Die zuoberst angeord-neten Zellen absorbieren nur einen Teil desLichtspektrums der Rest kann durchtreten und vonder darunter angeordneten Schicht verwertet wer-den Durch ein breiteres Ausnuumltzen des Lichtspek-trums der Sonne haben diese Zellen einen besserenWirkungsgrad als einfache Solarzellen Sie werdenteilweise bei Photovoltaikanlagen verwendet sindjedoch noch relativ teuer

21 Herstellung aus Siliciumbloumlcken oder -staumlben

Solarzellen koumlnnen nach verschiedenen Verfahren herge-stellt werden

Das Grundmaterial Silicium ist das zweithaumlufigstechemische Element das in der Erdkruste vorkommtEs liegt in Form von Silikaten oder als Quarz vorAus Quarzsand kann in einem Schmelz-ReduktionsofenRohsilicium sogenanntes metallurgisches Silicium mitVerunreinigungen von circa 1 bis 2 hergestellt wer-den 2005 wurden auf diese Weise 47 Mio TonnenSilicium hergestellt Ein Groszligteil davon geht in dieStahlindustrie und in die Chemische Industrie Nur ein

kleiner Anteil des metallurgischen Siliciums wird fuumlr dieMikroelektronik und die Photovoltaik verwendet Ausdem Rohsilicium wird dann uumlber einen mehrstufigen auf

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21 Herstellung aus Siliciumbloumlcken oder -staumlben 7

Silicium-Einkristall zur Waferherstellung hergestellt nach demCzochralski-Verfahren

Trichlorsilan basierenden Prozess polykristallines Reinst-silicium hergestellt Das bis heute (2006) hier angewen-dete Siemens-Verfahren[22] ein CVD-Verfahren wurdeallerdings fuumlr die Mikroelektronik entwickelt und opti-

miert Dort werden zum Teil voumlllig andere Anforderun-gen an die Qualitaumlt des Siliciums gestellt als in der Pho-tovoltaik Fuumlr Solarzellen ist beispielsweise die Reinheit

des Wafers in seiner gesamten Staumlrke wichtig um einemoumlglichst lange Ladungstraumlger-Lebensdauer zu gewaumlhr-leisten In der Mikroelektronik muumlssten dagegen prinzi-piell nur die oberen etwa 20 bis 30 microm hochrein sein Damittlerweile der Verbrauch an hochreinem Silicium fuumlrdie Photovoltaik den Verbrauch in der Mikroelektronik

uumlbertroffen hat wird zur Zeit intensiv an speziellen kos-tenguumlnstigeren und fuumlr die Photovoltaik optimierten Her-stellverfahren fuumlr Solarsilicium gearbeitet

Der gesamte Herstellprozess fuumlr hochreines Silicium istzwar sehr energieaufwendig aber dennoch koumlnnen dieheute verwendeten Solarzellen die fuumlr ihre Produktion er-forderliche Energiemenge ndash je nach Bauart ndash innerhalbvon 15 bis 5 Jahren wieder kompensieren Sie haben al-so eine positive Energiebilanz

Das Reinstsilicium kann auf unterschiedliche Weise wei-terverarbeitet werden Fuumlr polykristalline Zellen kom-

men groumlszligtenteils das Gieszligverfahren das Bridgman-Verfahren und das kantenbegrenzte Bandziehverfahren(EFG-Verfahren vonengl edge-defined film-fed growth)zum Einsatz Monokristalline Zellen werden fast immernach dem Czochralski-Verfahren hergestellt Bei allenVerfahren gilt dass die Dotierung mit Bor (siehe unten)schon beim Herstellen der Bloumlcke (Ingots) beziehungs-weise Staumlbe vorgenommen wird

211 Blockgussverfahren

Dieses Verfahren dient zur Herstellung von polykristalli-

nem Silicium Das Reinstsilicium wird in einem Tiegelmit Hilfe einer Induktionsheizung aufgeschmolzen unddann in eine quadratische Wanne gegossen in der es moumlg-lichst langsam abgekuumlhlt wird Dabei sollen moumlglichstgroszlige Kristallite in den Bloumlcken entstehen Die Kanten-laumlnge der Wanne betraumlgt etwa 50 cm die Houmlhe der er-starrten Schmelze etwa 30 cm Der groszlige Block wird inmehrere kleine Bloumlcke von etwa 30 cm Laumlnge zerteilt

Ein weiteres Gieszligverfahren ist der Strangguss wobei dieMasse schon in der am Ende benoumltigten Staumlrke auf dasTraumlgermaterial aufgebracht wird Der Vorteil ist dass einSaumlgevorgang mit seinen Verlusten entfaumlllt

212 Bridgman-Verfahren

Das Bridgman-Verfahren dient zur Herstellung von po-lykristallinem Silicium[23] und ist nach Percy WilliamsBridgman benannt Es ist nicht zu verwechseln mit derBridgman-Stockbarger-Methode diezur Herstellung vonMonokristallen dient Das Reinstsilicium wird hier eben-falls in einem Tiegel mit Hilfe einer Induktionsheizungbei uumlber 1400 degC aufgeschmolzen Die langsame Abkuumlh-lung der Schmelze bei der sich groszlige Zonen einheitlicherKristalle ausbilden findet hier im gleichen Tiegel statt

Die geheizte Zone wird langsam von unten nach oben imTiegel angehoben so dass sich oben bis zum Schluss fluumls-siges Silicium befindet waumlhrend vom Tiegelboden her

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8 2 TYPEN VON SILICIUM-SOLARZELLEN

das Erstarren erfolgt Hier sind die Kantenlaumlngen etwasgroumlszliger als beim Gieszligverfahren (zumeist Standardgroumlszlige690 mm)[24] die Houmlhe des Blocks betraumlgt etwa 20 bis25 cm Der groszlige Block wird ebenfalls in mehrere kleineBloumlcke von zumeist 156 mm Kantenlaumlnge zerteilt DieserArbeitsschritt wird Brikettieren genannt[25]

213 Czochralski-Verfahren

Das Czochralski-Verfahren wird fuumlr die Herstellung vonlangen monokristallinen Staumlben genutzt Der sogenann-te Impfkristall gibt die Orientierung im Kristall vor Vorder Herstellung der Zellen wird der entstandene Zylindernoch zurechtgeschnitten

214 Zonenschmelzverfahren

Das Zonenschmelzverfahren auch Float-Zone-Verfahrengenannt dient auch der Herstellung monokristalliner Si-liciumstaumlbe Die bei diesem Verfahren erzielte Reinheitist im Normalfall houmlher als fuumlr die Solartechnik benouml-tigt und auch mit sehr hohen Kosten verbunden Deshalbwird diese Technik fuumlr die Solartechnik eher selten be-nutzt Das einzige Unternehmen das Float-Zone-Waferin nennenswerten Mengen fuumlr Solarzellen verwendet istdas US-Unternehmen SunPower

215 Waferherstellung

Die Kristallstaumlbe muumlssen nun mit einemDrahtsaumlgeverfahren in Scheiben die sogenanntenWafer gesaumlgt werden Dabei entsteht aus einem groszligenTeil des Siliciums Saumlgestaub dessen Verwertung ab2013 erforscht wurde [26] Die Dicke der entstehendenScheiben liegt bei etwa 018 bis 028 mm

Eine weitere Quelle fuumlr Wafer war urspruumlnglich der Aus-schuss an Rohlingen fuumlr die Herstellung von integriertenSchaltkreisen der Halbleiterfertigung deren zur Weiter-verarbeitung ungeeigneten Rohlinge als Solarzelle ver-wendet werden

Die monokristallinen Zellen zeichnen sich durch eine ho-mogene Oberflaumlche aus waumlhrend bei den polykristallinenZellen gut die einzelnen Zonen mit verschiedener Kris-tallorientierung unterschieden werden koumlnnen ndash sie bil-den ein eisblumenartiges Muster auf der Oberflaumlche

Im Waferstadium sind Vorder- und Ruumlckseite der Zellenoch nicht festgelegt

216 Waferprozessierung

Die gesaumlgten Wafer durchlaufen nun noch mehrere che-

mische Baumlder um Saumlgeschaumlden zu beheben und eineOberflaumlche auszubilden die geeignet ist Licht einzufan-gen Im NormalfallsinddieWafer schon mit einer Grund-

dotierung mit Bor versehen Diese bewirkt dass es uumlber-schuumlssige Defektelektronen (positive Ladungen) gibt dasheiszligt es koumlnnen Elektronen eingefangen werden Daswird auch p-Dotierung genannt Auf dem Weg zur fer-tigen Solarzelle mit p-n-Uumlbergang muss nun die Oberflauml-che noch eine n-Dotierung bekommen was durch Pro-

zessierung der Zelle in einem Ofen in einer Phosphor-Atmosphaumlre geschieht Die Phosphoratome schaffen ei-ne Zone mit Elektronenuumlberschuss auf der Zelloberflauml-che die etwa 1 microm tief ist Nach der Diffusion mit Phos-phor entsteht auf der Oberflaumlche des Wafers Phosphor-glas Um dieses zu entfernen ist ein weiterer sehr kur-zer Aumltzschritt mit Flusssaumlure noumltig Danach wird in einemweiteren Ofen mittels PECVD die Antireflexschicht auf-getragen die der Zelle erst die typische Farbe gibt

Danach erfolgt die Bedruckung der Zelle z B durchSiebdruck mit den notwendigen Loumltzonen und der Struk-tur welche fuumlr den besseren Abgriff des generierten elek-

trischen Stroms sorgt Die Vorderseite erhaumllt meist zweibreitere Streifen auf denen spaumlter die Baumlndchen zumVerbinden mehrerer Zellen befestigt werden Auszligerdemwird ein sehr duumlnnes elektrisch gut leitendes Raster auf-gebracht was einerseits den Lichteinfall so wenig wiemoumlglich behindern und andererseits den ohmschen Wi-derstand der Deckelektrode verringern soll Die Ruumlcksei-te wird meist vollflaumlchig mit einem gut leitenden Materialbeschichtet

Nach der Prozessierung werden die Zellen nach optischenund elektrischen Merkmalen klassifiziert sortiert und fuumlrdie Fertigung von Solarmodulen zusammengestellt

22 Direkte Herstellung von Platten bzwSchichten

Um den Umweg des Saumlgens von Wafern aus Kristallblouml-cken zu vermeiden gibt es umfangreiche Aktivitaumlten So-larzellen direkt zu erzeugen

221 EFG-Verfahren

Beim EFG-Verfahren (von engl edge-defined film-fed growth ungefaumlhre Uumlbersetzung bdquokantendefiniertesFilmwachstumldquo) werden aus einer elektrisch beheiztenGraphitwanne aus fluumlssigem Reinstsilicium achteckigeRoumlhren von etwa 6 bis 7 m Laumlnge nach oben gezo-gen Die Ziehgeschwindigkeit liegt im Bereich von ca 1mms Die Kantenlaumlnge der einzelnen Seiten betraumlgt 10bzw 125 cm die Wandstaumlrke ca 280 microm Nach Fer-tigstellung der Roumlhre wird diese entlang der Kanten mitNdYAG-Lasern geschnitten und in einem bestimmtenRaster dann uumlber die Breite der jeweiligen Seite Darausergibt sich die Moumlglichkeit der Herstellung von Zellenmit unterschiedlichen Kantenlaumlngen (zum Beispiel 125

cm times 15 cm oder 125 cm times 125 cm) Es wird eineAusbeute von etwa 80 des Ausgangsmaterials erzieltBei den so erzeugten Zellen handelt es sich ebenfalls um

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24 Solarzellen aus speziellen Siliciumstrukturen 9

polykristallines Material welche sich vom Aussehen herdeutlich von den gesaumlgten Zellen unterscheidet Unter an-derem ist die Oberflaumlche der Zellen welliger Ein Vor-teil im Vergleich zum Saumlgen aus Bloumlcken ist die weit-gehende Vermeidung von Verschnitt der zudem nichtmit Schneidefluumlssigkeit (engl slurry vgl Kolloide) ver-

unreinigt ist Dieses Verfahren wird auch Bandzieh- oderOctagon-Verfahren genannt

Das EFG-Verfahren wurde bis 2009 von der FirmaSchott Solar (Deutschland) angewendet Von einer wei-teren Verwendung musste abgesehen werden da SchottSolar als einziger Anwender dieses Prozesses die Wei-terentwicklung im Vergleich zu anderen Prozessen mitmehr Entwicklern im Hintergrund nicht schnell genugvorantreiben konnte[27] Entwickelt wurde das Verfahrenvon der Firma ASE Solar (USA)

222 String-Ribbon-Verfahren

Weiterhin gibt es das String-Ribbon-Verfahren der insol-venten US-amerikanischen Firma Evergreen Solar beidem die Wafer zwischen zwei Faumlden direkt aus der Sili-ciumschmelze gezogen werden[27] Dabei entsteht weni-ger Abfall (wie Spaumlne usw die normalerweise direkt ent-sorgt werden) als bei den herkoumlmmlichen Verfahren Alsdeutsches Unternehmen verwendete die Sovello AG dasString-Ribbon-Verfahren zur Produktion von Wafern

223 Schichttransfer-Verfahren

Beim Schichttransfer-Verfahren wird eine nur ca 20 micromduumlnne Schicht aus einkristallinem Silicium direkt flachauf einem Substrat gezuumlchtet Als Traumlgermaterial eignensich keramische Substrate oder auch speziell oberflaumlchen-behandeltes Silicium wodurch das Abloumlsen des entstan-denen Wafers und die Wiederverwendung desTraumlgers ge-geben ist Die Vorteile dieser Verfahren sind der deut-lich geringere Siliciumbedarf durch die geringe Dickeund der Wegfall der Saumlgeverluste Der Saumlgevorgang als

zusaumltzlicher Prozessschritt entfaumlllt Der erreichbare Wir-kungsgrad ist hoch und liegt im Bereich von monokris-tallinen Zellen

23 Solarzellen aus bdquoschmutzigemldquo Silici-um

Der Prozess des Zonenschmelzens und Dotierens laumlsstsich auch in eine bereits gefertigte flache Platte bzwSchicht verlagern Das Prinzip ist dass die Verunreini-

gungen durch Waumlrmebehandlung (mehrfach lateral fort-schreitende Umschmelzung z B mit Laserstrahlung) desSiliciums an wenigen Stellen konzentriert werden[28]

24 Solarzellen aus speziellen Silicium-strukturen

Seit den 2000er Jahren arbeiten verschiedene For-schungsgruppen an Solarzellen auf Basis von langen bdquoSi-liciumstaumlbchenldquo (manchmal auch bdquoSiliciummikrodraumlh-teldquo genannt) im Mikrometermaszligstab[29][30] Die einzel-nen Siliciumstaumlbchen sind in der Regel einige Mikrome-ter dick und ca 200 Mikrometer lang Strukturen aussenkrecht zu einer Traumlgerflaumlche angeordneten Staumlbchenzeigen gegenuumlber konventionellen Solarzellen aus Silici-um eine erhoumlhte Absorption von Sonnenlicht in einembreiten Spektralbereich vgl Schwarzes Silicium

Ein Beispiel fuumlr eine solche Solarzelle wurde 2010 voneiner Arbeitsgruppe um Harry Atwater vom CaliforniaInstitute of Technology vorgestellt Sie stellten uumlber 100Mikrometer lange Staumlbchen mithilfe der sogenanntenVLS-Technik[31] (von engl vapor -liquid -solid ) her uumlber-gossen diese anschlieszligend zur Stabilisierung mit durch-sichtigem biegsamem Kunststoff (PolydimethylsiloxanPDMS) und loumlsten danach die fertige Zelle von derPlatte[29] Diese Zellen zeigen wie zuvor erwaumlhnt eineerhoumlhte Absorption von insgesamt bis zu 85 des einfal-lenden Lichts uumlber einen groszligen Spektralbereich Die soerzeugten Solarzellen im Laborstatus haben einen hohenWirkungsgrad Ihre Herstellung verbraucht nur 1 Prozentder sonst zur Solarzellenproduktion uumlblichen Silicium-menge auszligerdem sind diese Solarzellen biegbar[32]

3 Andere Solarzellentypen

31 Duumlnnschichtzellen

Kleine amorphe Si-Duumlnnschichtsolarzelle auf Glas vier Zellenin Reihe

Duumlnnschichtzellen gibt es in verschiedenen Ausfuumlhrun-gen je nach Substrat und aufgedampften Materialien

Die Spannbreite der physikalischen Eigenschaften undder Wirkungsgrade ist entsprechend groszlig Duumlnnschicht-zellen unterscheiden sich von den traditionellen Solar-

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10 3 ANDERE SOLARZELLENTYPEN

Ruumlckseite (Schichtseite braun lackiert)

Solarzellentypen

zellen (kristallinen Solarzellen basierend auf Silicium-wafern) vor allem in ihren Produktionsverfahren unddurch die Schichtdicken der eingesetzten MaterialienDie physikalischen Eigenschaften amorphen Siliciumsdie von kristallinem Silicium verschieden sind beeinflus-sen die Solarzelleneigenschaften Manche Eigenschaftensind auch noch nicht vollstaumlndig verstanden

Auch bei kristallinen Solarzellen wird das Licht bereitsin einer duumlnnen Oberflaumlchenschicht (ca 10 microm) absor-biert Es liegt daher nahe Solarzellen sehr duumlnn zu fer-tigen Verglichen mit kristallinen Solarzellen aus Silici-umwafern sind Duumlnnschichtzellen etwa 100-mal duumlnner

Diese Duumlnnschichtzellen werden meist durch Abscheidenaus der Gasphase direkt auf einem Traumlgermaterial aufge-bracht Das kann Glas Metallblech Kunststoff oder auchein anderes Material sein Der aufwaumlndige im vorigenKapitel beschriebene Prozess des Zerschneidens von Si-liciumbloumlcken kann also umgangen werden

Das bisher gaumlngigste Material fuumlr Duumlnnschichtzellen istamorphes Silicium (a-SiH) Solche Duumlnnschichtmodu-le sind langlebige Produkte Freiluft-Tests zeigen sta-bile Wirkungsgrade uumlber mehr als zehn Jahre Moumlgli-che weitere Materialien sind mikrokristallines Silicium(microc-SiH) Gallium-Arsenid (GaAs) Cadmiumtellurid

(CdTe) oder Kupfer-Indium-(Gallium)-Schwefel-Selen-Verbindungen die so genannten CIGS-Solarzelle bzwCIS-Zellen wobei hier je nach Zelltyp S fuumlr Schwefel

oder Selen stehen kann Ein neuesMaterial das neu in derDuumlnnschichttechnologie Anwendung findet ist CZTS

Wirkungsgrade im Bereich von 20 (217 mit CIGS-Solarzellen siehe[33]) fuumlr kleine CIGS-Laborzellen (asymp 05cmsup2) sind durchaus moumlglich CIGS-Duumlnnschichtmodule

erreichen inzwischen aumlhnliche Wirkungsgrade wie Mo-dule aus polykristallinem Silicium (11ndash12 [34])Fuumlr Cadmiumtellurid-Zellen lag der Wirkungsgrad beiLaborzellen im August 2014 bei 21 [35]

Wichtiger sind oft die Kostenzu denen Stromaus den So-larzellen produziert werden kann dazu kommen wichti-ge Kriterien wie die Emission von Schadstoffen Aktuel-le Studien belegen dass Cadmiumtellurid-Duumlnnschicht-Solarzellen hier eine bessere Bilanz als konventionelle Si-liciumzellen aufweisen[36]

Eine weitere Staumlrke von Duumlnnschichtmodulen ist dasssie einfacher und groszligflaumlchiger produziert werden koumln-

nen insbesondere die Duumlnnschichtzellen aus amorphemSilicium Duumlnnschichtmodule sind nicht auf ein rigidesSubstrat wie Glas oder Aluminium angewiesen bei auf-rollbaren Solarzellen fuumlr den Wanderrucksack oder ein-genaumlht in Kleider wird ein geringerer Wirkungsgrad inKauf genommen der Gewichtsfaktor ist wichtiger als dieoptimale Lichtumwandlung

Zur Herstellung eignen sich Maschinen welche auchzur Herstellung von Flachbildschirmen eingesetzt wer-den Dabei werden Beschichtungsflaumlchen von uumlber 5 msup2erreicht Mit den Verfahren zur Herstellung von amor-phem Silicium laumlsst sich auch kristallines Silicium induumlnnen Schichten herstellen sogenanntes mikrokristal-lines Silicium Es vereint Eigenschaften von kristalli-nem Silicium als Zellenmaterial mit den Methoden derDuumlnnschichttechnik In der Kombination aus amorphemund mikrokristallinem Silicium wurden in den letztenJahren beachtliche Wirkungsgradsteigerungen erzielt

Ein Verfahren fuumlr die Fertigung kristalliner Duumlnnschicht-zellen aus Silicium ist CSG (Crystalline Silicon onGlass) dabei wird eine weniger als zwei Mikrometerduumlnne Siliciumschicht direkt auf einen Glastraumlger aufge-bracht die kristalline Struktur wird nach einer Waumlrme-behandlung erreicht Das Aufbringen der Stromfuumlhrungerfolgt mittels Laser- und Tintenstrahldrucktechnik Da-fuumlr wurde 2005 von der Firma CSG Solar eine Fabrika-tionsanlage in Deutschland gebaut Weil das Verfahrennicht wirtschaftlich zu betreiben war musste das Unter-nehmen nach kurzer Zeit seine Produktion einstellen Derchinesische Solarkonzern Suntech erwarb das Unterneh-men und seine Technologie hat aber 2011 die Aktivitauml-ten in diesem Bereich aufgegeben und das Unternehmengeschlossen[37]

Es werden derzeit Duumlnnschichtsolarzellen aus schwarzemSilicium entwickelt die einen etwa doppelten Wirkungs-grad erreichen sollen[38]

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34 Elektrochemische Farbstoff-Solarzelle 11

Schematischer Aufbau einer Konzentratorzelle

32 Konzentratorzellen

Bei Konzentratorzellen (auch Konzentrator-Photovoltaik engl Concentrated PV CPV) wird Halbleiterflaumlche ein-gespart indem das einfallende Sonnenlicht zunaumlchst

auf einen kleineren Bereich konzentriert wird Das er-reicht man durch Konzentratoren wie z B Linsen zu-meist Fresnel-Linsen oder auch Lichtleitkoumlrper die dieTotalreflexion nutzen[39][40] Diese sind im Vergleich zuHalbleitern bezogen auf die Flaumlche preiswerter Es kannsomit zu geringeren Kosten die Sonneneinstrahlung ei-ner groumlszligeren Flaumlche ausgenutzt werden Haumlufig verwen-dete Materialien fuumlr Konzentratorsolarzellen sind III-V-Halbleiter Zumeist werden Mehrfachsolarzellen (siehenaumlchster Abschnitt) verwendet die fuumlr vollflaumlchige So-larzellen unwirtschaftlich waumlren Sie arbeiten noch zu-verlaumlssig bei mehr als dem 500-fachen der Sonneninten-

sitaumlt Konzentratorsolarzellen muumlssen dem Sonnenstandnachgefuumlhrt werden damit ihre Optik die Sonnenstrah-lung auf die Zellen buumlndeln kann Zusaumltzlicher Effekt derLichtkonzentration ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wir-kungsgrades da die Leerlaufspannung ansteigt Die US-Energiebehoumlrde hat mit dieser Technik Wirkungsgradevon uumlber 40 erreicht[41][42]

33 Mehrfachsolarzellen

rarr Hauptartikel Tandem-Solarzelle

Mehrfachsolarzellen bestehen aus zwei oder mehr So-larzellen mit verschiedenem Material die monolithisch

uumlbereinander geschichtet sind Zweck dieser Anord-nung ist es den Wirkungsgrad der gesamten Anordnungzu erhoumlhen Die Wirkungsgrade bei Labormustern vonTandem-Konzentratorsolarzellen erreichten 2008 und2009 uumlber 40 So wurde am Fraunhofer Institut fuumlrSolare Energiesysteme ISE mit einer Mehrfachsolarzel-

le und 454-facher Konzentration ein Wirkungsgrad von411 erzielt[43]

34 Elektrochemische Farbstoff-Solarzelle

rarr Hauptartikel Graumltzel-Zelle

Bei Farbstoffsolarzellen auch bekannt als Graumltzel-Zellenwird der Strom anders als bei den bisher aufgefuumlhrtenZellen uumlber die Lichtabsorption eines Farbstoffes gewon-nen als Halbleiter kommt Titandioxid zum Einsatz Als

Farbstoffe werden hauptsaumlchlich Komplexe des seltenenMetalls Ruthenium verwendet zu Demonstrationszwe-cken koumlnnen aber selbst organische Farbstoffe zum Bei-spiel der Blattfarbstoff Chlorophyll oder Anthocyane (ausBrombeeren) als Lichtakzeptor verwendet werden (die-se besitzen jedoch nur eine geringe Lebensdauer) DieFunktionsweise der Zelle ist noch nicht im Detail geklaumlrtdie kommerzielle Anwendung gilt als recht sicher ist aberproduktionstechnisch noch nicht in Sicht

Konventionelle n-Typ-Farbstoffsolarzellen arbeiten miteiner Photoanode einer positiven Elektrode die mit ei-nem n-Halbleiter zB Titandioxid und einem Farbstoff

beschichtet ist Trifft Licht darauf werden die Farbstoff-molekuumlle angeregt und setzen Elektronen frei Ein Re-doxmediator der als Bestandteil des Elektrolyten zwi-schen den Elektroden frei beweglich ist regeneriert denFarbstoff Beim p-Typ (p-DSC p-dye-sensitized solarcell) laumluft der Prozess genau entgegengesetzt Ein spezi-eller Farbstoff und ein p-Halbleiter befinden sich auf ei-ner Photokathode Der durch Licht angeregte Farbstoffsaugt Elektronen aus dem Valenzband des p-HalbleiterszB Nickeloxid heraus Das uumlblicherweise eingesetz-te System aus Iodid und Tri-Iodid ersetzten Wissen-schaftler der Monash University der Commonwealth Sci-

entific and Industrial Research Organization (Australi-en) und der Universitaumlt Ulm durch den Kobalt-KomplexTris(12-diaminoethan)cobalt(IIIII) bei dem das Ko-balt zwischen den Oxidationsstufen +2 und +3 wech-seln kann Zellen auf dieser Basis erreichen dabei einehoumlhere Energieumwandlungseffizienz Ein weiterer An-satz um die Leistung von photovoltaischen Zellen zusteigern ist die Kombination einer n- und einer p-Typ-Farbstoffsolarzelle zu einer Tandem-Solarzelle[44]

35 Organische Solarzellen

rarr Hauptartikel Organische SolarzelleEine organische Solarzelle ist eine Solarzelle die aus

Werkstoffen der organischen Chemie besteht d h aus

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12 3 ANDERE SOLARZELLENTYPEN

Ein kommerziell erhaumlltliches flexibles Modul einer polymeren or- ganischen Solarzelle

Kohlenwasserstoff-Verbindungen (Kunststoffen) Diese

Verbindungen haben elektrisch halbleitende Eigenschaf-ten Der Wirkungsgrad mit dem Sonnenenergie inelektrische Energie umgewandelt wird liegt mit 120 (Stand Januar 2013)[45] noch unterhalb von dem von So-larzellen aus anorganischem Halbleitermaterial Organi-sche Solarzellen bzw Plastiksolarzellen wie sie auch ge-nannt werden sind aufgrund der Moumlglichkeiten hinsicht-lich guumlnstiger und vielseitiger Herstellungsverfahren einaktuelles Forschungsthema Die von den Herstellern die-ser Zellen auf Kunststoffbasis genannten Vorteile gegen-uumlber herkoumlmmlichen Siliciumsolarzellen sind

bull

Geringe Herstellungskosten aufgrund billiger Pro-duktionstechnologien

bull Hohe Stromausbeuten durch Duumlnnschicht-Groszligflaumlchentechnologien fuumlr Kunststoffe

bull Flexibilitaumlt Transparenz und einfache Handhabung(mechanische Eigenschaften von Kunststoffen)

bull Hohe Umweltvertraumlglichkeit (Kunststoffe auf Koh-lenstoffbasis)

bull Anpassung an das Sonnenspektrum durch gezieltePolymersynthese

bull bdquoBunteldquo Solarzellen fuumlr architektonische Stilele-mente

Im Vergleich zu den ersten organischen Solarzellen wur-den inzwischen viele Fortschritte erzielt

Das Material fuumlr diesen Solarzellentyp basiert auf or-ganischen Kohlenwasserstoffverbindungen mit spezifi-scher elektronischer Struktur dem konjugierten π-Elektronensystem welches den betreffenden Materiali-en die wesentlichen Eigenschaften amorpher Halblei-ter verleihen Typische Vertreter organischer Halbleitersind konjugierte Polymere und Molekuumlle wobei auch

speziell synthetisierte Hybridstrukturen verwendet wer-den Die ersten Kunststoffsolarzellen die aus konju-gierten Polymeren (Elektronendonatoren) und Fullerenen

(Elektronenakzeptoren) hergestellt wurden waren Zwei-Schicht-Solarzellen Diese Zellen bestehen aus einer duumln-nen Schicht des konjugierten Polymers auf die eineweitere duumlnne Schicht von Fullerenen aufgebracht wirdAus technologischer Sicht stellen konjugierte Polyme-re und funktionalisierte Molekuumlle auf Grund ihrer Pro-

zessierbarkeit aus der Fluumlssigphase attraktive Basisma-terialien fuumlr die kostenguumlnstige Massenproduktion flexi-bler PV-Elemente mit vergleichsweise einfacher Strukturdar Molekulare Halbleiter hingegen werden uumlblicherwei-se in vakuumgestuumltzten Aufdampfprozessen zu wohlde-finierten Mehrschichtsystemen verarbeitet und lassen dieHerstellung sequentiell abgeschiedener Halbleiterschich-ten und somit komplexere Zelltypen (z B Tandemzellen)zu

Die organische Photovoltaik (OPV) hat das technologi-sche Potenzial als sogenannte bdquoLow-cost Energy SourceldquoEinzug in die mobile Stromversorgung zu halten Dies

auch aufgrund der kostenguumlnstigen Massenfertigung aufBasis etablierter Druckverfahren Damit koumlnnte mit derorganischen Photovoltaik ein neuer Anwendungsbereicherschlossen werden bei gleichzeitig niedrigen Investiti-onskosten Die Firma Konarka Technologies GmbH inNuumlrnberg hatte 2009 erste organische Kollektoren fuumlrMobilgeraumlte auf den Markt gebracht[46]

36 Hybrid-Solarzelle

Eine Hybridsolarzelle ist eine Solarzelle die organischeund anorganische Bestandteile enthaumllt[47]

37 Fluoreszenz-Zelle

Fluoreszenz-Zellen sind Solarzellen die zunaumlchst in ei-ner Platte durch Fluoreszenz Licht groumlszligerer Wellenlaumlngeerzeugen um dieses an den Plattenkanten zu wandeln

38 Thermische Photovoltaik-Zellen(TPV)

Unter dem Namen Thermische Photovoltaik-Zellen(TPV) werden Zellen auf Basis von InP (fruumlher GaSb)verstanden die nicht Sonnenlicht verwerten sondernWaumlrmestrahlung also Licht wesentlich houmlherer Wel-lenlaumlnge Der Wirkungsgrad wurde dabei durch neuereArbeiten[48] bis auf 12 gesteigert (vorher maximal 9) Eine potentielle Anwendung solcher Zellen waumlre

die Verwertung von Waumlrme wie sie bei groszligtechnischenAnwendungen in groszligen Mengen entsteht und die bishermit zusaumltzlichem Aufwand entsorgt werden muss

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4 Geschichte

rarr Hauptartikel Geschichte der Photovoltaik

Die Nutzung der Sonne zur Gewinnung von elektrischerEnergie kann man grob in das Jahr 1839 datieren DerFranzose Alexandre Edmond Becquerel stellte fest dasseine Batterie wenn man sie dem Sonnenlicht aussetzteine houmlhere Leistung hat als ohne Sonnenlicht Er nutz-te den Potentialunterschied zwischen einer verdunkeltenund einer belichteten Seite einer chemischen Loumlsung indie er zwei Platinelektroden eintauchte Als er nun die-se Konstruktion in die Sonne stellte beobachtete er dassein Strom zwischen den zwei Elektroden entstand So ent-deckte er den photovoltaischen Effekt konnte ihn aller-dings noch nicht erklaumlren Spaumlter wies man nach dassauch andere Materialien wie Kupfer photoleitfaumlhig sind

Die Photoleitfaumlhigkeit wurde bei Selen 1873 nachgewie-sen Zehn Jahre spaumlter wurde die erste bdquoklassischeldquo Pho-tozelle aus Selen gefertigt Wiederum zehn Jahre spaumlter1893 wurde die erste Solarzelle zur Erzeugung von Elek-trizitaumlt gebaut

1904 entdeckte der oumlsterreichisch-ungarische PhysikerPhilipp Lenard dass Lichtstrahlen beim Auftreffen aufbestimmte Metalle Elektronen aus deren Oberflaumlche her-ausloumlsen und lieferte damit die ersten Erklaumlrungen fuumlrdenEffekt der Photovoltaik Ein Jahr spaumlter erhielt er den No-belpreis fuumlr Physik fuumlr die Erforschung des Durchgan-ges von Kathodenstrahlen durch Materie und fuumlr seineElektronentheorie Den endguumlltigen Durchbruch schaffte1905 Albert Einstein als er mit Hilfe der Quantentheo-rie die gleichzeitige Existenz des Lichtes sowohl als Welleals auch als Teilchen erklaumlren konnte Bis dahin glaubteman dass Licht nur als eine Energie mit unterschiedlicherWellenlaumlnge auftritt Doch Einstein stellte in seinen Ver-suchen die Photovoltaik zu erklaumlren fest dass sich Lichtin manchen Situationen genauso wie ein Teilchen verhaumlltund dass die Energie jedes Lichtteilchens oder Photonsnur von der Wellenlaumlnge des Lichts abhaumlngt Er beschriebdas Licht als eine Ansammlung von Geschossen die aufdas Metall treffen Wenn diese Geschosse genuumlgend En-

ergie besitzen wird ein freies Elektron das sich im Me-tall befindet und von einem Photon getroffen wird vomMetall geloumlst Auszligerdem entdeckte er dass die maxima-le kinetische Energie der losgeloumlsten Elektronen von derIntensitaumlt des Lichtes unabhaumlngig ist und nur durch dieEnergie des auftreffenden Photons bestimmt wird DieseEnergie haumlngt wiederum nur von der Wellenlaumlnge (oderder Frequenz) des Lichtes ab Fuumlr seine Arbeit zum pho-toelektrischen Effekt erhielt er 1921 den Nobelpreis fuumlrPhysik

Die Entdeckung des p-n-Uumlbergangs (Kristallgleichrich-ters) im Jahre 1947 durch William B Shockley Walther

H Brattain und John Bardeen war ein weiterer groszligerSchritt zur Solarzelle in ihrer heutigen Form Nach die-sen Entdeckungen stand dem Bau einer Solarzelle in ih-

rer heutigen Form nichts mehr entgegen Es ist jedocheinem gluumlcklichen Zufall zu verdanken dass diese ersteSolarzelle 1954 in den Laboratorien der amerikanischenFirma Bell gebaut wurde Die Mitarbeiter der Firma (un-ter Teamleiter Morton Price) beobachteten als sie einenGleichrichter der mit Hilfe von Silicium arbeitete un-

tersuchten dass dieser mehr Strom lieferte wenn er inder Sonne stand als wenn er zugedeckt war Bei Bell er-kannte man schnell den Nutzen dieser Entdeckung zurVersorgung des Telefonnetzes von laumlndlichen Regionenmit Strom was bis dahin noch mit Batterien geschah DieFirma Bell genauer Daryl Chapin Calvin Souther Fullerund Gerald Pearson entwickelte 1953 die erste mit Arsendotierte Solarzelle auf Siliciumbasis welche einen Wir-kungsgrad von etwa 4 besaszlig Durch den Wechsel desDotierungsmittels konnte der Wirkungsgrad auf etwa 6 erhoumlht werden

Modell von Vanguard 1

Die Raumfahrt erkannte sehr schnell den Nutzen derSolartechnik und ruumlstete 1958 zum ersten Mal einenSatelliten mit Solarzellen aus Vanguard 1 startete am17 Maumlrz 1958 und war erst der vierte Satellit uumlber-haupt Er besaszlig ein Solarpanel welches mit 108 Silicium-Solarzellen ausgestattet war Diese dienten nur als Lade-

station der Akkus und nicht zur direkten Stromversor-gung Dabei wurde errechnet dass die Zellen einen Wir-kungsgrad von 105 besaszligen Die Konstrukteure hatteneine geringere Energieausbeute und eine kuumlrzere Lebens-dauer angenommen so dass man diesen Satelliten nichtmit einem bdquoAusschalterldquo versehen hatte Erst nach achtJahren stellte der Satellit aufgrund von Strahlenschaumldenseinen Betrieb ein

Kurz darauf entstand die CdS-Cu2S-Solarzelle die bisAnfang der 1990er noch in Satelliten eingesetzt wurdenHeutige Satelliten sind zum Vergleich mit Vanguard I mitrund 40000 Solarzellen ausgestattet

Im Weltraum steht der natuumlrlichen Sonnenstrahlung imVergleich zur Erdoberflaumlche nichts entgegen keine Wol-kendecken und keine Strahlung absorbierende und mehr

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14 5 FORMEN UND GROumlszligEN

oder weniger verschmutzte Atmosphaumlre die das Sonnen-licht behindert Andererseits fuumlhren die extremen Strah-lungsverhaumlltnisse im Weltraum zu einer staumlrkeren Degra-dation der Solarzellen als es auf der Erde der Fall ist Seit-her versuchen Industrie und Forschung immer groumlszligereWirkungsgrade zu erreichen und zugleich die Degradati-

on und Strahlungsresistenz zu verbessern

Grafik Juno vor dem Jupiter

Uumlblicherweise werden Raumsonden im inneren Sonnen-system durch Solarzellen mit Strom versorgt Dadurchdass heutige fuumlr Raumfahrtzwecke verwendete Solarzel-len nicht nur 50 effizienter sondern auch strahlungs-resistenter als die noch vor 20 Jahren verwendeten Sili-

ciumzellen sind[49] kann im Jahr 2011 die RaumsondeJuno als erste mit Solarzellen ausgeruumlstete Raumsondezum in Strahlung getauchten Planeten Jupiter starten

Durch die Verwendung reineren Siliciums und bessererDotierungsmoumlglichkeiten wurde der Wirkungsgrad ge-steigert und die Lebensdauer erhoumlht Mandelkorn undLamneck verbesserten die Lebensdauer der Zellen 1972durch eine Reflexion der Minoritaumltsladungstraumlger in demsie ein sogenanntes back surfaces field (BSF) in die p-leitende Schicht einbrachten 1973 stellten Lindmayerund Ellison die sog violette Zelle vor die bereits ei-nen Wirkungsgrad von 14 besaszlig Durch das Reduzie-

ren des Reflexionsvermoumlgens wurde 1975 der Wirkungs-grad auf 16 gesteigert Diese Zellen heiszligen CNR-Solarzellen (englisch Comsat Non Reflection Comsat =Telefonsatellit ) und wurden fuumlr Satelliten entwickelt In-zwischen sind von Green sowie an der Stanford Univer-sitaumlt und bei Telefunken Solarzellen mit Wirkungsgradenum 20 entwickelt worden Der theoretische Wirkungs-grad fuumlr Silicium-Solarzellen liegt bei 29 fuumlr die Strah-lungsverhaumlltnisse in mittleren Breiten Zu den Wirkungs-graden siehe auch technische Merkmale

Maszliggeblicher Anstoszlig fuumlr diese Entwicklung war Anfangder Siebziger die Vervierfachung des Oumllpreises Nach

dieser Preissteigerung rief Richard Nixon 1974 ein For-schungsprogramm ins Leben welches sich mit regenera-tiven Energien auseinandersetzte Bis dahin kostete jedes

Watt 200 Dollar und war somit nicht konkurrenzfaumlhigUm die Akzeptanz und das Vertrauen bei der Bevoumllke-rung zu gewinnen wurden Anfang der 1980er Rennenmit Solarmobilen ausgetragen und im Juli 1981 uumlber-querte ein mit Solarkraft angetriebenes Flugzeug den Aumlr-melkanal

Duumlnnschichtmodule aus amorphenSilicium ermoumlglichtendie autonome Versorgung von Taschenrechnern Uhrenund anderen Kleinverbrauchern

Module mit kristallinen Zellen wurden zunaumlchst fuumlr Insel-Systeme mit 12 V Systemspannung auf der Basis einerBleibatterie genutzt Ab 1990 begann in Deutschland mitdem 1000-Daumlcher-Programm der groszligflaumlchige Einsatz innetzgekopplten Systemen

Bis gegen Ende der 1990er Jahre waren Zellen mit et-wa 100 mm Kantenlaumlnge (im Fachjargon auch Vier-Zoll-Zellen genannt) und 36 Zellen pro Modul fuumlr 12-V-

Systeme die uumlblichste Baugroumlszlige Danach wurden 125-mm-Zellen (5rdquo) verstaumlrkt fuumlr Module mit 72 Zellen fuumlr 24V Systemspannung genutzt und seit etwa 2002 sind 156-mm-Zellen (Kantenlaumlnge 156 mm bzw 6 Zoll) fuumlr Stan-dardmodule mit typisch 60 Zellen die gaumlngige Groumlszlige[50]

Versuche zur Einfuumlhrung von 8-Zellen wurden abge-brochen da die mechanische Stabilitaumlt eine Erhoumlhungder Waferdicke und damit des Materialeinsatzes erfor-dert haumltte

Ab 2007 konnten Duumlnnschichtmodule mit Zellen aus Cd-Te der Firma FirstSolar einen Preisrutsch fuumlr Solarmo-dule ausloumlsen Werke fuumlr Module mit CIS- und CIGS-

Zellen wurden aufgebaut Aber seit 2012 haben Moduleaus kristallinem Silicium gefertigt in China mit ihremKostenvorteil zusammen mit der inzwischen gesichertenVersorgung mit ausreichend Rohsilicium den Markt er-obert

5 Formen und Groumlszligen

Zu Beginn der Kommerzialisierung der Solartechnikwurden haumlufig runde Zellen eingesetzt deren Ursprung

von den meist runden Siliciumstaumlben der Computerin-dustrie herruumlhrt Inzwischen ist diese Zellenform relativselten und es werden quadratische Zellen oder fast qua-dratische mit mehr oder weniger abgeschraumlgten Eckeneingesetzt Als Standardformate werden derzeit Wafermit einer Kantenlaumlnge von 125 und 156 mm prozessiertkuumlnftig sollen aber auch Zellen mit einer Kantenlaumlnge von210 mm Bedeutung erlangen

Durch Saumlgen der fertig prozessierten Zellen entstehen fuumlrspezielle Anwendungen im Kleingeraumltebereich auch Zel-len mit kleineren Kantenlaumlngen Sie liefern annaumlhernd diegleiche Spannung wie die groszligen Zellen jedoch entspre-

chend der kleineren Flaumlche einen kleineren StromIm EFG-Verfahren werden auch Zellen hergestellt beidenen die Seiten des entstehenden Rechtecks nicht die

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61 Thermodynamisches Limit I 15

gleichen Laumlngen haben

6 Wirkungsgrad

Vergleich der praktisch erzielbaren Wirkungsgrade verschie-

dener Solarzellen und deren zeitliche Entwicklung Die vio-letten Kurven im oberen Bereich stellen sogenannte Tandem-Solarzellen eine Kombination verschiedener pn-Uumlbergaumlnge dar

Der Wirkungsgrad η einer Solarzelle ist das Verhaumlltnisder von ihr erzeugten elektrischen Leistung P elektrisch undder Leistung der einfallenden Strahlung P Licht

η = P elektrisch

P Licht

Der maximale Wirkungsgrad η einer Solarzelle ist vom

Bandabstand und der Anzahl der auf verschiedene Spek-tralbereiche optimierten pn-Uumlbergaumlnge abhaumlngig Bei ei-nem pn-Uumlbergang ist bei optimalem Bandabstand unddarauf in der Wellenlaumlnge abgestimmtem Licht theo-retisch ein Wirkungsgrad von bis zu 41 erzielbarIn praktischen Anwendungen liegen tatsaumlchlich erziel-bare Wirkungsgrade um und unter 25 Bei Tandem-Solarzellen welche durch mehrere unterschiedliche pn-Uumlbergaumlnge groumlszligere Spektralbereiche abdecken koumlnnenkoumlnnen die Gesamtwirkungsgrade aller pn-Uumlbergaumlnge inSumme auch uumlber der theoretischen Grenze von 41 liegen

Der Rekord fuumlr im Labor hergestellte Silicium-Solarzellen liegt bei 247 Prozent (University of NewSouth Wales Australien) mit denen Module mit uumlber22 Prozent Wirkungsgrad hergestellt wurden DieDegradation des Wirkungsgrades (Alterungsverhalten)liegt bei ca 10 Prozent in 25 Jahren Hersteller gebenbeispielsweise Garantien auf mindestens 80 Prozent derPeak-Leistung nach 20 Jahren

Im Weltraum ist einerseits die Solarkonstante groumlszliger alsdie Globalstrahlung auf der Erde andererseits altern dieSolarzellen schneller Solarpanele fuumlr Satelliten erreichenzur Zeit (2005) einen Wirkungsgrad von fast 25 [51] bei

einer Betriebszeit von 15 JahrenEin hoher Wirkungsgrad ist erstrebenswert weil er beigleichen Lichtverhaumlltnissen und gleicher Flaumlche zu einer

groumlszligeren Ausbeute an elektrischem Strom fuumlhrt Fuumlr jedeMaschine die auf der Erde aus Sonnenlicht oder auf an-dere Weise mechanische oder elektrische Arbeit erzeugt(z B Aufwindkraftwerke Stirlingmotoren etc) gilt einthermodynamisches Limit

61 Thermodynamisches Limit I

Die groumlbste Abschaumltzung des Wirkungsgrades erhaumllt mandurch den Carnot-Wirkungsgrad Er beschreibt den ma-ximalen Wirkungsgrad den eine beliebige physikalischeMaschine erreichen kann wenn sie ihre Energie aus derTemperaturdifferenz von zwei Waumlrmebaumldern beziehtDer Carnot-Wirkungsgrad ergibt sich aus der Tempera-tur T warm des waumlrmeren Bades und der Temperatur T kalt

des kaumllteren Bades gemaumlszlig

η = 1 minusT kalt

T warm

Im Falle der Solarzelle ist das waumlrmere Energiebaddie Sonnenoberflaumlche mit einer Temperatur von etwa5800 K und das kaumlltere Bad die Solarzelle mit einerTemperatur von 300 K Daraus ergibt sich ein Carnot-Wirkungsgrad von 95 Im Weltraum genutzte Solarzel-len haben infolge der houmlheren Temperaturdifferenz ent-sprechend houmlhere Wirkungsgrade

62 Thermodynamisches Limit II

Die Abschaumltzung im obigen Abschnitt vernachlaumlssigtdass die Energie von der Sonne zur Solarzelle durchStrahlung uumlbertragen wird In einem ausfuumlhrlicheren Mo-dell setzt man vor die Solarzelle einen Absorber Dieserabsorbiert die Strahlung der Sonne und strahlt selber ei-nen kleinen Teil der Waumlrmestrahlung wieder an die Sonneab Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz flieszligt somit ins-gesamt die Waumlrmeleistung

σT 4Sonne minus σT 4Absorber

von der Sonne zum Absorber wobei σ die Stefan-Boltzmann-Konstante ist Nach dem Carnot-Wirkungsgrad kann der Absorber von dieser Waumlrme nurden Anteil

1 minusT Solarzelle

T Absorber

in elektrische Arbeit uumlberfuumlhren Der Wirkungsgrad be-stimmt sich nun aus diesem Anteil und der gesamten vonder Sonne abgestrahlten Leistung σT 4Sonne zu

η =

9830801 minus

T 4Absorber

T 4Sonne

983081 middot

9830801 minus

T Solarzelle

T Absorber

983081

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16 7 TECHNISCHE MERKMALE

Bei einer Temperatur von 5800 K fuumlr die Sonnenober-flaumlche und 300 K Umgebungstemperatur wird der Wir-kungsgrad bei einer Absorbertemperatur von etwa 2500K maximal und betraumlgt 85 [57]

63 Shockley-Queisser-Grenze

0 1 2 30

10

20

30

m a

x

W i r k u n g s g r a d i n

Bandabstand in eV

Maximaler Wirkungsgrad als Funktion des Bandabstandes wiees die Shockley-Queisser-Grenze beschreibt

rarr Hauptartikel Shockley-Queisser-Grenze

Die Shockley-Queisser-Grenze betrachtet den fuumlr Solar-zellen typischen Anregungsprozess von Elektronen in ei-nem Halbleiter In einer Solarzelle wird dadurch Licht in

elektrische Energie umgewandelt dass das Licht Elek-tronen aus dem Valenzband in das Leitungsband anregtNur ein schmaler Ausschnitt des angebotenen Energie-spektrums wird genutzt Der theoretische Grenzwert en-ergieselektiver Zellen ist deshalb kleiner als das thermo-dynamische Limit eines Gesamtsystems

Entscheidend fuumlr die Energie die man pro angeregtemElektron gewinnen kann ist dabei die Groumlszlige der Bandluuml-cke E g des Halbleiters Unabhaumlngig davon wie weit dasElektron uumlber die untere Kante des Leitungsbandes an-geregt wird erhaumllt man pro Elektron maximal die Ener-gie der Bandluumlcke als elektrische Energie Bei der elektri-

schen Leistung die man aus allen angeregten Elektronengewinnt muss man beruumlcksichtigen dass bei einer klei-nen Bandluumlcke mehr Elektronen erzeugt werden Bei ei-ner groszligen Bandluumlcke hat jedes einzelne Elektron dafuumlrmehr Energie Es muss daher ein Kompromiss aus fol-genden Grenzfaumlllen gefunden werden

bull Groszlige Bandluumlcke Nur energiereiches Licht (blauesund ultraviolettes Licht) kann Elektronen erzeugenda laumlngere Wellenlaumlngen nicht absorbiert werdenWegen der groszligen Bandluumlcke besitzt jedes Elektroneine hohe Energie

bull Kleine Bandluumlcke Auch langwelliges Licht kannElektronen anregen so dass insgesamt viele Elektro-

nen ins Leitungsband angeregt werden Diese ver-lieren jedoch durch Stoszligprozesse mit dem Kristall-gitter in wenigen hundert Femtosekunden einen Teilihrer Energie bis sie nur noch die Energie der Band-luumlcke besitzen

Die Shockley-Queisser-Grenze gilt fuumlr den Fall einer Zel-le mit nur einem pn-Uumlbergang Mit sogenanntenTandem-Solarzellen (englisch multi-junction solar cell ) in de-nen mehrere pn-Uumlbergaumlnge mit verschiedenen Band-luumlcken kombiniert sind koumlnnen prinzipiell auch houml-here Wirkungsgrade erreicht werden siehe AbschnittMehrfachsolarzellen

7 Technische Merkmale

Die Kenngroumlszligen einer Solarzelle werden fuumlr normierteBedingungen die Standard-Testbedingungen haumlufig ab-gekuumlrzt STC (englisch Standard Test Conditions ) angege-ben

bull Einstrahlungsstaumlrke von1000 Wmsup2in Modulebene

bull Temperatur der Solarzelle 25 degC konstant

bull Strahlungsspektrum AM 15 global DIN EN 61215IEC 1215 DIN EN 60904 IEC 904

Dabei steht AM 15 global fuumlr den Begriff Air Mass die

15 dafuumlr dass die Sonnenstrahlen das 15-fache der At-mosphaumlrenhoumlhe durchlaufen weil sie schraumlg auftreffenDas entspricht sehr gut den sommerlichen Gegebenhei-ten in Mitteleuropa von Norditalien bis MittelschwedenIm Winter steht die Sonne in unseren Breiten erheblichtiefer und ein Wert von AM 4 bis AM 6 ist hier realisti-scher

Durch die Absorption in der Atmosphaumlre verschiebt sichauch das Spektrum des auf das Modul treffenden Lich-tes bdquoGloballdquo steht fuumlr Globalstrahlung die sich aus demDiffus- und dem Direktstrahlungsanteil der Sonne zusam-mensetzt

Dabei ist zu beachten dass in der Realitaumlt insbesonderedie Zellentemperatur bei einer solchen Einstrahlung diein Deutschland im Sommer zur Mittagszeit erreicht wirdbei normalem Betrieb wesentlich houmlher liegt (je nach An-bringung Windanstroumlmung etc kann sie zwischen etwa30 und 60 degC liegen) Eine erhoumlhte Zellentemperatur be-deutet aber gleichzeitig einen herabgesetzten Wirkungs-grad der Solarzelle Aus diesem Grund wurde auch eineweitere Bezugsgroumlszlige geschaffen PNOCT die Leistungbei normaler Betriebstemperatur (normal operating celltemperature)

Gebraumluchliche Abkuumlrzungen fuumlr die Bezeichnungen sind

bull SC Short Circuit ndash Kurzschluss

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71 Schaltbilder 17

Stromstaumlrke I Leistung P

e r z e u g

t e L e i s

t u n g

Spannung U

o h

n e

B e l e

u c h t u

n g

m i t

B e l e

u c h t u

n g

Kurzschluszligstrom

Leerlaufspannung

Punkt maximaler

Leistung

oc

I

I

mp UU

mp

sc

Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzelle beleuchtet und un-beleuchtet

bull OC Open Circuit ndash Leerlauf

bull MPP Maximum Power Point ndash Betriebspunkt ma-ximaler Leistung

bull PR Performance Ratio Qualitaumltsfaktor der an-gibt welcher Teil des vom Solargenerator erzeug-ten Stromertrages (unter Nennbedingungen) real zurVerfuumlgung steht

Die Kennwerte einer Solarzelle sind

bull Leerlaufspannung U OC (auch V OC )

bull Kurzschlussstrom I SC

bull Spannung im bestmoumlglichen Betriebspunkt U MPP

(auch V MPP )

bull Strom im Betriebspunkt mit maximaler LeistungI MPP

bull Maximale erzielbare Leistung P MPP Solarzellenher-steller geben diese unter standardisierten Bedin-gungen maximal erzielbare Leistung in der Einheit

kWp sprich bdquoKilowatt-Peakldquo an

bull Fuumlllfaktor F F = PMPPU OCmiddotI SC

bull Koeffizient fuumlr die Leistungsaumlnderung mit der Zell-temperatur

bull Zellwirkungsgrad η = P MPPAmiddotE e

mit der bestrahlten Flauml-che A und der Bestrahlungsstaumlrke E e

Solarzellen koumlnnen also eine Leistung von sehr grob 160Wmsup2 abgeben Eingebaut in ein Modul ist die Leistung

pro Flaumlche geringer da zwischen den Zellen und zumModulrand Abstaumlnde vorhanden sind Im Weltraum wirdeine Leistung von 220 Watt pro Quadratmeter erzielt[58]

Schaltsymbol einer Fotodiode

Schaltzeichen und einfaches Ersatzschaltbild einer Solarzelle

71 Schaltbilder

Das Schaltsymbol einer Solarzelle gibt wie das Schalt-symbol einer Diode oder Photodiode mit einem Pfeil

die technische Stromrichtung zur Verschaltung an DerKennlinienverlauf einer realen Solarzelle weicht aller-dings von der einer idealen Fotodiode ab Um die-se Abweichungen zu modellieren existieren mehrereErsatzschaltbilder

711 Vereinfachtes Ersatzschaltbild

Das Schaltbild besteht zunaumlchst nur aus einerStromquelle die parallel zu einer idealen Diode ge-schaltet wird Diese produziert einen Strom der vonder Bestrahlungsstaumlrke abhaumlngt und den Photostrom I ph

modelliert Die Gesamtstromstaumlrke ergibt sich damit mitdem Diodenstrom I D (siehe Diode) zu

I = I ph minus I D = I ph minus I S

983131e

U DnmiddotU T minus 1

983133

712 Erweitertes Ersatzschaltbild (Ein- undZweidiodenmodell)

Das erweiterte Ersatzschaltbild nimmt Ruumlcksicht auf rea-le Faktoren des Bauelementes die durch die Fertigung

entstehen Mit diesen Modellen soll ein moumlglichst rea-listisches Modell der tatsaumlchlichen Solarzelle geschaffenwerden Beim Eindiodenmodell wird so das vereinfach-

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18 9 UMWELTSCHUTZ

Eindiodenmodell einer Solarzelle

te Ersatzschaltbild zunaumlchst nur durch einen parallel undeinen in Reihe geschalteten Widerstand ergaumlnzt

bull Der Parallelwiderstand Rp symbolisiertKristallfehler nichtideale Dotierungsverteilungenund andere Materialdefekte durch dieVerluststroumlme entstehen die den p-n-Uumlberganguumlberbruumlcken Bei Solarzellen aus guter Herstellungist dieser Widerstand relativ groszlig

bull Mit dem Serienwiderstand Rs werden alle Effektezusammengefasst durch die ein houmlherer Gesamtwi-derstand des Bauelementes entsteht Das sind haupt-saumlchlich der Widerstand des Halbleitermaterials derWiderstand an den Kontakten und der ZuleitungenDiese Groumlszlige sollte bei gefertigten Solarzellen moumlg-lichst gering sein

Die Formel fuumlr den Gesamtstrom ist fuumlr dieses Modellbereits eine rekursive Funktion und lautet

I = I phminusI dminusU p

Rp= I phminusI S

983131eU +RsmiddotInmiddotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

Beim Uumlbergang zum Zweidiodenmodell fuumlgt man ei-

Zweidiodenmodell mit spannungsgesteuerter Stromquelle fuumlr denLawinendurchbruch in Sperr-Richtung

ne weitere Diode mit einem anderen Idealitaumltsfaktor nein Normalerweise werden diese uumlber die Werte 1 und2 angesetzt Weiterhin lassen sich alle diese Modellebei Betrieb in Sperr-Richtung durch eine spannungsge-steuerte Stromquelle ergaumlnzen um den Lawinendurch-bruch zu modellieren Die Formeln fuumlr die Stroumlme beim

Zweidiodenmodell lauten dann bei Anpassungsleitwert g Durchbruchspannung U und Lawinendurchbruchex-ponent n

I = I phminusI bminusI S1

983131eU +RsmiddotIn1middotU T minus 1

983133minusI S2

983131eU +RsmiddotIn2middotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

I b = gb middot

(U + Rs middot I )

Rpmiddot983080

1 minus

U + Rs middot I

U b983081minusnb

8 Energetische Amortisation undErntefaktoren

Siehe auch Erntefaktor

Die energetische Amortisationszeit ist der Zeitpunkt zudem die fuumlr die Herstellung einer Photovoltaikanlage auf-gewandte Primaumlrenergie durch selbige wieder erzeugt

wurde Da die bei der Produktion genutzte elektrischeEnergie zu den Sekundaumlrenergien zaumlhlt wird diese mitdem Wirkungsgrad eines fossilen Kraftwerkes in Pri-maumlrenergie umgerechnet Dementsprechend erfolgt dieseUmrechnung auch bei der erzeugten elektrischen Energieder Solarzelle Analog kann man sich vorstellen dass diePhotovoltaikanlage den Strom aus einem konventionellenKraftwerk ersetzt[59]

Die energetische Amortisationszeit von Photovoltaikan-lagen betraumlgt derzeit (Stand 2013) nach einer Studie vonPeng et al global betrachtet zwischen 075 und 35 Jah-ren je nach Standort und verwendeter Photovoltaiktech-

nologie Der Mittelwert schwankt im Bereich von ca15 bis 25 Jahren Dies bedeutet in diesem Zeitraumhat die Photovoltaikanlage wieder die Energie hereinge-spielt die insgesamt waumlhrend ihres gesamten Lebenszy-klus verbraucht wurde Beruumlcksichtigt sind also die Her-stellung der Anlagen ihr Transport die Errichtung Be-trieb und der Ruumlckbau bzw Recycling Die rechnerischenCO2-Emissionen von Photovoltaikanlagen je nach Tech-nik und Standort zwischen 105 und 50 g CO2kWh mitDurchschnitten im Bereich 35 bis 45 g CO2kWh AlsLebensdauer wurde in der Studie 30 Jahre fuumlr Moduleauf Basis kristalliner Siliciumzellen und 20-25 Jahren fuumlr

Duumlnnschichtmodule angenommen fuumlr Lebensdauer derWechselrichter wurden 15 Jahre angenommen[60] Photo-voltaikanlagen liefern demnach waumlhrend ihrer Betriebs-zeit ein Vielfaches der Energie die zu ihrer Herstellungurspruumlnglich aufgewandt wurde

9 Umweltschutz

Die Herstellung photovoltaischer Solarzellen ist ein che-mischer Prozess bei dem gasfoumlrmige fluumlssige und fes-te Chemikalien zum Einsatz kommen die gesundheits-

und umweltschaumldlich sind Aus diesem Grund ist ein ho-her Standard der Prozesssicherheit zentral Unter Ar-beitsschutzaspekten ist eine sichere Ablufterfassung und

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19

Reinigung zu gewaumlhrleisten Bei dem Einsatz von Nass-waumlschern wird die Abluft durch ein fluumlssiges Absorpti-onsmedium geleitet Wenn dieses aufgebraucht ist ent-steht eine weitere Abwasserquelle neben den Aumltzloumlsun-gen aus der Produktion Diese muumlssen innerbetrieblichwiederaufbereitet oder spezialisierten Entsorgern uumlber-

geben werden Bei der Herstellung von Duumlnnschicht-halbleitern kommt es an den Waumlnden und Aufbautender Prozesskammer zu siliciumhaltigen AblagerungenDie Ruumlckstaumlnde muumlssen regelmaumlszligig entfernt werden dasie den Prozess stoumlren und zu Qualitaumltseinbuszligen fuumlh-ren Zum Entfernen der Ruumlckstaumlnde verwendet manSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid als Reini-gungsgase Beide Gase sind zwar ungiftig gleichwohlaber sehr starke Treibhausgase[61] In der Zellproduk-tion muumlssen die Reinigungsgase mit hoher Volumen-flussrate eingesetzt werden da sie chemisch sehr sta-bil sind und im Plasma zu weniger als 10 in rei-

nigungsaktive Radikale zerfallen Ein Groszligteil des Ga-ses bleibt somit ungenutzt und muss kostenintensiv ent-sorgt werden Zum Teil entweicht es ndash gewollt oder un-gewollt ndash direkt in die Umwelt Hieraus erklaumlrt sichu a auch der kuumlrzlich gemessene starke Anstieg derStickstofftrifluoridkonzentration in der Hochatmosphauml-re besonders uumlber Ost- und Suumldostasien An Stelle vonSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid kann auchdas sehr reaktive Halogen Fluor als Reinigungsgas ver-wendet werden Fluor ist sehr giftig es ist jedoch keinTreibhausgas Auszligerdem laumlsst es sich sehr leicht undruumlckstandsfrei aus Abgasstroumlmen entfernen

Einige Solarzelltypen verwenden anstelle von SiliciumStoffe wie z B toxisches oder karzinogenes CadmiumArsen bzw deren Verbindungen sowie Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid Ein typisches Cadmiumtellurid-Solarmodul enthaumllt zum Beispiel ca 22 g des gefaumlhrli-chen Schwermetalls Cadmium und 25 g Tellur pro msup2Zellflaumlche[62] Bei der Produktion werden beide Sub-stanzen durch Co-Verdampfung auf das Traumlgermaterialaufgebracht Die Co-Verdampfung ist ein ungerichteterProzess bei dem die gesamte Innenoberflaumlche derBeschichtungskammer mit Duumlnnschichten aus TellurCadmiumtellurid Cadmiumsulfid und Antimontelluriduumlberzogen werden Der Materialverbrauch erhoumlht sich

dadurch um mindestens weitere 40

Bei der regelmaumlszligigen Reinigung der Produktionskam-mer mit waumlssriger Saumlure ndash die Reinigung erfolgt ma-nuell ndash werden die Ruumlckstaumlnde in eine waumlssrige Louml-sung uumlberfuumlhrt Neben der eigentlichen Zellprodukti-on stellt also auch die Reinigung der Produktions-anlagen eine Herausforderung an Umweltschutz undArbeitsschutz dar[63][64][65][66][67] Eine neuere Unter-suchung versucht die geringere Gefaumlhrdung die vonCadmiumtellurid-Zellen im Vergleich zur Kohleverbren-nung ausgeht nachzuweisen[36] Produktionsruumlckstaumln-de und Emissionen koumlnnen zu Langzeitschaumlden und

Altlasten fuumlhren Gleiches gilt bei unsachgemaumlszliger Ent-sorgung fuumlr die Altzellen Die Photovoltaik unterschei-

det sich in diesem Aspekt von anderen Technologien zurNutzung regenerativer Energien

10 Sicherheitsbetrachtung

Fuumlr Schutzmaszlignahmen im Brandfall und Blitzeinschlagsiehe Photovoltaikanlage

11 Siehe auch

bull Halbleiterdetektor

bull Sonnensimulator (Photovoltaik)

12 Literatur

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bull Heinrich Haumlberlin Photovoltaik Strom aus Son-nenlicht fuumlr Verbundnetz und Inselanlagen 2 we-sentlich erweiterte und aktualisierte Auflage VDE Electrosuisse Berlin Fehraltorf 2010 ISBN 978-3-8007-3205-0 (VDE) ISBN 978-3-905214-62-8(Electrosuisse)

bull Tom Markvart Luis Castantildeer Solar cells ndash mate-rials manufacture and operation Elsevier Oxford2006 ISBN 1-85617-457-3 (englisch)

bull Volker Quaschning Regenerative Energiesysteme 8Auflage Hanser Muumlnchen 2013 ISBN 978-3-446-

43526-1

bull Viktor Wesselak Sebastian Voswinckel Photovol-taik Wie Sonne zu Strom wird Daten FaktenHintergruumlnde Springer Vieweg Berlin 2012 ISBN978-3-642-24296-0 (= Technik im Fokus )

bull Viktor Wesselak Thomas Schabbach ThomasLink Joachim Fischer Regenerative Energietech-nik 2 erweiterte und vollstaumlndig neu bearbeite-te Auflage Springer Vieweg Berlin Heidelberg2013 ISBN 978-3-642-24165-9

bull Peter Wuumlrfel Physik der Solarzellen SpektrumAkademischer Verlag Heidelberg 2000 ISBN 3-8274-0598-X (= Spektrum Hochschultaschenbuch)

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20 14 EINZELNACHWEISE

13 Weblinks

Commons Solarzelle ndash Album mit Bildern Videosund Audiodateien

Wikibooks Herstellung von Solarzellen ndash Lern-

und Lehrmaterialien

bull Die Solarmaus ndash Entstehung der Solarzelle mit Ar-min Maiwald (YouTube-Video)

bull PV-Education ndash detaillierte Online-Vorlesung mitGrundlagen und Anwendungen zur PV (englisch)

bull Photovoltaik ndash Innovationen (BINE Informations-dienst)

14 Einzelnachweise

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15 Text- und Bildquellen Autoren und Lizenzen

151 Text

bull Solarzelle Quelle httpdewikipediaorgwikiSolarzelleoldid=138856800 Autoren Fgb RobertLechner Schewek Igelball Aka StefanKuumlhn Lukian Onno Ilja Lorek Head El GNosis Atman Sun Tsor Matthaumlus Wander Seewolf HenrikHolke Honina Pstaudt-fischbachSchusch GDK Migas Paddy Zwobot Kai11 D HaeB ArtMechanic Hadhuey Robbot Pm Anton HaSee Rdb Boehm ZumboDirk33 AndreasB Pietz Soundray Sinn Peter200 Schmiddtchen Fuenfundachtzig Breeze Magadan Fetz Braun Jdiemer StYxXxSebastianWilken Martin-vogel Mnh Ot Aloiswuest MAK Scorpion2211 Gerhardvalentin Jaques AshSert Philipendula STephanKambor Koerpertraining Nicolas PeeCee Duesentrieb AHZ Hendric Stattmann Kristjan Ri st Hafex Norro Cepheiden Christoph-Demmer Fubar Ckeen DasBee Silberchen iexcl0-8-15 1-1111 VanGore Mjk Groer Umaluagr Mkuemmerer Wendelin Cyper QdrDundak Liberatus Juesch Kdkeller Greuer Drap Garak76 MartinThoma Udo T Zaungast Stephantom Pelz ML Thorbjoern Hein-te Diba Blech Zahnstein Renekaemmerer He3nry SchorSch Ion Tauwasser Bobbl Rosa Lux Gerbil Ulfbastel Hubertl MrVVooUebel H2h Liberal Freemason Quirin Leonce49 Blaubahn Flominator RedBot Anhi Dein Freund der Baum Wkw1959 So66 Cle-mensfranz OKoslowski Itti Yahp Miaow Miaow Zaphiro Eneldo Onliner Wahldresdner Darok MovGP0 Muck Uwezi Loh SyrcroZweistein12 Olei Dantor Krischan111 Nize Uwe W Georg Slickers Amtiss Roterraecher RajHid STBR Jackalope Ephraim33JFKCom Andimx Suirenn Hydro Pajz Dktz RobotQuistnix Alanmak Euku Xocolatl Hermannthomas Eynre Savin 2005 AbrevFireball TheTruth Bahnemann Segelmaus Harf Jakob5 Zemy Nyneela Schmitty TobiWanKenobi DerHexer WAH Sesc RolandBerger Schlesinger Staro1 Mo4jolo GeorgHH MutluMan Nightflyer Matzematik PeterFrankfurt Tomreplay PortalBot Ing Schrouml-der Walter LKD Juuml Manecke Quelokee Mons Maenalus JoBa2282 Stepa Giessauf A Cellulesolaire Lemberger HillerD RadlfahrerHelfmann Logograph Mion KaiMeier Sepp Roest FabiBerg Flo422 Degreen Rai42 Rfc GruumlneErde Btr FelixP Wdwd PendulinAdipictures HAH Toumlnjes Kaumlpten Balu Andreas 06 Batosai Rex Akribix D-Kuru UnknownID01 Cramunhao BesondereUmstaende

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Avene DerGraueWolf Martin1978 Wassertraeger Pleonasty HRoestTypo EmausBot Halbarath Muumldigkeit ReinerSpass Mswisi Un-sterblicher TtIiMmOOO ZeacuteroBot Ottomanisch Dsfranzi Didym Striga Cologinux 30wiki04 Karle07 Ne discere cessa Rabax63Waithamai EnergieLabor Cassirer Randolph33 Mukitil Nummer4 Googolplex Flanschko Georgepauljohnringo Woltmers KrdbotHephaion Andol MerlIwBot Mikered KLBot2 Oguenther Thesurvived99 Herzoeglich Rudschuck Tomaacutes66 Gregou Boshomi Stei-ni77 Isjc99 Derschueler Hans Haase Schwunkel Smallandsimple Ciwd2 Nurax666 Krantnejie Rmcharb Kuschi51 Cimballi Redak-tionPflanze Datenundfakten Ragna314 Fico123456789 Buchbibliothek Blafnu Ferina53Solarous Kritzolina WhistlingBird Budu123Manni Lang HeicoH und Anonyme 686

152 Bilder

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24 15 TEXT- UND BILDQUELLEN AUTOREN UND LIZENZEN

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Page 6: Solar Zelle

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6 2 TYPEN VON SILICIUM-SOLARZELLEN

Polykristalliner Wafer

Polykristallines Silicium

Moderne kristalline Silizium Solarzelle Das PERC Design (pas-sivated emitter and rear cell) hat fingerfoumlrmige Kontakte auf der Ruumlckseite die als Linien sichtbar sind (rechtes Bild) Damit er-reicht man Zellwirkungsgrade uumlber 20 Hergestellt im Institut

fuumlr Solarenergieforschung Hameln (ISFH) Deutschland

microm und mehr aufweisen um Licht ausreichend stark zuabsorbieren Bei Duumlnnschichtzellen direkter Halbleiter wie z B Galliumarsenid oder auch Silicium mit stark ge-stoumlrter Kristallstruktur (siehe unten) genuumlgen 10 microm

Je nach Kristallaufbau unterscheidet man bei Siliciumfolgende Typen

bull Monokristalline Zellen werden aus sogenanntenWafern (einkristalline Siliciumscheiben) herge-

stellt wie sie auch fuumlr die Halbleiterherstellung ver-wendet werden Sie sind verhaumlltnismaumlszligig teuer

bull Polykristalline Zellen bestehen aus Scheiben dienicht uumlberall die gleiche Kristallorientierung auf-weisen Sie koumlnnen z B durch Gieszligverfahren (s

u) hergestellt werden und sind preiswerter und inPhotovoltaikanlagen am meisten verbreitet

bull Amorphe Solarzellen bestehen aus einer duumlnnennichtkristallinen (amorphen) Siliciumschicht undwerden daher auch als Duumlnnschichtzellen bezeich-net Sie koumlnnen etwa durch Aufdampfen hergestelltwerden und sind preiswert haben im Sonnenlicht ei-nen nur geringen Wirkungsgrad bieten jedoch Vor-teile bei wenig Licht Streulicht und bei hoher Be-triebstemperatur Zu finden sind die amorphen Zel-len beispielsweise auf Taschenrechnern oder Uhren

bull Mikrokristalline Zellen sind Duumlnnschichtzellen mitmikrokristalliner Struktur Sie weisen einen houmlherenWirkungsgrad als amorphe Zellen auf und sind nichtso dick wie die gaumlngigen polykristallinen Zellen Siewerden teilweise fuumlr Photovoltaikanlagen verwen-det sind jedoch noch nicht sehr weit verbreitet

bull Tandem-Solarzellen sind uumlbereinander geschichte-te Solarzellen meist eine Kombination von poly-kristallinen und amorphen Zellen Die einzelnenSchichten bestehen aus unterschiedlichem Materialund sind so auf einen anderen Wellenlaumlngenbereichdes Lichtes abgestimmt Die zuoberst angeord-neten Zellen absorbieren nur einen Teil desLichtspektrums der Rest kann durchtreten und vonder darunter angeordneten Schicht verwertet wer-den Durch ein breiteres Ausnuumltzen des Lichtspek-trums der Sonne haben diese Zellen einen besserenWirkungsgrad als einfache Solarzellen Sie werdenteilweise bei Photovoltaikanlagen verwendet sindjedoch noch relativ teuer

21 Herstellung aus Siliciumbloumlcken oder -staumlben

Solarzellen koumlnnen nach verschiedenen Verfahren herge-stellt werden

Das Grundmaterial Silicium ist das zweithaumlufigstechemische Element das in der Erdkruste vorkommtEs liegt in Form von Silikaten oder als Quarz vorAus Quarzsand kann in einem Schmelz-ReduktionsofenRohsilicium sogenanntes metallurgisches Silicium mitVerunreinigungen von circa 1 bis 2 hergestellt wer-den 2005 wurden auf diese Weise 47 Mio TonnenSilicium hergestellt Ein Groszligteil davon geht in dieStahlindustrie und in die Chemische Industrie Nur ein

kleiner Anteil des metallurgischen Siliciums wird fuumlr dieMikroelektronik und die Photovoltaik verwendet Ausdem Rohsilicium wird dann uumlber einen mehrstufigen auf

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21 Herstellung aus Siliciumbloumlcken oder -staumlben 7

Silicium-Einkristall zur Waferherstellung hergestellt nach demCzochralski-Verfahren

Trichlorsilan basierenden Prozess polykristallines Reinst-silicium hergestellt Das bis heute (2006) hier angewen-dete Siemens-Verfahren[22] ein CVD-Verfahren wurdeallerdings fuumlr die Mikroelektronik entwickelt und opti-

miert Dort werden zum Teil voumlllig andere Anforderun-gen an die Qualitaumlt des Siliciums gestellt als in der Pho-tovoltaik Fuumlr Solarzellen ist beispielsweise die Reinheit

des Wafers in seiner gesamten Staumlrke wichtig um einemoumlglichst lange Ladungstraumlger-Lebensdauer zu gewaumlhr-leisten In der Mikroelektronik muumlssten dagegen prinzi-piell nur die oberen etwa 20 bis 30 microm hochrein sein Damittlerweile der Verbrauch an hochreinem Silicium fuumlrdie Photovoltaik den Verbrauch in der Mikroelektronik

uumlbertroffen hat wird zur Zeit intensiv an speziellen kos-tenguumlnstigeren und fuumlr die Photovoltaik optimierten Her-stellverfahren fuumlr Solarsilicium gearbeitet

Der gesamte Herstellprozess fuumlr hochreines Silicium istzwar sehr energieaufwendig aber dennoch koumlnnen dieheute verwendeten Solarzellen die fuumlr ihre Produktion er-forderliche Energiemenge ndash je nach Bauart ndash innerhalbvon 15 bis 5 Jahren wieder kompensieren Sie haben al-so eine positive Energiebilanz

Das Reinstsilicium kann auf unterschiedliche Weise wei-terverarbeitet werden Fuumlr polykristalline Zellen kom-

men groumlszligtenteils das Gieszligverfahren das Bridgman-Verfahren und das kantenbegrenzte Bandziehverfahren(EFG-Verfahren vonengl edge-defined film-fed growth)zum Einsatz Monokristalline Zellen werden fast immernach dem Czochralski-Verfahren hergestellt Bei allenVerfahren gilt dass die Dotierung mit Bor (siehe unten)schon beim Herstellen der Bloumlcke (Ingots) beziehungs-weise Staumlbe vorgenommen wird

211 Blockgussverfahren

Dieses Verfahren dient zur Herstellung von polykristalli-

nem Silicium Das Reinstsilicium wird in einem Tiegelmit Hilfe einer Induktionsheizung aufgeschmolzen unddann in eine quadratische Wanne gegossen in der es moumlg-lichst langsam abgekuumlhlt wird Dabei sollen moumlglichstgroszlige Kristallite in den Bloumlcken entstehen Die Kanten-laumlnge der Wanne betraumlgt etwa 50 cm die Houmlhe der er-starrten Schmelze etwa 30 cm Der groszlige Block wird inmehrere kleine Bloumlcke von etwa 30 cm Laumlnge zerteilt

Ein weiteres Gieszligverfahren ist der Strangguss wobei dieMasse schon in der am Ende benoumltigten Staumlrke auf dasTraumlgermaterial aufgebracht wird Der Vorteil ist dass einSaumlgevorgang mit seinen Verlusten entfaumlllt

212 Bridgman-Verfahren

Das Bridgman-Verfahren dient zur Herstellung von po-lykristallinem Silicium[23] und ist nach Percy WilliamsBridgman benannt Es ist nicht zu verwechseln mit derBridgman-Stockbarger-Methode diezur Herstellung vonMonokristallen dient Das Reinstsilicium wird hier eben-falls in einem Tiegel mit Hilfe einer Induktionsheizungbei uumlber 1400 degC aufgeschmolzen Die langsame Abkuumlh-lung der Schmelze bei der sich groszlige Zonen einheitlicherKristalle ausbilden findet hier im gleichen Tiegel statt

Die geheizte Zone wird langsam von unten nach oben imTiegel angehoben so dass sich oben bis zum Schluss fluumls-siges Silicium befindet waumlhrend vom Tiegelboden her

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8 2 TYPEN VON SILICIUM-SOLARZELLEN

das Erstarren erfolgt Hier sind die Kantenlaumlngen etwasgroumlszliger als beim Gieszligverfahren (zumeist Standardgroumlszlige690 mm)[24] die Houmlhe des Blocks betraumlgt etwa 20 bis25 cm Der groszlige Block wird ebenfalls in mehrere kleineBloumlcke von zumeist 156 mm Kantenlaumlnge zerteilt DieserArbeitsschritt wird Brikettieren genannt[25]

213 Czochralski-Verfahren

Das Czochralski-Verfahren wird fuumlr die Herstellung vonlangen monokristallinen Staumlben genutzt Der sogenann-te Impfkristall gibt die Orientierung im Kristall vor Vorder Herstellung der Zellen wird der entstandene Zylindernoch zurechtgeschnitten

214 Zonenschmelzverfahren

Das Zonenschmelzverfahren auch Float-Zone-Verfahrengenannt dient auch der Herstellung monokristalliner Si-liciumstaumlbe Die bei diesem Verfahren erzielte Reinheitist im Normalfall houmlher als fuumlr die Solartechnik benouml-tigt und auch mit sehr hohen Kosten verbunden Deshalbwird diese Technik fuumlr die Solartechnik eher selten be-nutzt Das einzige Unternehmen das Float-Zone-Waferin nennenswerten Mengen fuumlr Solarzellen verwendet istdas US-Unternehmen SunPower

215 Waferherstellung

Die Kristallstaumlbe muumlssen nun mit einemDrahtsaumlgeverfahren in Scheiben die sogenanntenWafer gesaumlgt werden Dabei entsteht aus einem groszligenTeil des Siliciums Saumlgestaub dessen Verwertung ab2013 erforscht wurde [26] Die Dicke der entstehendenScheiben liegt bei etwa 018 bis 028 mm

Eine weitere Quelle fuumlr Wafer war urspruumlnglich der Aus-schuss an Rohlingen fuumlr die Herstellung von integriertenSchaltkreisen der Halbleiterfertigung deren zur Weiter-verarbeitung ungeeigneten Rohlinge als Solarzelle ver-wendet werden

Die monokristallinen Zellen zeichnen sich durch eine ho-mogene Oberflaumlche aus waumlhrend bei den polykristallinenZellen gut die einzelnen Zonen mit verschiedener Kris-tallorientierung unterschieden werden koumlnnen ndash sie bil-den ein eisblumenartiges Muster auf der Oberflaumlche

Im Waferstadium sind Vorder- und Ruumlckseite der Zellenoch nicht festgelegt

216 Waferprozessierung

Die gesaumlgten Wafer durchlaufen nun noch mehrere che-

mische Baumlder um Saumlgeschaumlden zu beheben und eineOberflaumlche auszubilden die geeignet ist Licht einzufan-gen Im NormalfallsinddieWafer schon mit einer Grund-

dotierung mit Bor versehen Diese bewirkt dass es uumlber-schuumlssige Defektelektronen (positive Ladungen) gibt dasheiszligt es koumlnnen Elektronen eingefangen werden Daswird auch p-Dotierung genannt Auf dem Weg zur fer-tigen Solarzelle mit p-n-Uumlbergang muss nun die Oberflauml-che noch eine n-Dotierung bekommen was durch Pro-

zessierung der Zelle in einem Ofen in einer Phosphor-Atmosphaumlre geschieht Die Phosphoratome schaffen ei-ne Zone mit Elektronenuumlberschuss auf der Zelloberflauml-che die etwa 1 microm tief ist Nach der Diffusion mit Phos-phor entsteht auf der Oberflaumlche des Wafers Phosphor-glas Um dieses zu entfernen ist ein weiterer sehr kur-zer Aumltzschritt mit Flusssaumlure noumltig Danach wird in einemweiteren Ofen mittels PECVD die Antireflexschicht auf-getragen die der Zelle erst die typische Farbe gibt

Danach erfolgt die Bedruckung der Zelle z B durchSiebdruck mit den notwendigen Loumltzonen und der Struk-tur welche fuumlr den besseren Abgriff des generierten elek-

trischen Stroms sorgt Die Vorderseite erhaumllt meist zweibreitere Streifen auf denen spaumlter die Baumlndchen zumVerbinden mehrerer Zellen befestigt werden Auszligerdemwird ein sehr duumlnnes elektrisch gut leitendes Raster auf-gebracht was einerseits den Lichteinfall so wenig wiemoumlglich behindern und andererseits den ohmschen Wi-derstand der Deckelektrode verringern soll Die Ruumlcksei-te wird meist vollflaumlchig mit einem gut leitenden Materialbeschichtet

Nach der Prozessierung werden die Zellen nach optischenund elektrischen Merkmalen klassifiziert sortiert und fuumlrdie Fertigung von Solarmodulen zusammengestellt

22 Direkte Herstellung von Platten bzwSchichten

Um den Umweg des Saumlgens von Wafern aus Kristallblouml-cken zu vermeiden gibt es umfangreiche Aktivitaumlten So-larzellen direkt zu erzeugen

221 EFG-Verfahren

Beim EFG-Verfahren (von engl edge-defined film-fed growth ungefaumlhre Uumlbersetzung bdquokantendefiniertesFilmwachstumldquo) werden aus einer elektrisch beheiztenGraphitwanne aus fluumlssigem Reinstsilicium achteckigeRoumlhren von etwa 6 bis 7 m Laumlnge nach oben gezo-gen Die Ziehgeschwindigkeit liegt im Bereich von ca 1mms Die Kantenlaumlnge der einzelnen Seiten betraumlgt 10bzw 125 cm die Wandstaumlrke ca 280 microm Nach Fer-tigstellung der Roumlhre wird diese entlang der Kanten mitNdYAG-Lasern geschnitten und in einem bestimmtenRaster dann uumlber die Breite der jeweiligen Seite Darausergibt sich die Moumlglichkeit der Herstellung von Zellenmit unterschiedlichen Kantenlaumlngen (zum Beispiel 125

cm times 15 cm oder 125 cm times 125 cm) Es wird eineAusbeute von etwa 80 des Ausgangsmaterials erzieltBei den so erzeugten Zellen handelt es sich ebenfalls um

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24 Solarzellen aus speziellen Siliciumstrukturen 9

polykristallines Material welche sich vom Aussehen herdeutlich von den gesaumlgten Zellen unterscheidet Unter an-derem ist die Oberflaumlche der Zellen welliger Ein Vor-teil im Vergleich zum Saumlgen aus Bloumlcken ist die weit-gehende Vermeidung von Verschnitt der zudem nichtmit Schneidefluumlssigkeit (engl slurry vgl Kolloide) ver-

unreinigt ist Dieses Verfahren wird auch Bandzieh- oderOctagon-Verfahren genannt

Das EFG-Verfahren wurde bis 2009 von der FirmaSchott Solar (Deutschland) angewendet Von einer wei-teren Verwendung musste abgesehen werden da SchottSolar als einziger Anwender dieses Prozesses die Wei-terentwicklung im Vergleich zu anderen Prozessen mitmehr Entwicklern im Hintergrund nicht schnell genugvorantreiben konnte[27] Entwickelt wurde das Verfahrenvon der Firma ASE Solar (USA)

222 String-Ribbon-Verfahren

Weiterhin gibt es das String-Ribbon-Verfahren der insol-venten US-amerikanischen Firma Evergreen Solar beidem die Wafer zwischen zwei Faumlden direkt aus der Sili-ciumschmelze gezogen werden[27] Dabei entsteht weni-ger Abfall (wie Spaumlne usw die normalerweise direkt ent-sorgt werden) als bei den herkoumlmmlichen Verfahren Alsdeutsches Unternehmen verwendete die Sovello AG dasString-Ribbon-Verfahren zur Produktion von Wafern

223 Schichttransfer-Verfahren

Beim Schichttransfer-Verfahren wird eine nur ca 20 micromduumlnne Schicht aus einkristallinem Silicium direkt flachauf einem Substrat gezuumlchtet Als Traumlgermaterial eignensich keramische Substrate oder auch speziell oberflaumlchen-behandeltes Silicium wodurch das Abloumlsen des entstan-denen Wafers und die Wiederverwendung desTraumlgers ge-geben ist Die Vorteile dieser Verfahren sind der deut-lich geringere Siliciumbedarf durch die geringe Dickeund der Wegfall der Saumlgeverluste Der Saumlgevorgang als

zusaumltzlicher Prozessschritt entfaumlllt Der erreichbare Wir-kungsgrad ist hoch und liegt im Bereich von monokris-tallinen Zellen

23 Solarzellen aus bdquoschmutzigemldquo Silici-um

Der Prozess des Zonenschmelzens und Dotierens laumlsstsich auch in eine bereits gefertigte flache Platte bzwSchicht verlagern Das Prinzip ist dass die Verunreini-

gungen durch Waumlrmebehandlung (mehrfach lateral fort-schreitende Umschmelzung z B mit Laserstrahlung) desSiliciums an wenigen Stellen konzentriert werden[28]

24 Solarzellen aus speziellen Silicium-strukturen

Seit den 2000er Jahren arbeiten verschiedene For-schungsgruppen an Solarzellen auf Basis von langen bdquoSi-liciumstaumlbchenldquo (manchmal auch bdquoSiliciummikrodraumlh-teldquo genannt) im Mikrometermaszligstab[29][30] Die einzel-nen Siliciumstaumlbchen sind in der Regel einige Mikrome-ter dick und ca 200 Mikrometer lang Strukturen aussenkrecht zu einer Traumlgerflaumlche angeordneten Staumlbchenzeigen gegenuumlber konventionellen Solarzellen aus Silici-um eine erhoumlhte Absorption von Sonnenlicht in einembreiten Spektralbereich vgl Schwarzes Silicium

Ein Beispiel fuumlr eine solche Solarzelle wurde 2010 voneiner Arbeitsgruppe um Harry Atwater vom CaliforniaInstitute of Technology vorgestellt Sie stellten uumlber 100Mikrometer lange Staumlbchen mithilfe der sogenanntenVLS-Technik[31] (von engl vapor -liquid -solid ) her uumlber-gossen diese anschlieszligend zur Stabilisierung mit durch-sichtigem biegsamem Kunststoff (PolydimethylsiloxanPDMS) und loumlsten danach die fertige Zelle von derPlatte[29] Diese Zellen zeigen wie zuvor erwaumlhnt eineerhoumlhte Absorption von insgesamt bis zu 85 des einfal-lenden Lichts uumlber einen groszligen Spektralbereich Die soerzeugten Solarzellen im Laborstatus haben einen hohenWirkungsgrad Ihre Herstellung verbraucht nur 1 Prozentder sonst zur Solarzellenproduktion uumlblichen Silicium-menge auszligerdem sind diese Solarzellen biegbar[32]

3 Andere Solarzellentypen

31 Duumlnnschichtzellen

Kleine amorphe Si-Duumlnnschichtsolarzelle auf Glas vier Zellenin Reihe

Duumlnnschichtzellen gibt es in verschiedenen Ausfuumlhrun-gen je nach Substrat und aufgedampften Materialien

Die Spannbreite der physikalischen Eigenschaften undder Wirkungsgrade ist entsprechend groszlig Duumlnnschicht-zellen unterscheiden sich von den traditionellen Solar-

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10 3 ANDERE SOLARZELLENTYPEN

Ruumlckseite (Schichtseite braun lackiert)

Solarzellentypen

zellen (kristallinen Solarzellen basierend auf Silicium-wafern) vor allem in ihren Produktionsverfahren unddurch die Schichtdicken der eingesetzten MaterialienDie physikalischen Eigenschaften amorphen Siliciumsdie von kristallinem Silicium verschieden sind beeinflus-sen die Solarzelleneigenschaften Manche Eigenschaftensind auch noch nicht vollstaumlndig verstanden

Auch bei kristallinen Solarzellen wird das Licht bereitsin einer duumlnnen Oberflaumlchenschicht (ca 10 microm) absor-biert Es liegt daher nahe Solarzellen sehr duumlnn zu fer-tigen Verglichen mit kristallinen Solarzellen aus Silici-umwafern sind Duumlnnschichtzellen etwa 100-mal duumlnner

Diese Duumlnnschichtzellen werden meist durch Abscheidenaus der Gasphase direkt auf einem Traumlgermaterial aufge-bracht Das kann Glas Metallblech Kunststoff oder auchein anderes Material sein Der aufwaumlndige im vorigenKapitel beschriebene Prozess des Zerschneidens von Si-liciumbloumlcken kann also umgangen werden

Das bisher gaumlngigste Material fuumlr Duumlnnschichtzellen istamorphes Silicium (a-SiH) Solche Duumlnnschichtmodu-le sind langlebige Produkte Freiluft-Tests zeigen sta-bile Wirkungsgrade uumlber mehr als zehn Jahre Moumlgli-che weitere Materialien sind mikrokristallines Silicium(microc-SiH) Gallium-Arsenid (GaAs) Cadmiumtellurid

(CdTe) oder Kupfer-Indium-(Gallium)-Schwefel-Selen-Verbindungen die so genannten CIGS-Solarzelle bzwCIS-Zellen wobei hier je nach Zelltyp S fuumlr Schwefel

oder Selen stehen kann Ein neuesMaterial das neu in derDuumlnnschichttechnologie Anwendung findet ist CZTS

Wirkungsgrade im Bereich von 20 (217 mit CIGS-Solarzellen siehe[33]) fuumlr kleine CIGS-Laborzellen (asymp 05cmsup2) sind durchaus moumlglich CIGS-Duumlnnschichtmodule

erreichen inzwischen aumlhnliche Wirkungsgrade wie Mo-dule aus polykristallinem Silicium (11ndash12 [34])Fuumlr Cadmiumtellurid-Zellen lag der Wirkungsgrad beiLaborzellen im August 2014 bei 21 [35]

Wichtiger sind oft die Kostenzu denen Stromaus den So-larzellen produziert werden kann dazu kommen wichti-ge Kriterien wie die Emission von Schadstoffen Aktuel-le Studien belegen dass Cadmiumtellurid-Duumlnnschicht-Solarzellen hier eine bessere Bilanz als konventionelle Si-liciumzellen aufweisen[36]

Eine weitere Staumlrke von Duumlnnschichtmodulen ist dasssie einfacher und groszligflaumlchiger produziert werden koumln-

nen insbesondere die Duumlnnschichtzellen aus amorphemSilicium Duumlnnschichtmodule sind nicht auf ein rigidesSubstrat wie Glas oder Aluminium angewiesen bei auf-rollbaren Solarzellen fuumlr den Wanderrucksack oder ein-genaumlht in Kleider wird ein geringerer Wirkungsgrad inKauf genommen der Gewichtsfaktor ist wichtiger als dieoptimale Lichtumwandlung

Zur Herstellung eignen sich Maschinen welche auchzur Herstellung von Flachbildschirmen eingesetzt wer-den Dabei werden Beschichtungsflaumlchen von uumlber 5 msup2erreicht Mit den Verfahren zur Herstellung von amor-phem Silicium laumlsst sich auch kristallines Silicium induumlnnen Schichten herstellen sogenanntes mikrokristal-lines Silicium Es vereint Eigenschaften von kristalli-nem Silicium als Zellenmaterial mit den Methoden derDuumlnnschichttechnik In der Kombination aus amorphemund mikrokristallinem Silicium wurden in den letztenJahren beachtliche Wirkungsgradsteigerungen erzielt

Ein Verfahren fuumlr die Fertigung kristalliner Duumlnnschicht-zellen aus Silicium ist CSG (Crystalline Silicon onGlass) dabei wird eine weniger als zwei Mikrometerduumlnne Siliciumschicht direkt auf einen Glastraumlger aufge-bracht die kristalline Struktur wird nach einer Waumlrme-behandlung erreicht Das Aufbringen der Stromfuumlhrungerfolgt mittels Laser- und Tintenstrahldrucktechnik Da-fuumlr wurde 2005 von der Firma CSG Solar eine Fabrika-tionsanlage in Deutschland gebaut Weil das Verfahrennicht wirtschaftlich zu betreiben war musste das Unter-nehmen nach kurzer Zeit seine Produktion einstellen Derchinesische Solarkonzern Suntech erwarb das Unterneh-men und seine Technologie hat aber 2011 die Aktivitauml-ten in diesem Bereich aufgegeben und das Unternehmengeschlossen[37]

Es werden derzeit Duumlnnschichtsolarzellen aus schwarzemSilicium entwickelt die einen etwa doppelten Wirkungs-grad erreichen sollen[38]

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34 Elektrochemische Farbstoff-Solarzelle 11

Schematischer Aufbau einer Konzentratorzelle

32 Konzentratorzellen

Bei Konzentratorzellen (auch Konzentrator-Photovoltaik engl Concentrated PV CPV) wird Halbleiterflaumlche ein-gespart indem das einfallende Sonnenlicht zunaumlchst

auf einen kleineren Bereich konzentriert wird Das er-reicht man durch Konzentratoren wie z B Linsen zu-meist Fresnel-Linsen oder auch Lichtleitkoumlrper die dieTotalreflexion nutzen[39][40] Diese sind im Vergleich zuHalbleitern bezogen auf die Flaumlche preiswerter Es kannsomit zu geringeren Kosten die Sonneneinstrahlung ei-ner groumlszligeren Flaumlche ausgenutzt werden Haumlufig verwen-dete Materialien fuumlr Konzentratorsolarzellen sind III-V-Halbleiter Zumeist werden Mehrfachsolarzellen (siehenaumlchster Abschnitt) verwendet die fuumlr vollflaumlchige So-larzellen unwirtschaftlich waumlren Sie arbeiten noch zu-verlaumlssig bei mehr als dem 500-fachen der Sonneninten-

sitaumlt Konzentratorsolarzellen muumlssen dem Sonnenstandnachgefuumlhrt werden damit ihre Optik die Sonnenstrah-lung auf die Zellen buumlndeln kann Zusaumltzlicher Effekt derLichtkonzentration ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wir-kungsgrades da die Leerlaufspannung ansteigt Die US-Energiebehoumlrde hat mit dieser Technik Wirkungsgradevon uumlber 40 erreicht[41][42]

33 Mehrfachsolarzellen

rarr Hauptartikel Tandem-Solarzelle

Mehrfachsolarzellen bestehen aus zwei oder mehr So-larzellen mit verschiedenem Material die monolithisch

uumlbereinander geschichtet sind Zweck dieser Anord-nung ist es den Wirkungsgrad der gesamten Anordnungzu erhoumlhen Die Wirkungsgrade bei Labormustern vonTandem-Konzentratorsolarzellen erreichten 2008 und2009 uumlber 40 So wurde am Fraunhofer Institut fuumlrSolare Energiesysteme ISE mit einer Mehrfachsolarzel-

le und 454-facher Konzentration ein Wirkungsgrad von411 erzielt[43]

34 Elektrochemische Farbstoff-Solarzelle

rarr Hauptartikel Graumltzel-Zelle

Bei Farbstoffsolarzellen auch bekannt als Graumltzel-Zellenwird der Strom anders als bei den bisher aufgefuumlhrtenZellen uumlber die Lichtabsorption eines Farbstoffes gewon-nen als Halbleiter kommt Titandioxid zum Einsatz Als

Farbstoffe werden hauptsaumlchlich Komplexe des seltenenMetalls Ruthenium verwendet zu Demonstrationszwe-cken koumlnnen aber selbst organische Farbstoffe zum Bei-spiel der Blattfarbstoff Chlorophyll oder Anthocyane (ausBrombeeren) als Lichtakzeptor verwendet werden (die-se besitzen jedoch nur eine geringe Lebensdauer) DieFunktionsweise der Zelle ist noch nicht im Detail geklaumlrtdie kommerzielle Anwendung gilt als recht sicher ist aberproduktionstechnisch noch nicht in Sicht

Konventionelle n-Typ-Farbstoffsolarzellen arbeiten miteiner Photoanode einer positiven Elektrode die mit ei-nem n-Halbleiter zB Titandioxid und einem Farbstoff

beschichtet ist Trifft Licht darauf werden die Farbstoff-molekuumlle angeregt und setzen Elektronen frei Ein Re-doxmediator der als Bestandteil des Elektrolyten zwi-schen den Elektroden frei beweglich ist regeneriert denFarbstoff Beim p-Typ (p-DSC p-dye-sensitized solarcell) laumluft der Prozess genau entgegengesetzt Ein spezi-eller Farbstoff und ein p-Halbleiter befinden sich auf ei-ner Photokathode Der durch Licht angeregte Farbstoffsaugt Elektronen aus dem Valenzband des p-HalbleiterszB Nickeloxid heraus Das uumlblicherweise eingesetz-te System aus Iodid und Tri-Iodid ersetzten Wissen-schaftler der Monash University der Commonwealth Sci-

entific and Industrial Research Organization (Australi-en) und der Universitaumlt Ulm durch den Kobalt-KomplexTris(12-diaminoethan)cobalt(IIIII) bei dem das Ko-balt zwischen den Oxidationsstufen +2 und +3 wech-seln kann Zellen auf dieser Basis erreichen dabei einehoumlhere Energieumwandlungseffizienz Ein weiterer An-satz um die Leistung von photovoltaischen Zellen zusteigern ist die Kombination einer n- und einer p-Typ-Farbstoffsolarzelle zu einer Tandem-Solarzelle[44]

35 Organische Solarzellen

rarr Hauptartikel Organische SolarzelleEine organische Solarzelle ist eine Solarzelle die aus

Werkstoffen der organischen Chemie besteht d h aus

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12 3 ANDERE SOLARZELLENTYPEN

Ein kommerziell erhaumlltliches flexibles Modul einer polymeren or- ganischen Solarzelle

Kohlenwasserstoff-Verbindungen (Kunststoffen) Diese

Verbindungen haben elektrisch halbleitende Eigenschaf-ten Der Wirkungsgrad mit dem Sonnenenergie inelektrische Energie umgewandelt wird liegt mit 120 (Stand Januar 2013)[45] noch unterhalb von dem von So-larzellen aus anorganischem Halbleitermaterial Organi-sche Solarzellen bzw Plastiksolarzellen wie sie auch ge-nannt werden sind aufgrund der Moumlglichkeiten hinsicht-lich guumlnstiger und vielseitiger Herstellungsverfahren einaktuelles Forschungsthema Die von den Herstellern die-ser Zellen auf Kunststoffbasis genannten Vorteile gegen-uumlber herkoumlmmlichen Siliciumsolarzellen sind

bull

Geringe Herstellungskosten aufgrund billiger Pro-duktionstechnologien

bull Hohe Stromausbeuten durch Duumlnnschicht-Groszligflaumlchentechnologien fuumlr Kunststoffe

bull Flexibilitaumlt Transparenz und einfache Handhabung(mechanische Eigenschaften von Kunststoffen)

bull Hohe Umweltvertraumlglichkeit (Kunststoffe auf Koh-lenstoffbasis)

bull Anpassung an das Sonnenspektrum durch gezieltePolymersynthese

bull bdquoBunteldquo Solarzellen fuumlr architektonische Stilele-mente

Im Vergleich zu den ersten organischen Solarzellen wur-den inzwischen viele Fortschritte erzielt

Das Material fuumlr diesen Solarzellentyp basiert auf or-ganischen Kohlenwasserstoffverbindungen mit spezifi-scher elektronischer Struktur dem konjugierten π-Elektronensystem welches den betreffenden Materiali-en die wesentlichen Eigenschaften amorpher Halblei-ter verleihen Typische Vertreter organischer Halbleitersind konjugierte Polymere und Molekuumlle wobei auch

speziell synthetisierte Hybridstrukturen verwendet wer-den Die ersten Kunststoffsolarzellen die aus konju-gierten Polymeren (Elektronendonatoren) und Fullerenen

(Elektronenakzeptoren) hergestellt wurden waren Zwei-Schicht-Solarzellen Diese Zellen bestehen aus einer duumln-nen Schicht des konjugierten Polymers auf die eineweitere duumlnne Schicht von Fullerenen aufgebracht wirdAus technologischer Sicht stellen konjugierte Polyme-re und funktionalisierte Molekuumlle auf Grund ihrer Pro-

zessierbarkeit aus der Fluumlssigphase attraktive Basisma-terialien fuumlr die kostenguumlnstige Massenproduktion flexi-bler PV-Elemente mit vergleichsweise einfacher Strukturdar Molekulare Halbleiter hingegen werden uumlblicherwei-se in vakuumgestuumltzten Aufdampfprozessen zu wohlde-finierten Mehrschichtsystemen verarbeitet und lassen dieHerstellung sequentiell abgeschiedener Halbleiterschich-ten und somit komplexere Zelltypen (z B Tandemzellen)zu

Die organische Photovoltaik (OPV) hat das technologi-sche Potenzial als sogenannte bdquoLow-cost Energy SourceldquoEinzug in die mobile Stromversorgung zu halten Dies

auch aufgrund der kostenguumlnstigen Massenfertigung aufBasis etablierter Druckverfahren Damit koumlnnte mit derorganischen Photovoltaik ein neuer Anwendungsbereicherschlossen werden bei gleichzeitig niedrigen Investiti-onskosten Die Firma Konarka Technologies GmbH inNuumlrnberg hatte 2009 erste organische Kollektoren fuumlrMobilgeraumlte auf den Markt gebracht[46]

36 Hybrid-Solarzelle

Eine Hybridsolarzelle ist eine Solarzelle die organischeund anorganische Bestandteile enthaumllt[47]

37 Fluoreszenz-Zelle

Fluoreszenz-Zellen sind Solarzellen die zunaumlchst in ei-ner Platte durch Fluoreszenz Licht groumlszligerer Wellenlaumlngeerzeugen um dieses an den Plattenkanten zu wandeln

38 Thermische Photovoltaik-Zellen(TPV)

Unter dem Namen Thermische Photovoltaik-Zellen(TPV) werden Zellen auf Basis von InP (fruumlher GaSb)verstanden die nicht Sonnenlicht verwerten sondernWaumlrmestrahlung also Licht wesentlich houmlherer Wel-lenlaumlnge Der Wirkungsgrad wurde dabei durch neuereArbeiten[48] bis auf 12 gesteigert (vorher maximal 9) Eine potentielle Anwendung solcher Zellen waumlre

die Verwertung von Waumlrme wie sie bei groszligtechnischenAnwendungen in groszligen Mengen entsteht und die bishermit zusaumltzlichem Aufwand entsorgt werden muss

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13

4 Geschichte

rarr Hauptartikel Geschichte der Photovoltaik

Die Nutzung der Sonne zur Gewinnung von elektrischerEnergie kann man grob in das Jahr 1839 datieren DerFranzose Alexandre Edmond Becquerel stellte fest dasseine Batterie wenn man sie dem Sonnenlicht aussetzteine houmlhere Leistung hat als ohne Sonnenlicht Er nutz-te den Potentialunterschied zwischen einer verdunkeltenund einer belichteten Seite einer chemischen Loumlsung indie er zwei Platinelektroden eintauchte Als er nun die-se Konstruktion in die Sonne stellte beobachtete er dassein Strom zwischen den zwei Elektroden entstand So ent-deckte er den photovoltaischen Effekt konnte ihn aller-dings noch nicht erklaumlren Spaumlter wies man nach dassauch andere Materialien wie Kupfer photoleitfaumlhig sind

Die Photoleitfaumlhigkeit wurde bei Selen 1873 nachgewie-sen Zehn Jahre spaumlter wurde die erste bdquoklassischeldquo Pho-tozelle aus Selen gefertigt Wiederum zehn Jahre spaumlter1893 wurde die erste Solarzelle zur Erzeugung von Elek-trizitaumlt gebaut

1904 entdeckte der oumlsterreichisch-ungarische PhysikerPhilipp Lenard dass Lichtstrahlen beim Auftreffen aufbestimmte Metalle Elektronen aus deren Oberflaumlche her-ausloumlsen und lieferte damit die ersten Erklaumlrungen fuumlrdenEffekt der Photovoltaik Ein Jahr spaumlter erhielt er den No-belpreis fuumlr Physik fuumlr die Erforschung des Durchgan-ges von Kathodenstrahlen durch Materie und fuumlr seineElektronentheorie Den endguumlltigen Durchbruch schaffte1905 Albert Einstein als er mit Hilfe der Quantentheo-rie die gleichzeitige Existenz des Lichtes sowohl als Welleals auch als Teilchen erklaumlren konnte Bis dahin glaubteman dass Licht nur als eine Energie mit unterschiedlicherWellenlaumlnge auftritt Doch Einstein stellte in seinen Ver-suchen die Photovoltaik zu erklaumlren fest dass sich Lichtin manchen Situationen genauso wie ein Teilchen verhaumlltund dass die Energie jedes Lichtteilchens oder Photonsnur von der Wellenlaumlnge des Lichts abhaumlngt Er beschriebdas Licht als eine Ansammlung von Geschossen die aufdas Metall treffen Wenn diese Geschosse genuumlgend En-

ergie besitzen wird ein freies Elektron das sich im Me-tall befindet und von einem Photon getroffen wird vomMetall geloumlst Auszligerdem entdeckte er dass die maxima-le kinetische Energie der losgeloumlsten Elektronen von derIntensitaumlt des Lichtes unabhaumlngig ist und nur durch dieEnergie des auftreffenden Photons bestimmt wird DieseEnergie haumlngt wiederum nur von der Wellenlaumlnge (oderder Frequenz) des Lichtes ab Fuumlr seine Arbeit zum pho-toelektrischen Effekt erhielt er 1921 den Nobelpreis fuumlrPhysik

Die Entdeckung des p-n-Uumlbergangs (Kristallgleichrich-ters) im Jahre 1947 durch William B Shockley Walther

H Brattain und John Bardeen war ein weiterer groszligerSchritt zur Solarzelle in ihrer heutigen Form Nach die-sen Entdeckungen stand dem Bau einer Solarzelle in ih-

rer heutigen Form nichts mehr entgegen Es ist jedocheinem gluumlcklichen Zufall zu verdanken dass diese ersteSolarzelle 1954 in den Laboratorien der amerikanischenFirma Bell gebaut wurde Die Mitarbeiter der Firma (un-ter Teamleiter Morton Price) beobachteten als sie einenGleichrichter der mit Hilfe von Silicium arbeitete un-

tersuchten dass dieser mehr Strom lieferte wenn er inder Sonne stand als wenn er zugedeckt war Bei Bell er-kannte man schnell den Nutzen dieser Entdeckung zurVersorgung des Telefonnetzes von laumlndlichen Regionenmit Strom was bis dahin noch mit Batterien geschah DieFirma Bell genauer Daryl Chapin Calvin Souther Fullerund Gerald Pearson entwickelte 1953 die erste mit Arsendotierte Solarzelle auf Siliciumbasis welche einen Wir-kungsgrad von etwa 4 besaszlig Durch den Wechsel desDotierungsmittels konnte der Wirkungsgrad auf etwa 6 erhoumlht werden

Modell von Vanguard 1

Die Raumfahrt erkannte sehr schnell den Nutzen derSolartechnik und ruumlstete 1958 zum ersten Mal einenSatelliten mit Solarzellen aus Vanguard 1 startete am17 Maumlrz 1958 und war erst der vierte Satellit uumlber-haupt Er besaszlig ein Solarpanel welches mit 108 Silicium-Solarzellen ausgestattet war Diese dienten nur als Lade-

station der Akkus und nicht zur direkten Stromversor-gung Dabei wurde errechnet dass die Zellen einen Wir-kungsgrad von 105 besaszligen Die Konstrukteure hatteneine geringere Energieausbeute und eine kuumlrzere Lebens-dauer angenommen so dass man diesen Satelliten nichtmit einem bdquoAusschalterldquo versehen hatte Erst nach achtJahren stellte der Satellit aufgrund von Strahlenschaumldenseinen Betrieb ein

Kurz darauf entstand die CdS-Cu2S-Solarzelle die bisAnfang der 1990er noch in Satelliten eingesetzt wurdenHeutige Satelliten sind zum Vergleich mit Vanguard I mitrund 40000 Solarzellen ausgestattet

Im Weltraum steht der natuumlrlichen Sonnenstrahlung imVergleich zur Erdoberflaumlche nichts entgegen keine Wol-kendecken und keine Strahlung absorbierende und mehr

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14 5 FORMEN UND GROumlszligEN

oder weniger verschmutzte Atmosphaumlre die das Sonnen-licht behindert Andererseits fuumlhren die extremen Strah-lungsverhaumlltnisse im Weltraum zu einer staumlrkeren Degra-dation der Solarzellen als es auf der Erde der Fall ist Seit-her versuchen Industrie und Forschung immer groumlszligereWirkungsgrade zu erreichen und zugleich die Degradati-

on und Strahlungsresistenz zu verbessern

Grafik Juno vor dem Jupiter

Uumlblicherweise werden Raumsonden im inneren Sonnen-system durch Solarzellen mit Strom versorgt Dadurchdass heutige fuumlr Raumfahrtzwecke verwendete Solarzel-len nicht nur 50 effizienter sondern auch strahlungs-resistenter als die noch vor 20 Jahren verwendeten Sili-

ciumzellen sind[49] kann im Jahr 2011 die RaumsondeJuno als erste mit Solarzellen ausgeruumlstete Raumsondezum in Strahlung getauchten Planeten Jupiter starten

Durch die Verwendung reineren Siliciums und bessererDotierungsmoumlglichkeiten wurde der Wirkungsgrad ge-steigert und die Lebensdauer erhoumlht Mandelkorn undLamneck verbesserten die Lebensdauer der Zellen 1972durch eine Reflexion der Minoritaumltsladungstraumlger in demsie ein sogenanntes back surfaces field (BSF) in die p-leitende Schicht einbrachten 1973 stellten Lindmayerund Ellison die sog violette Zelle vor die bereits ei-nen Wirkungsgrad von 14 besaszlig Durch das Reduzie-

ren des Reflexionsvermoumlgens wurde 1975 der Wirkungs-grad auf 16 gesteigert Diese Zellen heiszligen CNR-Solarzellen (englisch Comsat Non Reflection Comsat =Telefonsatellit ) und wurden fuumlr Satelliten entwickelt In-zwischen sind von Green sowie an der Stanford Univer-sitaumlt und bei Telefunken Solarzellen mit Wirkungsgradenum 20 entwickelt worden Der theoretische Wirkungs-grad fuumlr Silicium-Solarzellen liegt bei 29 fuumlr die Strah-lungsverhaumlltnisse in mittleren Breiten Zu den Wirkungs-graden siehe auch technische Merkmale

Maszliggeblicher Anstoszlig fuumlr diese Entwicklung war Anfangder Siebziger die Vervierfachung des Oumllpreises Nach

dieser Preissteigerung rief Richard Nixon 1974 ein For-schungsprogramm ins Leben welches sich mit regenera-tiven Energien auseinandersetzte Bis dahin kostete jedes

Watt 200 Dollar und war somit nicht konkurrenzfaumlhigUm die Akzeptanz und das Vertrauen bei der Bevoumllke-rung zu gewinnen wurden Anfang der 1980er Rennenmit Solarmobilen ausgetragen und im Juli 1981 uumlber-querte ein mit Solarkraft angetriebenes Flugzeug den Aumlr-melkanal

Duumlnnschichtmodule aus amorphenSilicium ermoumlglichtendie autonome Versorgung von Taschenrechnern Uhrenund anderen Kleinverbrauchern

Module mit kristallinen Zellen wurden zunaumlchst fuumlr Insel-Systeme mit 12 V Systemspannung auf der Basis einerBleibatterie genutzt Ab 1990 begann in Deutschland mitdem 1000-Daumlcher-Programm der groszligflaumlchige Einsatz innetzgekopplten Systemen

Bis gegen Ende der 1990er Jahre waren Zellen mit et-wa 100 mm Kantenlaumlnge (im Fachjargon auch Vier-Zoll-Zellen genannt) und 36 Zellen pro Modul fuumlr 12-V-

Systeme die uumlblichste Baugroumlszlige Danach wurden 125-mm-Zellen (5rdquo) verstaumlrkt fuumlr Module mit 72 Zellen fuumlr 24V Systemspannung genutzt und seit etwa 2002 sind 156-mm-Zellen (Kantenlaumlnge 156 mm bzw 6 Zoll) fuumlr Stan-dardmodule mit typisch 60 Zellen die gaumlngige Groumlszlige[50]

Versuche zur Einfuumlhrung von 8-Zellen wurden abge-brochen da die mechanische Stabilitaumlt eine Erhoumlhungder Waferdicke und damit des Materialeinsatzes erfor-dert haumltte

Ab 2007 konnten Duumlnnschichtmodule mit Zellen aus Cd-Te der Firma FirstSolar einen Preisrutsch fuumlr Solarmo-dule ausloumlsen Werke fuumlr Module mit CIS- und CIGS-

Zellen wurden aufgebaut Aber seit 2012 haben Moduleaus kristallinem Silicium gefertigt in China mit ihremKostenvorteil zusammen mit der inzwischen gesichertenVersorgung mit ausreichend Rohsilicium den Markt er-obert

5 Formen und Groumlszligen

Zu Beginn der Kommerzialisierung der Solartechnikwurden haumlufig runde Zellen eingesetzt deren Ursprung

von den meist runden Siliciumstaumlben der Computerin-dustrie herruumlhrt Inzwischen ist diese Zellenform relativselten und es werden quadratische Zellen oder fast qua-dratische mit mehr oder weniger abgeschraumlgten Eckeneingesetzt Als Standardformate werden derzeit Wafermit einer Kantenlaumlnge von 125 und 156 mm prozessiertkuumlnftig sollen aber auch Zellen mit einer Kantenlaumlnge von210 mm Bedeutung erlangen

Durch Saumlgen der fertig prozessierten Zellen entstehen fuumlrspezielle Anwendungen im Kleingeraumltebereich auch Zel-len mit kleineren Kantenlaumlngen Sie liefern annaumlhernd diegleiche Spannung wie die groszligen Zellen jedoch entspre-

chend der kleineren Flaumlche einen kleineren StromIm EFG-Verfahren werden auch Zellen hergestellt beidenen die Seiten des entstehenden Rechtecks nicht die

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61 Thermodynamisches Limit I 15

gleichen Laumlngen haben

6 Wirkungsgrad

Vergleich der praktisch erzielbaren Wirkungsgrade verschie-

dener Solarzellen und deren zeitliche Entwicklung Die vio-letten Kurven im oberen Bereich stellen sogenannte Tandem-Solarzellen eine Kombination verschiedener pn-Uumlbergaumlnge dar

Der Wirkungsgrad η einer Solarzelle ist das Verhaumlltnisder von ihr erzeugten elektrischen Leistung P elektrisch undder Leistung der einfallenden Strahlung P Licht

η = P elektrisch

P Licht

Der maximale Wirkungsgrad η einer Solarzelle ist vom

Bandabstand und der Anzahl der auf verschiedene Spek-tralbereiche optimierten pn-Uumlbergaumlnge abhaumlngig Bei ei-nem pn-Uumlbergang ist bei optimalem Bandabstand unddarauf in der Wellenlaumlnge abgestimmtem Licht theo-retisch ein Wirkungsgrad von bis zu 41 erzielbarIn praktischen Anwendungen liegen tatsaumlchlich erziel-bare Wirkungsgrade um und unter 25 Bei Tandem-Solarzellen welche durch mehrere unterschiedliche pn-Uumlbergaumlnge groumlszligere Spektralbereiche abdecken koumlnnenkoumlnnen die Gesamtwirkungsgrade aller pn-Uumlbergaumlnge inSumme auch uumlber der theoretischen Grenze von 41 liegen

Der Rekord fuumlr im Labor hergestellte Silicium-Solarzellen liegt bei 247 Prozent (University of NewSouth Wales Australien) mit denen Module mit uumlber22 Prozent Wirkungsgrad hergestellt wurden DieDegradation des Wirkungsgrades (Alterungsverhalten)liegt bei ca 10 Prozent in 25 Jahren Hersteller gebenbeispielsweise Garantien auf mindestens 80 Prozent derPeak-Leistung nach 20 Jahren

Im Weltraum ist einerseits die Solarkonstante groumlszliger alsdie Globalstrahlung auf der Erde andererseits altern dieSolarzellen schneller Solarpanele fuumlr Satelliten erreichenzur Zeit (2005) einen Wirkungsgrad von fast 25 [51] bei

einer Betriebszeit von 15 JahrenEin hoher Wirkungsgrad ist erstrebenswert weil er beigleichen Lichtverhaumlltnissen und gleicher Flaumlche zu einer

groumlszligeren Ausbeute an elektrischem Strom fuumlhrt Fuumlr jedeMaschine die auf der Erde aus Sonnenlicht oder auf an-dere Weise mechanische oder elektrische Arbeit erzeugt(z B Aufwindkraftwerke Stirlingmotoren etc) gilt einthermodynamisches Limit

61 Thermodynamisches Limit I

Die groumlbste Abschaumltzung des Wirkungsgrades erhaumllt mandurch den Carnot-Wirkungsgrad Er beschreibt den ma-ximalen Wirkungsgrad den eine beliebige physikalischeMaschine erreichen kann wenn sie ihre Energie aus derTemperaturdifferenz von zwei Waumlrmebaumldern beziehtDer Carnot-Wirkungsgrad ergibt sich aus der Tempera-tur T warm des waumlrmeren Bades und der Temperatur T kalt

des kaumllteren Bades gemaumlszlig

η = 1 minusT kalt

T warm

Im Falle der Solarzelle ist das waumlrmere Energiebaddie Sonnenoberflaumlche mit einer Temperatur von etwa5800 K und das kaumlltere Bad die Solarzelle mit einerTemperatur von 300 K Daraus ergibt sich ein Carnot-Wirkungsgrad von 95 Im Weltraum genutzte Solarzel-len haben infolge der houmlheren Temperaturdifferenz ent-sprechend houmlhere Wirkungsgrade

62 Thermodynamisches Limit II

Die Abschaumltzung im obigen Abschnitt vernachlaumlssigtdass die Energie von der Sonne zur Solarzelle durchStrahlung uumlbertragen wird In einem ausfuumlhrlicheren Mo-dell setzt man vor die Solarzelle einen Absorber Dieserabsorbiert die Strahlung der Sonne und strahlt selber ei-nen kleinen Teil der Waumlrmestrahlung wieder an die Sonneab Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz flieszligt somit ins-gesamt die Waumlrmeleistung

σT 4Sonne minus σT 4Absorber

von der Sonne zum Absorber wobei σ die Stefan-Boltzmann-Konstante ist Nach dem Carnot-Wirkungsgrad kann der Absorber von dieser Waumlrme nurden Anteil

1 minusT Solarzelle

T Absorber

in elektrische Arbeit uumlberfuumlhren Der Wirkungsgrad be-stimmt sich nun aus diesem Anteil und der gesamten vonder Sonne abgestrahlten Leistung σT 4Sonne zu

η =

9830801 minus

T 4Absorber

T 4Sonne

983081 middot

9830801 minus

T Solarzelle

T Absorber

983081

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16 7 TECHNISCHE MERKMALE

Bei einer Temperatur von 5800 K fuumlr die Sonnenober-flaumlche und 300 K Umgebungstemperatur wird der Wir-kungsgrad bei einer Absorbertemperatur von etwa 2500K maximal und betraumlgt 85 [57]

63 Shockley-Queisser-Grenze

0 1 2 30

10

20

30

m a

x

W i r k u n g s g r a d i n

Bandabstand in eV

Maximaler Wirkungsgrad als Funktion des Bandabstandes wiees die Shockley-Queisser-Grenze beschreibt

rarr Hauptartikel Shockley-Queisser-Grenze

Die Shockley-Queisser-Grenze betrachtet den fuumlr Solar-zellen typischen Anregungsprozess von Elektronen in ei-nem Halbleiter In einer Solarzelle wird dadurch Licht in

elektrische Energie umgewandelt dass das Licht Elek-tronen aus dem Valenzband in das Leitungsband anregtNur ein schmaler Ausschnitt des angebotenen Energie-spektrums wird genutzt Der theoretische Grenzwert en-ergieselektiver Zellen ist deshalb kleiner als das thermo-dynamische Limit eines Gesamtsystems

Entscheidend fuumlr die Energie die man pro angeregtemElektron gewinnen kann ist dabei die Groumlszlige der Bandluuml-cke E g des Halbleiters Unabhaumlngig davon wie weit dasElektron uumlber die untere Kante des Leitungsbandes an-geregt wird erhaumllt man pro Elektron maximal die Ener-gie der Bandluumlcke als elektrische Energie Bei der elektri-

schen Leistung die man aus allen angeregten Elektronengewinnt muss man beruumlcksichtigen dass bei einer klei-nen Bandluumlcke mehr Elektronen erzeugt werden Bei ei-ner groszligen Bandluumlcke hat jedes einzelne Elektron dafuumlrmehr Energie Es muss daher ein Kompromiss aus fol-genden Grenzfaumlllen gefunden werden

bull Groszlige Bandluumlcke Nur energiereiches Licht (blauesund ultraviolettes Licht) kann Elektronen erzeugenda laumlngere Wellenlaumlngen nicht absorbiert werdenWegen der groszligen Bandluumlcke besitzt jedes Elektroneine hohe Energie

bull Kleine Bandluumlcke Auch langwelliges Licht kannElektronen anregen so dass insgesamt viele Elektro-

nen ins Leitungsband angeregt werden Diese ver-lieren jedoch durch Stoszligprozesse mit dem Kristall-gitter in wenigen hundert Femtosekunden einen Teilihrer Energie bis sie nur noch die Energie der Band-luumlcke besitzen

Die Shockley-Queisser-Grenze gilt fuumlr den Fall einer Zel-le mit nur einem pn-Uumlbergang Mit sogenanntenTandem-Solarzellen (englisch multi-junction solar cell ) in de-nen mehrere pn-Uumlbergaumlnge mit verschiedenen Band-luumlcken kombiniert sind koumlnnen prinzipiell auch houml-here Wirkungsgrade erreicht werden siehe AbschnittMehrfachsolarzellen

7 Technische Merkmale

Die Kenngroumlszligen einer Solarzelle werden fuumlr normierteBedingungen die Standard-Testbedingungen haumlufig ab-gekuumlrzt STC (englisch Standard Test Conditions ) angege-ben

bull Einstrahlungsstaumlrke von1000 Wmsup2in Modulebene

bull Temperatur der Solarzelle 25 degC konstant

bull Strahlungsspektrum AM 15 global DIN EN 61215IEC 1215 DIN EN 60904 IEC 904

Dabei steht AM 15 global fuumlr den Begriff Air Mass die

15 dafuumlr dass die Sonnenstrahlen das 15-fache der At-mosphaumlrenhoumlhe durchlaufen weil sie schraumlg auftreffenDas entspricht sehr gut den sommerlichen Gegebenhei-ten in Mitteleuropa von Norditalien bis MittelschwedenIm Winter steht die Sonne in unseren Breiten erheblichtiefer und ein Wert von AM 4 bis AM 6 ist hier realisti-scher

Durch die Absorption in der Atmosphaumlre verschiebt sichauch das Spektrum des auf das Modul treffenden Lich-tes bdquoGloballdquo steht fuumlr Globalstrahlung die sich aus demDiffus- und dem Direktstrahlungsanteil der Sonne zusam-mensetzt

Dabei ist zu beachten dass in der Realitaumlt insbesonderedie Zellentemperatur bei einer solchen Einstrahlung diein Deutschland im Sommer zur Mittagszeit erreicht wirdbei normalem Betrieb wesentlich houmlher liegt (je nach An-bringung Windanstroumlmung etc kann sie zwischen etwa30 und 60 degC liegen) Eine erhoumlhte Zellentemperatur be-deutet aber gleichzeitig einen herabgesetzten Wirkungs-grad der Solarzelle Aus diesem Grund wurde auch eineweitere Bezugsgroumlszlige geschaffen PNOCT die Leistungbei normaler Betriebstemperatur (normal operating celltemperature)

Gebraumluchliche Abkuumlrzungen fuumlr die Bezeichnungen sind

bull SC Short Circuit ndash Kurzschluss

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71 Schaltbilder 17

Stromstaumlrke I Leistung P

e r z e u g

t e L e i s

t u n g

Spannung U

o h

n e

B e l e

u c h t u

n g

m i t

B e l e

u c h t u

n g

Kurzschluszligstrom

Leerlaufspannung

Punkt maximaler

Leistung

oc

I

I

mp UU

mp

sc

Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzelle beleuchtet und un-beleuchtet

bull OC Open Circuit ndash Leerlauf

bull MPP Maximum Power Point ndash Betriebspunkt ma-ximaler Leistung

bull PR Performance Ratio Qualitaumltsfaktor der an-gibt welcher Teil des vom Solargenerator erzeug-ten Stromertrages (unter Nennbedingungen) real zurVerfuumlgung steht

Die Kennwerte einer Solarzelle sind

bull Leerlaufspannung U OC (auch V OC )

bull Kurzschlussstrom I SC

bull Spannung im bestmoumlglichen Betriebspunkt U MPP

(auch V MPP )

bull Strom im Betriebspunkt mit maximaler LeistungI MPP

bull Maximale erzielbare Leistung P MPP Solarzellenher-steller geben diese unter standardisierten Bedin-gungen maximal erzielbare Leistung in der Einheit

kWp sprich bdquoKilowatt-Peakldquo an

bull Fuumlllfaktor F F = PMPPU OCmiddotI SC

bull Koeffizient fuumlr die Leistungsaumlnderung mit der Zell-temperatur

bull Zellwirkungsgrad η = P MPPAmiddotE e

mit der bestrahlten Flauml-che A und der Bestrahlungsstaumlrke E e

Solarzellen koumlnnen also eine Leistung von sehr grob 160Wmsup2 abgeben Eingebaut in ein Modul ist die Leistung

pro Flaumlche geringer da zwischen den Zellen und zumModulrand Abstaumlnde vorhanden sind Im Weltraum wirdeine Leistung von 220 Watt pro Quadratmeter erzielt[58]

Schaltsymbol einer Fotodiode

Schaltzeichen und einfaches Ersatzschaltbild einer Solarzelle

71 Schaltbilder

Das Schaltsymbol einer Solarzelle gibt wie das Schalt-symbol einer Diode oder Photodiode mit einem Pfeil

die technische Stromrichtung zur Verschaltung an DerKennlinienverlauf einer realen Solarzelle weicht aller-dings von der einer idealen Fotodiode ab Um die-se Abweichungen zu modellieren existieren mehrereErsatzschaltbilder

711 Vereinfachtes Ersatzschaltbild

Das Schaltbild besteht zunaumlchst nur aus einerStromquelle die parallel zu einer idealen Diode ge-schaltet wird Diese produziert einen Strom der vonder Bestrahlungsstaumlrke abhaumlngt und den Photostrom I ph

modelliert Die Gesamtstromstaumlrke ergibt sich damit mitdem Diodenstrom I D (siehe Diode) zu

I = I ph minus I D = I ph minus I S

983131e

U DnmiddotU T minus 1

983133

712 Erweitertes Ersatzschaltbild (Ein- undZweidiodenmodell)

Das erweiterte Ersatzschaltbild nimmt Ruumlcksicht auf rea-le Faktoren des Bauelementes die durch die Fertigung

entstehen Mit diesen Modellen soll ein moumlglichst rea-listisches Modell der tatsaumlchlichen Solarzelle geschaffenwerden Beim Eindiodenmodell wird so das vereinfach-

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18 9 UMWELTSCHUTZ

Eindiodenmodell einer Solarzelle

te Ersatzschaltbild zunaumlchst nur durch einen parallel undeinen in Reihe geschalteten Widerstand ergaumlnzt

bull Der Parallelwiderstand Rp symbolisiertKristallfehler nichtideale Dotierungsverteilungenund andere Materialdefekte durch dieVerluststroumlme entstehen die den p-n-Uumlberganguumlberbruumlcken Bei Solarzellen aus guter Herstellungist dieser Widerstand relativ groszlig

bull Mit dem Serienwiderstand Rs werden alle Effektezusammengefasst durch die ein houmlherer Gesamtwi-derstand des Bauelementes entsteht Das sind haupt-saumlchlich der Widerstand des Halbleitermaterials derWiderstand an den Kontakten und der ZuleitungenDiese Groumlszlige sollte bei gefertigten Solarzellen moumlg-lichst gering sein

Die Formel fuumlr den Gesamtstrom ist fuumlr dieses Modellbereits eine rekursive Funktion und lautet

I = I phminusI dminusU p

Rp= I phminusI S

983131eU +RsmiddotInmiddotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

Beim Uumlbergang zum Zweidiodenmodell fuumlgt man ei-

Zweidiodenmodell mit spannungsgesteuerter Stromquelle fuumlr denLawinendurchbruch in Sperr-Richtung

ne weitere Diode mit einem anderen Idealitaumltsfaktor nein Normalerweise werden diese uumlber die Werte 1 und2 angesetzt Weiterhin lassen sich alle diese Modellebei Betrieb in Sperr-Richtung durch eine spannungsge-steuerte Stromquelle ergaumlnzen um den Lawinendurch-bruch zu modellieren Die Formeln fuumlr die Stroumlme beim

Zweidiodenmodell lauten dann bei Anpassungsleitwert g Durchbruchspannung U und Lawinendurchbruchex-ponent n

I = I phminusI bminusI S1

983131eU +RsmiddotIn1middotU T minus 1

983133minusI S2

983131eU +RsmiddotIn2middotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

I b = gb middot

(U + Rs middot I )

Rpmiddot983080

1 minus

U + Rs middot I

U b983081minusnb

8 Energetische Amortisation undErntefaktoren

Siehe auch Erntefaktor

Die energetische Amortisationszeit ist der Zeitpunkt zudem die fuumlr die Herstellung einer Photovoltaikanlage auf-gewandte Primaumlrenergie durch selbige wieder erzeugt

wurde Da die bei der Produktion genutzte elektrischeEnergie zu den Sekundaumlrenergien zaumlhlt wird diese mitdem Wirkungsgrad eines fossilen Kraftwerkes in Pri-maumlrenergie umgerechnet Dementsprechend erfolgt dieseUmrechnung auch bei der erzeugten elektrischen Energieder Solarzelle Analog kann man sich vorstellen dass diePhotovoltaikanlage den Strom aus einem konventionellenKraftwerk ersetzt[59]

Die energetische Amortisationszeit von Photovoltaikan-lagen betraumlgt derzeit (Stand 2013) nach einer Studie vonPeng et al global betrachtet zwischen 075 und 35 Jah-ren je nach Standort und verwendeter Photovoltaiktech-

nologie Der Mittelwert schwankt im Bereich von ca15 bis 25 Jahren Dies bedeutet in diesem Zeitraumhat die Photovoltaikanlage wieder die Energie hereinge-spielt die insgesamt waumlhrend ihres gesamten Lebenszy-klus verbraucht wurde Beruumlcksichtigt sind also die Her-stellung der Anlagen ihr Transport die Errichtung Be-trieb und der Ruumlckbau bzw Recycling Die rechnerischenCO2-Emissionen von Photovoltaikanlagen je nach Tech-nik und Standort zwischen 105 und 50 g CO2kWh mitDurchschnitten im Bereich 35 bis 45 g CO2kWh AlsLebensdauer wurde in der Studie 30 Jahre fuumlr Moduleauf Basis kristalliner Siliciumzellen und 20-25 Jahren fuumlr

Duumlnnschichtmodule angenommen fuumlr Lebensdauer derWechselrichter wurden 15 Jahre angenommen[60] Photo-voltaikanlagen liefern demnach waumlhrend ihrer Betriebs-zeit ein Vielfaches der Energie die zu ihrer Herstellungurspruumlnglich aufgewandt wurde

9 Umweltschutz

Die Herstellung photovoltaischer Solarzellen ist ein che-mischer Prozess bei dem gasfoumlrmige fluumlssige und fes-te Chemikalien zum Einsatz kommen die gesundheits-

und umweltschaumldlich sind Aus diesem Grund ist ein ho-her Standard der Prozesssicherheit zentral Unter Ar-beitsschutzaspekten ist eine sichere Ablufterfassung und

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Reinigung zu gewaumlhrleisten Bei dem Einsatz von Nass-waumlschern wird die Abluft durch ein fluumlssiges Absorpti-onsmedium geleitet Wenn dieses aufgebraucht ist ent-steht eine weitere Abwasserquelle neben den Aumltzloumlsun-gen aus der Produktion Diese muumlssen innerbetrieblichwiederaufbereitet oder spezialisierten Entsorgern uumlber-

geben werden Bei der Herstellung von Duumlnnschicht-halbleitern kommt es an den Waumlnden und Aufbautender Prozesskammer zu siliciumhaltigen AblagerungenDie Ruumlckstaumlnde muumlssen regelmaumlszligig entfernt werden dasie den Prozess stoumlren und zu Qualitaumltseinbuszligen fuumlh-ren Zum Entfernen der Ruumlckstaumlnde verwendet manSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid als Reini-gungsgase Beide Gase sind zwar ungiftig gleichwohlaber sehr starke Treibhausgase[61] In der Zellproduk-tion muumlssen die Reinigungsgase mit hoher Volumen-flussrate eingesetzt werden da sie chemisch sehr sta-bil sind und im Plasma zu weniger als 10 in rei-

nigungsaktive Radikale zerfallen Ein Groszligteil des Ga-ses bleibt somit ungenutzt und muss kostenintensiv ent-sorgt werden Zum Teil entweicht es ndash gewollt oder un-gewollt ndash direkt in die Umwelt Hieraus erklaumlrt sichu a auch der kuumlrzlich gemessene starke Anstieg derStickstofftrifluoridkonzentration in der Hochatmosphauml-re besonders uumlber Ost- und Suumldostasien An Stelle vonSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid kann auchdas sehr reaktive Halogen Fluor als Reinigungsgas ver-wendet werden Fluor ist sehr giftig es ist jedoch keinTreibhausgas Auszligerdem laumlsst es sich sehr leicht undruumlckstandsfrei aus Abgasstroumlmen entfernen

Einige Solarzelltypen verwenden anstelle von SiliciumStoffe wie z B toxisches oder karzinogenes CadmiumArsen bzw deren Verbindungen sowie Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid Ein typisches Cadmiumtellurid-Solarmodul enthaumllt zum Beispiel ca 22 g des gefaumlhrli-chen Schwermetalls Cadmium und 25 g Tellur pro msup2Zellflaumlche[62] Bei der Produktion werden beide Sub-stanzen durch Co-Verdampfung auf das Traumlgermaterialaufgebracht Die Co-Verdampfung ist ein ungerichteterProzess bei dem die gesamte Innenoberflaumlche derBeschichtungskammer mit Duumlnnschichten aus TellurCadmiumtellurid Cadmiumsulfid und Antimontelluriduumlberzogen werden Der Materialverbrauch erhoumlht sich

dadurch um mindestens weitere 40

Bei der regelmaumlszligigen Reinigung der Produktionskam-mer mit waumlssriger Saumlure ndash die Reinigung erfolgt ma-nuell ndash werden die Ruumlckstaumlnde in eine waumlssrige Louml-sung uumlberfuumlhrt Neben der eigentlichen Zellprodukti-on stellt also auch die Reinigung der Produktions-anlagen eine Herausforderung an Umweltschutz undArbeitsschutz dar[63][64][65][66][67] Eine neuere Unter-suchung versucht die geringere Gefaumlhrdung die vonCadmiumtellurid-Zellen im Vergleich zur Kohleverbren-nung ausgeht nachzuweisen[36] Produktionsruumlckstaumln-de und Emissionen koumlnnen zu Langzeitschaumlden und

Altlasten fuumlhren Gleiches gilt bei unsachgemaumlszliger Ent-sorgung fuumlr die Altzellen Die Photovoltaik unterschei-

det sich in diesem Aspekt von anderen Technologien zurNutzung regenerativer Energien

10 Sicherheitsbetrachtung

Fuumlr Schutzmaszlignahmen im Brandfall und Blitzeinschlagsiehe Photovoltaikanlage

11 Siehe auch

bull Halbleiterdetektor

bull Sonnensimulator (Photovoltaik)

12 Literatur

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bull Volker Quaschning Regenerative Energiesysteme 8Auflage Hanser Muumlnchen 2013 ISBN 978-3-446-

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bull Viktor Wesselak Thomas Schabbach ThomasLink Joachim Fischer Regenerative Energietech-nik 2 erweiterte und vollstaumlndig neu bearbeite-te Auflage Springer Vieweg Berlin Heidelberg2013 ISBN 978-3-642-24165-9

bull Peter Wuumlrfel Physik der Solarzellen SpektrumAkademischer Verlag Heidelberg 2000 ISBN 3-8274-0598-X (= Spektrum Hochschultaschenbuch)

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20 14 EINZELNACHWEISE

13 Weblinks

Commons Solarzelle ndash Album mit Bildern Videosund Audiodateien

Wikibooks Herstellung von Solarzellen ndash Lern-

und Lehrmaterialien

bull Die Solarmaus ndash Entstehung der Solarzelle mit Ar-min Maiwald (YouTube-Video)

bull PV-Education ndash detaillierte Online-Vorlesung mitGrundlagen und Anwendungen zur PV (englisch)

bull Photovoltaik ndash Innovationen (BINE Informations-dienst)

14 Einzelnachweise

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151 Text

bull Solarzelle Quelle httpdewikipediaorgwikiSolarzelleoldid=138856800 Autoren Fgb RobertLechner Schewek Igelball Aka StefanKuumlhn Lukian Onno Ilja Lorek Head El GNosis Atman Sun Tsor Matthaumlus Wander Seewolf HenrikHolke Honina Pstaudt-fischbachSchusch GDK Migas Paddy Zwobot Kai11 D HaeB ArtMechanic Hadhuey Robbot Pm Anton HaSee Rdb Boehm ZumboDirk33 AndreasB Pietz Soundray Sinn Peter200 Schmiddtchen Fuenfundachtzig Breeze Magadan Fetz Braun Jdiemer StYxXxSebastianWilken Martin-vogel Mnh Ot Aloiswuest MAK Scorpion2211 Gerhardvalentin Jaques AshSert Philipendula STephanKambor Koerpertraining Nicolas PeeCee Duesentrieb AHZ Hendric Stattmann Kristjan Ri st Hafex Norro Cepheiden Christoph-Demmer Fubar Ckeen DasBee Silberchen iexcl0-8-15 1-1111 VanGore Mjk Groer Umaluagr Mkuemmerer Wendelin Cyper QdrDundak Liberatus Juesch Kdkeller Greuer Drap Garak76 MartinThoma Udo T Zaungast Stephantom Pelz ML Thorbjoern Hein-te Diba Blech Zahnstein Renekaemmerer He3nry SchorSch Ion Tauwasser Bobbl Rosa Lux Gerbil Ulfbastel Hubertl MrVVooUebel H2h Liberal Freemason Quirin Leonce49 Blaubahn Flominator RedBot Anhi Dein Freund der Baum Wkw1959 So66 Cle-mensfranz OKoslowski Itti Yahp Miaow Miaow Zaphiro Eneldo Onliner Wahldresdner Darok MovGP0 Muck Uwezi Loh SyrcroZweistein12 Olei Dantor Krischan111 Nize Uwe W Georg Slickers Amtiss Roterraecher RajHid STBR Jackalope Ephraim33JFKCom Andimx Suirenn Hydro Pajz Dktz RobotQuistnix Alanmak Euku Xocolatl Hermannthomas Eynre Savin 2005 AbrevFireball TheTruth Bahnemann Segelmaus Harf Jakob5 Zemy Nyneela Schmitty TobiWanKenobi DerHexer WAH Sesc RolandBerger Schlesinger Staro1 Mo4jolo GeorgHH MutluMan Nightflyer Matzematik PeterFrankfurt Tomreplay PortalBot Ing Schrouml-der Walter LKD Juuml Manecke Quelokee Mons Maenalus JoBa2282 Stepa Giessauf A Cellulesolaire Lemberger HillerD RadlfahrerHelfmann Logograph Mion KaiMeier Sepp Roest FabiBerg Flo422 Degreen Rai42 Rfc GruumlneErde Btr FelixP Wdwd PendulinAdipictures HAH Toumlnjes Kaumlpten Balu Andreas 06 Batosai Rex Akribix D-Kuru UnknownID01 Cramunhao BesondereUmstaende

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24 15 TEXT- UND BILDQUELLEN AUTOREN UND LIZENZEN

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Page 7: Solar Zelle

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21 Herstellung aus Siliciumbloumlcken oder -staumlben 7

Silicium-Einkristall zur Waferherstellung hergestellt nach demCzochralski-Verfahren

Trichlorsilan basierenden Prozess polykristallines Reinst-silicium hergestellt Das bis heute (2006) hier angewen-dete Siemens-Verfahren[22] ein CVD-Verfahren wurdeallerdings fuumlr die Mikroelektronik entwickelt und opti-

miert Dort werden zum Teil voumlllig andere Anforderun-gen an die Qualitaumlt des Siliciums gestellt als in der Pho-tovoltaik Fuumlr Solarzellen ist beispielsweise die Reinheit

des Wafers in seiner gesamten Staumlrke wichtig um einemoumlglichst lange Ladungstraumlger-Lebensdauer zu gewaumlhr-leisten In der Mikroelektronik muumlssten dagegen prinzi-piell nur die oberen etwa 20 bis 30 microm hochrein sein Damittlerweile der Verbrauch an hochreinem Silicium fuumlrdie Photovoltaik den Verbrauch in der Mikroelektronik

uumlbertroffen hat wird zur Zeit intensiv an speziellen kos-tenguumlnstigeren und fuumlr die Photovoltaik optimierten Her-stellverfahren fuumlr Solarsilicium gearbeitet

Der gesamte Herstellprozess fuumlr hochreines Silicium istzwar sehr energieaufwendig aber dennoch koumlnnen dieheute verwendeten Solarzellen die fuumlr ihre Produktion er-forderliche Energiemenge ndash je nach Bauart ndash innerhalbvon 15 bis 5 Jahren wieder kompensieren Sie haben al-so eine positive Energiebilanz

Das Reinstsilicium kann auf unterschiedliche Weise wei-terverarbeitet werden Fuumlr polykristalline Zellen kom-

men groumlszligtenteils das Gieszligverfahren das Bridgman-Verfahren und das kantenbegrenzte Bandziehverfahren(EFG-Verfahren vonengl edge-defined film-fed growth)zum Einsatz Monokristalline Zellen werden fast immernach dem Czochralski-Verfahren hergestellt Bei allenVerfahren gilt dass die Dotierung mit Bor (siehe unten)schon beim Herstellen der Bloumlcke (Ingots) beziehungs-weise Staumlbe vorgenommen wird

211 Blockgussverfahren

Dieses Verfahren dient zur Herstellung von polykristalli-

nem Silicium Das Reinstsilicium wird in einem Tiegelmit Hilfe einer Induktionsheizung aufgeschmolzen unddann in eine quadratische Wanne gegossen in der es moumlg-lichst langsam abgekuumlhlt wird Dabei sollen moumlglichstgroszlige Kristallite in den Bloumlcken entstehen Die Kanten-laumlnge der Wanne betraumlgt etwa 50 cm die Houmlhe der er-starrten Schmelze etwa 30 cm Der groszlige Block wird inmehrere kleine Bloumlcke von etwa 30 cm Laumlnge zerteilt

Ein weiteres Gieszligverfahren ist der Strangguss wobei dieMasse schon in der am Ende benoumltigten Staumlrke auf dasTraumlgermaterial aufgebracht wird Der Vorteil ist dass einSaumlgevorgang mit seinen Verlusten entfaumlllt

212 Bridgman-Verfahren

Das Bridgman-Verfahren dient zur Herstellung von po-lykristallinem Silicium[23] und ist nach Percy WilliamsBridgman benannt Es ist nicht zu verwechseln mit derBridgman-Stockbarger-Methode diezur Herstellung vonMonokristallen dient Das Reinstsilicium wird hier eben-falls in einem Tiegel mit Hilfe einer Induktionsheizungbei uumlber 1400 degC aufgeschmolzen Die langsame Abkuumlh-lung der Schmelze bei der sich groszlige Zonen einheitlicherKristalle ausbilden findet hier im gleichen Tiegel statt

Die geheizte Zone wird langsam von unten nach oben imTiegel angehoben so dass sich oben bis zum Schluss fluumls-siges Silicium befindet waumlhrend vom Tiegelboden her

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8 2 TYPEN VON SILICIUM-SOLARZELLEN

das Erstarren erfolgt Hier sind die Kantenlaumlngen etwasgroumlszliger als beim Gieszligverfahren (zumeist Standardgroumlszlige690 mm)[24] die Houmlhe des Blocks betraumlgt etwa 20 bis25 cm Der groszlige Block wird ebenfalls in mehrere kleineBloumlcke von zumeist 156 mm Kantenlaumlnge zerteilt DieserArbeitsschritt wird Brikettieren genannt[25]

213 Czochralski-Verfahren

Das Czochralski-Verfahren wird fuumlr die Herstellung vonlangen monokristallinen Staumlben genutzt Der sogenann-te Impfkristall gibt die Orientierung im Kristall vor Vorder Herstellung der Zellen wird der entstandene Zylindernoch zurechtgeschnitten

214 Zonenschmelzverfahren

Das Zonenschmelzverfahren auch Float-Zone-Verfahrengenannt dient auch der Herstellung monokristalliner Si-liciumstaumlbe Die bei diesem Verfahren erzielte Reinheitist im Normalfall houmlher als fuumlr die Solartechnik benouml-tigt und auch mit sehr hohen Kosten verbunden Deshalbwird diese Technik fuumlr die Solartechnik eher selten be-nutzt Das einzige Unternehmen das Float-Zone-Waferin nennenswerten Mengen fuumlr Solarzellen verwendet istdas US-Unternehmen SunPower

215 Waferherstellung

Die Kristallstaumlbe muumlssen nun mit einemDrahtsaumlgeverfahren in Scheiben die sogenanntenWafer gesaumlgt werden Dabei entsteht aus einem groszligenTeil des Siliciums Saumlgestaub dessen Verwertung ab2013 erforscht wurde [26] Die Dicke der entstehendenScheiben liegt bei etwa 018 bis 028 mm

Eine weitere Quelle fuumlr Wafer war urspruumlnglich der Aus-schuss an Rohlingen fuumlr die Herstellung von integriertenSchaltkreisen der Halbleiterfertigung deren zur Weiter-verarbeitung ungeeigneten Rohlinge als Solarzelle ver-wendet werden

Die monokristallinen Zellen zeichnen sich durch eine ho-mogene Oberflaumlche aus waumlhrend bei den polykristallinenZellen gut die einzelnen Zonen mit verschiedener Kris-tallorientierung unterschieden werden koumlnnen ndash sie bil-den ein eisblumenartiges Muster auf der Oberflaumlche

Im Waferstadium sind Vorder- und Ruumlckseite der Zellenoch nicht festgelegt

216 Waferprozessierung

Die gesaumlgten Wafer durchlaufen nun noch mehrere che-

mische Baumlder um Saumlgeschaumlden zu beheben und eineOberflaumlche auszubilden die geeignet ist Licht einzufan-gen Im NormalfallsinddieWafer schon mit einer Grund-

dotierung mit Bor versehen Diese bewirkt dass es uumlber-schuumlssige Defektelektronen (positive Ladungen) gibt dasheiszligt es koumlnnen Elektronen eingefangen werden Daswird auch p-Dotierung genannt Auf dem Weg zur fer-tigen Solarzelle mit p-n-Uumlbergang muss nun die Oberflauml-che noch eine n-Dotierung bekommen was durch Pro-

zessierung der Zelle in einem Ofen in einer Phosphor-Atmosphaumlre geschieht Die Phosphoratome schaffen ei-ne Zone mit Elektronenuumlberschuss auf der Zelloberflauml-che die etwa 1 microm tief ist Nach der Diffusion mit Phos-phor entsteht auf der Oberflaumlche des Wafers Phosphor-glas Um dieses zu entfernen ist ein weiterer sehr kur-zer Aumltzschritt mit Flusssaumlure noumltig Danach wird in einemweiteren Ofen mittels PECVD die Antireflexschicht auf-getragen die der Zelle erst die typische Farbe gibt

Danach erfolgt die Bedruckung der Zelle z B durchSiebdruck mit den notwendigen Loumltzonen und der Struk-tur welche fuumlr den besseren Abgriff des generierten elek-

trischen Stroms sorgt Die Vorderseite erhaumllt meist zweibreitere Streifen auf denen spaumlter die Baumlndchen zumVerbinden mehrerer Zellen befestigt werden Auszligerdemwird ein sehr duumlnnes elektrisch gut leitendes Raster auf-gebracht was einerseits den Lichteinfall so wenig wiemoumlglich behindern und andererseits den ohmschen Wi-derstand der Deckelektrode verringern soll Die Ruumlcksei-te wird meist vollflaumlchig mit einem gut leitenden Materialbeschichtet

Nach der Prozessierung werden die Zellen nach optischenund elektrischen Merkmalen klassifiziert sortiert und fuumlrdie Fertigung von Solarmodulen zusammengestellt

22 Direkte Herstellung von Platten bzwSchichten

Um den Umweg des Saumlgens von Wafern aus Kristallblouml-cken zu vermeiden gibt es umfangreiche Aktivitaumlten So-larzellen direkt zu erzeugen

221 EFG-Verfahren

Beim EFG-Verfahren (von engl edge-defined film-fed growth ungefaumlhre Uumlbersetzung bdquokantendefiniertesFilmwachstumldquo) werden aus einer elektrisch beheiztenGraphitwanne aus fluumlssigem Reinstsilicium achteckigeRoumlhren von etwa 6 bis 7 m Laumlnge nach oben gezo-gen Die Ziehgeschwindigkeit liegt im Bereich von ca 1mms Die Kantenlaumlnge der einzelnen Seiten betraumlgt 10bzw 125 cm die Wandstaumlrke ca 280 microm Nach Fer-tigstellung der Roumlhre wird diese entlang der Kanten mitNdYAG-Lasern geschnitten und in einem bestimmtenRaster dann uumlber die Breite der jeweiligen Seite Darausergibt sich die Moumlglichkeit der Herstellung von Zellenmit unterschiedlichen Kantenlaumlngen (zum Beispiel 125

cm times 15 cm oder 125 cm times 125 cm) Es wird eineAusbeute von etwa 80 des Ausgangsmaterials erzieltBei den so erzeugten Zellen handelt es sich ebenfalls um

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24 Solarzellen aus speziellen Siliciumstrukturen 9

polykristallines Material welche sich vom Aussehen herdeutlich von den gesaumlgten Zellen unterscheidet Unter an-derem ist die Oberflaumlche der Zellen welliger Ein Vor-teil im Vergleich zum Saumlgen aus Bloumlcken ist die weit-gehende Vermeidung von Verschnitt der zudem nichtmit Schneidefluumlssigkeit (engl slurry vgl Kolloide) ver-

unreinigt ist Dieses Verfahren wird auch Bandzieh- oderOctagon-Verfahren genannt

Das EFG-Verfahren wurde bis 2009 von der FirmaSchott Solar (Deutschland) angewendet Von einer wei-teren Verwendung musste abgesehen werden da SchottSolar als einziger Anwender dieses Prozesses die Wei-terentwicklung im Vergleich zu anderen Prozessen mitmehr Entwicklern im Hintergrund nicht schnell genugvorantreiben konnte[27] Entwickelt wurde das Verfahrenvon der Firma ASE Solar (USA)

222 String-Ribbon-Verfahren

Weiterhin gibt es das String-Ribbon-Verfahren der insol-venten US-amerikanischen Firma Evergreen Solar beidem die Wafer zwischen zwei Faumlden direkt aus der Sili-ciumschmelze gezogen werden[27] Dabei entsteht weni-ger Abfall (wie Spaumlne usw die normalerweise direkt ent-sorgt werden) als bei den herkoumlmmlichen Verfahren Alsdeutsches Unternehmen verwendete die Sovello AG dasString-Ribbon-Verfahren zur Produktion von Wafern

223 Schichttransfer-Verfahren

Beim Schichttransfer-Verfahren wird eine nur ca 20 micromduumlnne Schicht aus einkristallinem Silicium direkt flachauf einem Substrat gezuumlchtet Als Traumlgermaterial eignensich keramische Substrate oder auch speziell oberflaumlchen-behandeltes Silicium wodurch das Abloumlsen des entstan-denen Wafers und die Wiederverwendung desTraumlgers ge-geben ist Die Vorteile dieser Verfahren sind der deut-lich geringere Siliciumbedarf durch die geringe Dickeund der Wegfall der Saumlgeverluste Der Saumlgevorgang als

zusaumltzlicher Prozessschritt entfaumlllt Der erreichbare Wir-kungsgrad ist hoch und liegt im Bereich von monokris-tallinen Zellen

23 Solarzellen aus bdquoschmutzigemldquo Silici-um

Der Prozess des Zonenschmelzens und Dotierens laumlsstsich auch in eine bereits gefertigte flache Platte bzwSchicht verlagern Das Prinzip ist dass die Verunreini-

gungen durch Waumlrmebehandlung (mehrfach lateral fort-schreitende Umschmelzung z B mit Laserstrahlung) desSiliciums an wenigen Stellen konzentriert werden[28]

24 Solarzellen aus speziellen Silicium-strukturen

Seit den 2000er Jahren arbeiten verschiedene For-schungsgruppen an Solarzellen auf Basis von langen bdquoSi-liciumstaumlbchenldquo (manchmal auch bdquoSiliciummikrodraumlh-teldquo genannt) im Mikrometermaszligstab[29][30] Die einzel-nen Siliciumstaumlbchen sind in der Regel einige Mikrome-ter dick und ca 200 Mikrometer lang Strukturen aussenkrecht zu einer Traumlgerflaumlche angeordneten Staumlbchenzeigen gegenuumlber konventionellen Solarzellen aus Silici-um eine erhoumlhte Absorption von Sonnenlicht in einembreiten Spektralbereich vgl Schwarzes Silicium

Ein Beispiel fuumlr eine solche Solarzelle wurde 2010 voneiner Arbeitsgruppe um Harry Atwater vom CaliforniaInstitute of Technology vorgestellt Sie stellten uumlber 100Mikrometer lange Staumlbchen mithilfe der sogenanntenVLS-Technik[31] (von engl vapor -liquid -solid ) her uumlber-gossen diese anschlieszligend zur Stabilisierung mit durch-sichtigem biegsamem Kunststoff (PolydimethylsiloxanPDMS) und loumlsten danach die fertige Zelle von derPlatte[29] Diese Zellen zeigen wie zuvor erwaumlhnt eineerhoumlhte Absorption von insgesamt bis zu 85 des einfal-lenden Lichts uumlber einen groszligen Spektralbereich Die soerzeugten Solarzellen im Laborstatus haben einen hohenWirkungsgrad Ihre Herstellung verbraucht nur 1 Prozentder sonst zur Solarzellenproduktion uumlblichen Silicium-menge auszligerdem sind diese Solarzellen biegbar[32]

3 Andere Solarzellentypen

31 Duumlnnschichtzellen

Kleine amorphe Si-Duumlnnschichtsolarzelle auf Glas vier Zellenin Reihe

Duumlnnschichtzellen gibt es in verschiedenen Ausfuumlhrun-gen je nach Substrat und aufgedampften Materialien

Die Spannbreite der physikalischen Eigenschaften undder Wirkungsgrade ist entsprechend groszlig Duumlnnschicht-zellen unterscheiden sich von den traditionellen Solar-

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10 3 ANDERE SOLARZELLENTYPEN

Ruumlckseite (Schichtseite braun lackiert)

Solarzellentypen

zellen (kristallinen Solarzellen basierend auf Silicium-wafern) vor allem in ihren Produktionsverfahren unddurch die Schichtdicken der eingesetzten MaterialienDie physikalischen Eigenschaften amorphen Siliciumsdie von kristallinem Silicium verschieden sind beeinflus-sen die Solarzelleneigenschaften Manche Eigenschaftensind auch noch nicht vollstaumlndig verstanden

Auch bei kristallinen Solarzellen wird das Licht bereitsin einer duumlnnen Oberflaumlchenschicht (ca 10 microm) absor-biert Es liegt daher nahe Solarzellen sehr duumlnn zu fer-tigen Verglichen mit kristallinen Solarzellen aus Silici-umwafern sind Duumlnnschichtzellen etwa 100-mal duumlnner

Diese Duumlnnschichtzellen werden meist durch Abscheidenaus der Gasphase direkt auf einem Traumlgermaterial aufge-bracht Das kann Glas Metallblech Kunststoff oder auchein anderes Material sein Der aufwaumlndige im vorigenKapitel beschriebene Prozess des Zerschneidens von Si-liciumbloumlcken kann also umgangen werden

Das bisher gaumlngigste Material fuumlr Duumlnnschichtzellen istamorphes Silicium (a-SiH) Solche Duumlnnschichtmodu-le sind langlebige Produkte Freiluft-Tests zeigen sta-bile Wirkungsgrade uumlber mehr als zehn Jahre Moumlgli-che weitere Materialien sind mikrokristallines Silicium(microc-SiH) Gallium-Arsenid (GaAs) Cadmiumtellurid

(CdTe) oder Kupfer-Indium-(Gallium)-Schwefel-Selen-Verbindungen die so genannten CIGS-Solarzelle bzwCIS-Zellen wobei hier je nach Zelltyp S fuumlr Schwefel

oder Selen stehen kann Ein neuesMaterial das neu in derDuumlnnschichttechnologie Anwendung findet ist CZTS

Wirkungsgrade im Bereich von 20 (217 mit CIGS-Solarzellen siehe[33]) fuumlr kleine CIGS-Laborzellen (asymp 05cmsup2) sind durchaus moumlglich CIGS-Duumlnnschichtmodule

erreichen inzwischen aumlhnliche Wirkungsgrade wie Mo-dule aus polykristallinem Silicium (11ndash12 [34])Fuumlr Cadmiumtellurid-Zellen lag der Wirkungsgrad beiLaborzellen im August 2014 bei 21 [35]

Wichtiger sind oft die Kostenzu denen Stromaus den So-larzellen produziert werden kann dazu kommen wichti-ge Kriterien wie die Emission von Schadstoffen Aktuel-le Studien belegen dass Cadmiumtellurid-Duumlnnschicht-Solarzellen hier eine bessere Bilanz als konventionelle Si-liciumzellen aufweisen[36]

Eine weitere Staumlrke von Duumlnnschichtmodulen ist dasssie einfacher und groszligflaumlchiger produziert werden koumln-

nen insbesondere die Duumlnnschichtzellen aus amorphemSilicium Duumlnnschichtmodule sind nicht auf ein rigidesSubstrat wie Glas oder Aluminium angewiesen bei auf-rollbaren Solarzellen fuumlr den Wanderrucksack oder ein-genaumlht in Kleider wird ein geringerer Wirkungsgrad inKauf genommen der Gewichtsfaktor ist wichtiger als dieoptimale Lichtumwandlung

Zur Herstellung eignen sich Maschinen welche auchzur Herstellung von Flachbildschirmen eingesetzt wer-den Dabei werden Beschichtungsflaumlchen von uumlber 5 msup2erreicht Mit den Verfahren zur Herstellung von amor-phem Silicium laumlsst sich auch kristallines Silicium induumlnnen Schichten herstellen sogenanntes mikrokristal-lines Silicium Es vereint Eigenschaften von kristalli-nem Silicium als Zellenmaterial mit den Methoden derDuumlnnschichttechnik In der Kombination aus amorphemund mikrokristallinem Silicium wurden in den letztenJahren beachtliche Wirkungsgradsteigerungen erzielt

Ein Verfahren fuumlr die Fertigung kristalliner Duumlnnschicht-zellen aus Silicium ist CSG (Crystalline Silicon onGlass) dabei wird eine weniger als zwei Mikrometerduumlnne Siliciumschicht direkt auf einen Glastraumlger aufge-bracht die kristalline Struktur wird nach einer Waumlrme-behandlung erreicht Das Aufbringen der Stromfuumlhrungerfolgt mittels Laser- und Tintenstrahldrucktechnik Da-fuumlr wurde 2005 von der Firma CSG Solar eine Fabrika-tionsanlage in Deutschland gebaut Weil das Verfahrennicht wirtschaftlich zu betreiben war musste das Unter-nehmen nach kurzer Zeit seine Produktion einstellen Derchinesische Solarkonzern Suntech erwarb das Unterneh-men und seine Technologie hat aber 2011 die Aktivitauml-ten in diesem Bereich aufgegeben und das Unternehmengeschlossen[37]

Es werden derzeit Duumlnnschichtsolarzellen aus schwarzemSilicium entwickelt die einen etwa doppelten Wirkungs-grad erreichen sollen[38]

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34 Elektrochemische Farbstoff-Solarzelle 11

Schematischer Aufbau einer Konzentratorzelle

32 Konzentratorzellen

Bei Konzentratorzellen (auch Konzentrator-Photovoltaik engl Concentrated PV CPV) wird Halbleiterflaumlche ein-gespart indem das einfallende Sonnenlicht zunaumlchst

auf einen kleineren Bereich konzentriert wird Das er-reicht man durch Konzentratoren wie z B Linsen zu-meist Fresnel-Linsen oder auch Lichtleitkoumlrper die dieTotalreflexion nutzen[39][40] Diese sind im Vergleich zuHalbleitern bezogen auf die Flaumlche preiswerter Es kannsomit zu geringeren Kosten die Sonneneinstrahlung ei-ner groumlszligeren Flaumlche ausgenutzt werden Haumlufig verwen-dete Materialien fuumlr Konzentratorsolarzellen sind III-V-Halbleiter Zumeist werden Mehrfachsolarzellen (siehenaumlchster Abschnitt) verwendet die fuumlr vollflaumlchige So-larzellen unwirtschaftlich waumlren Sie arbeiten noch zu-verlaumlssig bei mehr als dem 500-fachen der Sonneninten-

sitaumlt Konzentratorsolarzellen muumlssen dem Sonnenstandnachgefuumlhrt werden damit ihre Optik die Sonnenstrah-lung auf die Zellen buumlndeln kann Zusaumltzlicher Effekt derLichtkonzentration ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wir-kungsgrades da die Leerlaufspannung ansteigt Die US-Energiebehoumlrde hat mit dieser Technik Wirkungsgradevon uumlber 40 erreicht[41][42]

33 Mehrfachsolarzellen

rarr Hauptartikel Tandem-Solarzelle

Mehrfachsolarzellen bestehen aus zwei oder mehr So-larzellen mit verschiedenem Material die monolithisch

uumlbereinander geschichtet sind Zweck dieser Anord-nung ist es den Wirkungsgrad der gesamten Anordnungzu erhoumlhen Die Wirkungsgrade bei Labormustern vonTandem-Konzentratorsolarzellen erreichten 2008 und2009 uumlber 40 So wurde am Fraunhofer Institut fuumlrSolare Energiesysteme ISE mit einer Mehrfachsolarzel-

le und 454-facher Konzentration ein Wirkungsgrad von411 erzielt[43]

34 Elektrochemische Farbstoff-Solarzelle

rarr Hauptartikel Graumltzel-Zelle

Bei Farbstoffsolarzellen auch bekannt als Graumltzel-Zellenwird der Strom anders als bei den bisher aufgefuumlhrtenZellen uumlber die Lichtabsorption eines Farbstoffes gewon-nen als Halbleiter kommt Titandioxid zum Einsatz Als

Farbstoffe werden hauptsaumlchlich Komplexe des seltenenMetalls Ruthenium verwendet zu Demonstrationszwe-cken koumlnnen aber selbst organische Farbstoffe zum Bei-spiel der Blattfarbstoff Chlorophyll oder Anthocyane (ausBrombeeren) als Lichtakzeptor verwendet werden (die-se besitzen jedoch nur eine geringe Lebensdauer) DieFunktionsweise der Zelle ist noch nicht im Detail geklaumlrtdie kommerzielle Anwendung gilt als recht sicher ist aberproduktionstechnisch noch nicht in Sicht

Konventionelle n-Typ-Farbstoffsolarzellen arbeiten miteiner Photoanode einer positiven Elektrode die mit ei-nem n-Halbleiter zB Titandioxid und einem Farbstoff

beschichtet ist Trifft Licht darauf werden die Farbstoff-molekuumlle angeregt und setzen Elektronen frei Ein Re-doxmediator der als Bestandteil des Elektrolyten zwi-schen den Elektroden frei beweglich ist regeneriert denFarbstoff Beim p-Typ (p-DSC p-dye-sensitized solarcell) laumluft der Prozess genau entgegengesetzt Ein spezi-eller Farbstoff und ein p-Halbleiter befinden sich auf ei-ner Photokathode Der durch Licht angeregte Farbstoffsaugt Elektronen aus dem Valenzband des p-HalbleiterszB Nickeloxid heraus Das uumlblicherweise eingesetz-te System aus Iodid und Tri-Iodid ersetzten Wissen-schaftler der Monash University der Commonwealth Sci-

entific and Industrial Research Organization (Australi-en) und der Universitaumlt Ulm durch den Kobalt-KomplexTris(12-diaminoethan)cobalt(IIIII) bei dem das Ko-balt zwischen den Oxidationsstufen +2 und +3 wech-seln kann Zellen auf dieser Basis erreichen dabei einehoumlhere Energieumwandlungseffizienz Ein weiterer An-satz um die Leistung von photovoltaischen Zellen zusteigern ist die Kombination einer n- und einer p-Typ-Farbstoffsolarzelle zu einer Tandem-Solarzelle[44]

35 Organische Solarzellen

rarr Hauptartikel Organische SolarzelleEine organische Solarzelle ist eine Solarzelle die aus

Werkstoffen der organischen Chemie besteht d h aus

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12 3 ANDERE SOLARZELLENTYPEN

Ein kommerziell erhaumlltliches flexibles Modul einer polymeren or- ganischen Solarzelle

Kohlenwasserstoff-Verbindungen (Kunststoffen) Diese

Verbindungen haben elektrisch halbleitende Eigenschaf-ten Der Wirkungsgrad mit dem Sonnenenergie inelektrische Energie umgewandelt wird liegt mit 120 (Stand Januar 2013)[45] noch unterhalb von dem von So-larzellen aus anorganischem Halbleitermaterial Organi-sche Solarzellen bzw Plastiksolarzellen wie sie auch ge-nannt werden sind aufgrund der Moumlglichkeiten hinsicht-lich guumlnstiger und vielseitiger Herstellungsverfahren einaktuelles Forschungsthema Die von den Herstellern die-ser Zellen auf Kunststoffbasis genannten Vorteile gegen-uumlber herkoumlmmlichen Siliciumsolarzellen sind

bull

Geringe Herstellungskosten aufgrund billiger Pro-duktionstechnologien

bull Hohe Stromausbeuten durch Duumlnnschicht-Groszligflaumlchentechnologien fuumlr Kunststoffe

bull Flexibilitaumlt Transparenz und einfache Handhabung(mechanische Eigenschaften von Kunststoffen)

bull Hohe Umweltvertraumlglichkeit (Kunststoffe auf Koh-lenstoffbasis)

bull Anpassung an das Sonnenspektrum durch gezieltePolymersynthese

bull bdquoBunteldquo Solarzellen fuumlr architektonische Stilele-mente

Im Vergleich zu den ersten organischen Solarzellen wur-den inzwischen viele Fortschritte erzielt

Das Material fuumlr diesen Solarzellentyp basiert auf or-ganischen Kohlenwasserstoffverbindungen mit spezifi-scher elektronischer Struktur dem konjugierten π-Elektronensystem welches den betreffenden Materiali-en die wesentlichen Eigenschaften amorpher Halblei-ter verleihen Typische Vertreter organischer Halbleitersind konjugierte Polymere und Molekuumlle wobei auch

speziell synthetisierte Hybridstrukturen verwendet wer-den Die ersten Kunststoffsolarzellen die aus konju-gierten Polymeren (Elektronendonatoren) und Fullerenen

(Elektronenakzeptoren) hergestellt wurden waren Zwei-Schicht-Solarzellen Diese Zellen bestehen aus einer duumln-nen Schicht des konjugierten Polymers auf die eineweitere duumlnne Schicht von Fullerenen aufgebracht wirdAus technologischer Sicht stellen konjugierte Polyme-re und funktionalisierte Molekuumlle auf Grund ihrer Pro-

zessierbarkeit aus der Fluumlssigphase attraktive Basisma-terialien fuumlr die kostenguumlnstige Massenproduktion flexi-bler PV-Elemente mit vergleichsweise einfacher Strukturdar Molekulare Halbleiter hingegen werden uumlblicherwei-se in vakuumgestuumltzten Aufdampfprozessen zu wohlde-finierten Mehrschichtsystemen verarbeitet und lassen dieHerstellung sequentiell abgeschiedener Halbleiterschich-ten und somit komplexere Zelltypen (z B Tandemzellen)zu

Die organische Photovoltaik (OPV) hat das technologi-sche Potenzial als sogenannte bdquoLow-cost Energy SourceldquoEinzug in die mobile Stromversorgung zu halten Dies

auch aufgrund der kostenguumlnstigen Massenfertigung aufBasis etablierter Druckverfahren Damit koumlnnte mit derorganischen Photovoltaik ein neuer Anwendungsbereicherschlossen werden bei gleichzeitig niedrigen Investiti-onskosten Die Firma Konarka Technologies GmbH inNuumlrnberg hatte 2009 erste organische Kollektoren fuumlrMobilgeraumlte auf den Markt gebracht[46]

36 Hybrid-Solarzelle

Eine Hybridsolarzelle ist eine Solarzelle die organischeund anorganische Bestandteile enthaumllt[47]

37 Fluoreszenz-Zelle

Fluoreszenz-Zellen sind Solarzellen die zunaumlchst in ei-ner Platte durch Fluoreszenz Licht groumlszligerer Wellenlaumlngeerzeugen um dieses an den Plattenkanten zu wandeln

38 Thermische Photovoltaik-Zellen(TPV)

Unter dem Namen Thermische Photovoltaik-Zellen(TPV) werden Zellen auf Basis von InP (fruumlher GaSb)verstanden die nicht Sonnenlicht verwerten sondernWaumlrmestrahlung also Licht wesentlich houmlherer Wel-lenlaumlnge Der Wirkungsgrad wurde dabei durch neuereArbeiten[48] bis auf 12 gesteigert (vorher maximal 9) Eine potentielle Anwendung solcher Zellen waumlre

die Verwertung von Waumlrme wie sie bei groszligtechnischenAnwendungen in groszligen Mengen entsteht und die bishermit zusaumltzlichem Aufwand entsorgt werden muss

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13

4 Geschichte

rarr Hauptartikel Geschichte der Photovoltaik

Die Nutzung der Sonne zur Gewinnung von elektrischerEnergie kann man grob in das Jahr 1839 datieren DerFranzose Alexandre Edmond Becquerel stellte fest dasseine Batterie wenn man sie dem Sonnenlicht aussetzteine houmlhere Leistung hat als ohne Sonnenlicht Er nutz-te den Potentialunterschied zwischen einer verdunkeltenund einer belichteten Seite einer chemischen Loumlsung indie er zwei Platinelektroden eintauchte Als er nun die-se Konstruktion in die Sonne stellte beobachtete er dassein Strom zwischen den zwei Elektroden entstand So ent-deckte er den photovoltaischen Effekt konnte ihn aller-dings noch nicht erklaumlren Spaumlter wies man nach dassauch andere Materialien wie Kupfer photoleitfaumlhig sind

Die Photoleitfaumlhigkeit wurde bei Selen 1873 nachgewie-sen Zehn Jahre spaumlter wurde die erste bdquoklassischeldquo Pho-tozelle aus Selen gefertigt Wiederum zehn Jahre spaumlter1893 wurde die erste Solarzelle zur Erzeugung von Elek-trizitaumlt gebaut

1904 entdeckte der oumlsterreichisch-ungarische PhysikerPhilipp Lenard dass Lichtstrahlen beim Auftreffen aufbestimmte Metalle Elektronen aus deren Oberflaumlche her-ausloumlsen und lieferte damit die ersten Erklaumlrungen fuumlrdenEffekt der Photovoltaik Ein Jahr spaumlter erhielt er den No-belpreis fuumlr Physik fuumlr die Erforschung des Durchgan-ges von Kathodenstrahlen durch Materie und fuumlr seineElektronentheorie Den endguumlltigen Durchbruch schaffte1905 Albert Einstein als er mit Hilfe der Quantentheo-rie die gleichzeitige Existenz des Lichtes sowohl als Welleals auch als Teilchen erklaumlren konnte Bis dahin glaubteman dass Licht nur als eine Energie mit unterschiedlicherWellenlaumlnge auftritt Doch Einstein stellte in seinen Ver-suchen die Photovoltaik zu erklaumlren fest dass sich Lichtin manchen Situationen genauso wie ein Teilchen verhaumlltund dass die Energie jedes Lichtteilchens oder Photonsnur von der Wellenlaumlnge des Lichts abhaumlngt Er beschriebdas Licht als eine Ansammlung von Geschossen die aufdas Metall treffen Wenn diese Geschosse genuumlgend En-

ergie besitzen wird ein freies Elektron das sich im Me-tall befindet und von einem Photon getroffen wird vomMetall geloumlst Auszligerdem entdeckte er dass die maxima-le kinetische Energie der losgeloumlsten Elektronen von derIntensitaumlt des Lichtes unabhaumlngig ist und nur durch dieEnergie des auftreffenden Photons bestimmt wird DieseEnergie haumlngt wiederum nur von der Wellenlaumlnge (oderder Frequenz) des Lichtes ab Fuumlr seine Arbeit zum pho-toelektrischen Effekt erhielt er 1921 den Nobelpreis fuumlrPhysik

Die Entdeckung des p-n-Uumlbergangs (Kristallgleichrich-ters) im Jahre 1947 durch William B Shockley Walther

H Brattain und John Bardeen war ein weiterer groszligerSchritt zur Solarzelle in ihrer heutigen Form Nach die-sen Entdeckungen stand dem Bau einer Solarzelle in ih-

rer heutigen Form nichts mehr entgegen Es ist jedocheinem gluumlcklichen Zufall zu verdanken dass diese ersteSolarzelle 1954 in den Laboratorien der amerikanischenFirma Bell gebaut wurde Die Mitarbeiter der Firma (un-ter Teamleiter Morton Price) beobachteten als sie einenGleichrichter der mit Hilfe von Silicium arbeitete un-

tersuchten dass dieser mehr Strom lieferte wenn er inder Sonne stand als wenn er zugedeckt war Bei Bell er-kannte man schnell den Nutzen dieser Entdeckung zurVersorgung des Telefonnetzes von laumlndlichen Regionenmit Strom was bis dahin noch mit Batterien geschah DieFirma Bell genauer Daryl Chapin Calvin Souther Fullerund Gerald Pearson entwickelte 1953 die erste mit Arsendotierte Solarzelle auf Siliciumbasis welche einen Wir-kungsgrad von etwa 4 besaszlig Durch den Wechsel desDotierungsmittels konnte der Wirkungsgrad auf etwa 6 erhoumlht werden

Modell von Vanguard 1

Die Raumfahrt erkannte sehr schnell den Nutzen derSolartechnik und ruumlstete 1958 zum ersten Mal einenSatelliten mit Solarzellen aus Vanguard 1 startete am17 Maumlrz 1958 und war erst der vierte Satellit uumlber-haupt Er besaszlig ein Solarpanel welches mit 108 Silicium-Solarzellen ausgestattet war Diese dienten nur als Lade-

station der Akkus und nicht zur direkten Stromversor-gung Dabei wurde errechnet dass die Zellen einen Wir-kungsgrad von 105 besaszligen Die Konstrukteure hatteneine geringere Energieausbeute und eine kuumlrzere Lebens-dauer angenommen so dass man diesen Satelliten nichtmit einem bdquoAusschalterldquo versehen hatte Erst nach achtJahren stellte der Satellit aufgrund von Strahlenschaumldenseinen Betrieb ein

Kurz darauf entstand die CdS-Cu2S-Solarzelle die bisAnfang der 1990er noch in Satelliten eingesetzt wurdenHeutige Satelliten sind zum Vergleich mit Vanguard I mitrund 40000 Solarzellen ausgestattet

Im Weltraum steht der natuumlrlichen Sonnenstrahlung imVergleich zur Erdoberflaumlche nichts entgegen keine Wol-kendecken und keine Strahlung absorbierende und mehr

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14 5 FORMEN UND GROumlszligEN

oder weniger verschmutzte Atmosphaumlre die das Sonnen-licht behindert Andererseits fuumlhren die extremen Strah-lungsverhaumlltnisse im Weltraum zu einer staumlrkeren Degra-dation der Solarzellen als es auf der Erde der Fall ist Seit-her versuchen Industrie und Forschung immer groumlszligereWirkungsgrade zu erreichen und zugleich die Degradati-

on und Strahlungsresistenz zu verbessern

Grafik Juno vor dem Jupiter

Uumlblicherweise werden Raumsonden im inneren Sonnen-system durch Solarzellen mit Strom versorgt Dadurchdass heutige fuumlr Raumfahrtzwecke verwendete Solarzel-len nicht nur 50 effizienter sondern auch strahlungs-resistenter als die noch vor 20 Jahren verwendeten Sili-

ciumzellen sind[49] kann im Jahr 2011 die RaumsondeJuno als erste mit Solarzellen ausgeruumlstete Raumsondezum in Strahlung getauchten Planeten Jupiter starten

Durch die Verwendung reineren Siliciums und bessererDotierungsmoumlglichkeiten wurde der Wirkungsgrad ge-steigert und die Lebensdauer erhoumlht Mandelkorn undLamneck verbesserten die Lebensdauer der Zellen 1972durch eine Reflexion der Minoritaumltsladungstraumlger in demsie ein sogenanntes back surfaces field (BSF) in die p-leitende Schicht einbrachten 1973 stellten Lindmayerund Ellison die sog violette Zelle vor die bereits ei-nen Wirkungsgrad von 14 besaszlig Durch das Reduzie-

ren des Reflexionsvermoumlgens wurde 1975 der Wirkungs-grad auf 16 gesteigert Diese Zellen heiszligen CNR-Solarzellen (englisch Comsat Non Reflection Comsat =Telefonsatellit ) und wurden fuumlr Satelliten entwickelt In-zwischen sind von Green sowie an der Stanford Univer-sitaumlt und bei Telefunken Solarzellen mit Wirkungsgradenum 20 entwickelt worden Der theoretische Wirkungs-grad fuumlr Silicium-Solarzellen liegt bei 29 fuumlr die Strah-lungsverhaumlltnisse in mittleren Breiten Zu den Wirkungs-graden siehe auch technische Merkmale

Maszliggeblicher Anstoszlig fuumlr diese Entwicklung war Anfangder Siebziger die Vervierfachung des Oumllpreises Nach

dieser Preissteigerung rief Richard Nixon 1974 ein For-schungsprogramm ins Leben welches sich mit regenera-tiven Energien auseinandersetzte Bis dahin kostete jedes

Watt 200 Dollar und war somit nicht konkurrenzfaumlhigUm die Akzeptanz und das Vertrauen bei der Bevoumllke-rung zu gewinnen wurden Anfang der 1980er Rennenmit Solarmobilen ausgetragen und im Juli 1981 uumlber-querte ein mit Solarkraft angetriebenes Flugzeug den Aumlr-melkanal

Duumlnnschichtmodule aus amorphenSilicium ermoumlglichtendie autonome Versorgung von Taschenrechnern Uhrenund anderen Kleinverbrauchern

Module mit kristallinen Zellen wurden zunaumlchst fuumlr Insel-Systeme mit 12 V Systemspannung auf der Basis einerBleibatterie genutzt Ab 1990 begann in Deutschland mitdem 1000-Daumlcher-Programm der groszligflaumlchige Einsatz innetzgekopplten Systemen

Bis gegen Ende der 1990er Jahre waren Zellen mit et-wa 100 mm Kantenlaumlnge (im Fachjargon auch Vier-Zoll-Zellen genannt) und 36 Zellen pro Modul fuumlr 12-V-

Systeme die uumlblichste Baugroumlszlige Danach wurden 125-mm-Zellen (5rdquo) verstaumlrkt fuumlr Module mit 72 Zellen fuumlr 24V Systemspannung genutzt und seit etwa 2002 sind 156-mm-Zellen (Kantenlaumlnge 156 mm bzw 6 Zoll) fuumlr Stan-dardmodule mit typisch 60 Zellen die gaumlngige Groumlszlige[50]

Versuche zur Einfuumlhrung von 8-Zellen wurden abge-brochen da die mechanische Stabilitaumlt eine Erhoumlhungder Waferdicke und damit des Materialeinsatzes erfor-dert haumltte

Ab 2007 konnten Duumlnnschichtmodule mit Zellen aus Cd-Te der Firma FirstSolar einen Preisrutsch fuumlr Solarmo-dule ausloumlsen Werke fuumlr Module mit CIS- und CIGS-

Zellen wurden aufgebaut Aber seit 2012 haben Moduleaus kristallinem Silicium gefertigt in China mit ihremKostenvorteil zusammen mit der inzwischen gesichertenVersorgung mit ausreichend Rohsilicium den Markt er-obert

5 Formen und Groumlszligen

Zu Beginn der Kommerzialisierung der Solartechnikwurden haumlufig runde Zellen eingesetzt deren Ursprung

von den meist runden Siliciumstaumlben der Computerin-dustrie herruumlhrt Inzwischen ist diese Zellenform relativselten und es werden quadratische Zellen oder fast qua-dratische mit mehr oder weniger abgeschraumlgten Eckeneingesetzt Als Standardformate werden derzeit Wafermit einer Kantenlaumlnge von 125 und 156 mm prozessiertkuumlnftig sollen aber auch Zellen mit einer Kantenlaumlnge von210 mm Bedeutung erlangen

Durch Saumlgen der fertig prozessierten Zellen entstehen fuumlrspezielle Anwendungen im Kleingeraumltebereich auch Zel-len mit kleineren Kantenlaumlngen Sie liefern annaumlhernd diegleiche Spannung wie die groszligen Zellen jedoch entspre-

chend der kleineren Flaumlche einen kleineren StromIm EFG-Verfahren werden auch Zellen hergestellt beidenen die Seiten des entstehenden Rechtecks nicht die

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61 Thermodynamisches Limit I 15

gleichen Laumlngen haben

6 Wirkungsgrad

Vergleich der praktisch erzielbaren Wirkungsgrade verschie-

dener Solarzellen und deren zeitliche Entwicklung Die vio-letten Kurven im oberen Bereich stellen sogenannte Tandem-Solarzellen eine Kombination verschiedener pn-Uumlbergaumlnge dar

Der Wirkungsgrad η einer Solarzelle ist das Verhaumlltnisder von ihr erzeugten elektrischen Leistung P elektrisch undder Leistung der einfallenden Strahlung P Licht

η = P elektrisch

P Licht

Der maximale Wirkungsgrad η einer Solarzelle ist vom

Bandabstand und der Anzahl der auf verschiedene Spek-tralbereiche optimierten pn-Uumlbergaumlnge abhaumlngig Bei ei-nem pn-Uumlbergang ist bei optimalem Bandabstand unddarauf in der Wellenlaumlnge abgestimmtem Licht theo-retisch ein Wirkungsgrad von bis zu 41 erzielbarIn praktischen Anwendungen liegen tatsaumlchlich erziel-bare Wirkungsgrade um und unter 25 Bei Tandem-Solarzellen welche durch mehrere unterschiedliche pn-Uumlbergaumlnge groumlszligere Spektralbereiche abdecken koumlnnenkoumlnnen die Gesamtwirkungsgrade aller pn-Uumlbergaumlnge inSumme auch uumlber der theoretischen Grenze von 41 liegen

Der Rekord fuumlr im Labor hergestellte Silicium-Solarzellen liegt bei 247 Prozent (University of NewSouth Wales Australien) mit denen Module mit uumlber22 Prozent Wirkungsgrad hergestellt wurden DieDegradation des Wirkungsgrades (Alterungsverhalten)liegt bei ca 10 Prozent in 25 Jahren Hersteller gebenbeispielsweise Garantien auf mindestens 80 Prozent derPeak-Leistung nach 20 Jahren

Im Weltraum ist einerseits die Solarkonstante groumlszliger alsdie Globalstrahlung auf der Erde andererseits altern dieSolarzellen schneller Solarpanele fuumlr Satelliten erreichenzur Zeit (2005) einen Wirkungsgrad von fast 25 [51] bei

einer Betriebszeit von 15 JahrenEin hoher Wirkungsgrad ist erstrebenswert weil er beigleichen Lichtverhaumlltnissen und gleicher Flaumlche zu einer

groumlszligeren Ausbeute an elektrischem Strom fuumlhrt Fuumlr jedeMaschine die auf der Erde aus Sonnenlicht oder auf an-dere Weise mechanische oder elektrische Arbeit erzeugt(z B Aufwindkraftwerke Stirlingmotoren etc) gilt einthermodynamisches Limit

61 Thermodynamisches Limit I

Die groumlbste Abschaumltzung des Wirkungsgrades erhaumllt mandurch den Carnot-Wirkungsgrad Er beschreibt den ma-ximalen Wirkungsgrad den eine beliebige physikalischeMaschine erreichen kann wenn sie ihre Energie aus derTemperaturdifferenz von zwei Waumlrmebaumldern beziehtDer Carnot-Wirkungsgrad ergibt sich aus der Tempera-tur T warm des waumlrmeren Bades und der Temperatur T kalt

des kaumllteren Bades gemaumlszlig

η = 1 minusT kalt

T warm

Im Falle der Solarzelle ist das waumlrmere Energiebaddie Sonnenoberflaumlche mit einer Temperatur von etwa5800 K und das kaumlltere Bad die Solarzelle mit einerTemperatur von 300 K Daraus ergibt sich ein Carnot-Wirkungsgrad von 95 Im Weltraum genutzte Solarzel-len haben infolge der houmlheren Temperaturdifferenz ent-sprechend houmlhere Wirkungsgrade

62 Thermodynamisches Limit II

Die Abschaumltzung im obigen Abschnitt vernachlaumlssigtdass die Energie von der Sonne zur Solarzelle durchStrahlung uumlbertragen wird In einem ausfuumlhrlicheren Mo-dell setzt man vor die Solarzelle einen Absorber Dieserabsorbiert die Strahlung der Sonne und strahlt selber ei-nen kleinen Teil der Waumlrmestrahlung wieder an die Sonneab Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz flieszligt somit ins-gesamt die Waumlrmeleistung

σT 4Sonne minus σT 4Absorber

von der Sonne zum Absorber wobei σ die Stefan-Boltzmann-Konstante ist Nach dem Carnot-Wirkungsgrad kann der Absorber von dieser Waumlrme nurden Anteil

1 minusT Solarzelle

T Absorber

in elektrische Arbeit uumlberfuumlhren Der Wirkungsgrad be-stimmt sich nun aus diesem Anteil und der gesamten vonder Sonne abgestrahlten Leistung σT 4Sonne zu

η =

9830801 minus

T 4Absorber

T 4Sonne

983081 middot

9830801 minus

T Solarzelle

T Absorber

983081

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16 7 TECHNISCHE MERKMALE

Bei einer Temperatur von 5800 K fuumlr die Sonnenober-flaumlche und 300 K Umgebungstemperatur wird der Wir-kungsgrad bei einer Absorbertemperatur von etwa 2500K maximal und betraumlgt 85 [57]

63 Shockley-Queisser-Grenze

0 1 2 30

10

20

30

m a

x

W i r k u n g s g r a d i n

Bandabstand in eV

Maximaler Wirkungsgrad als Funktion des Bandabstandes wiees die Shockley-Queisser-Grenze beschreibt

rarr Hauptartikel Shockley-Queisser-Grenze

Die Shockley-Queisser-Grenze betrachtet den fuumlr Solar-zellen typischen Anregungsprozess von Elektronen in ei-nem Halbleiter In einer Solarzelle wird dadurch Licht in

elektrische Energie umgewandelt dass das Licht Elek-tronen aus dem Valenzband in das Leitungsband anregtNur ein schmaler Ausschnitt des angebotenen Energie-spektrums wird genutzt Der theoretische Grenzwert en-ergieselektiver Zellen ist deshalb kleiner als das thermo-dynamische Limit eines Gesamtsystems

Entscheidend fuumlr die Energie die man pro angeregtemElektron gewinnen kann ist dabei die Groumlszlige der Bandluuml-cke E g des Halbleiters Unabhaumlngig davon wie weit dasElektron uumlber die untere Kante des Leitungsbandes an-geregt wird erhaumllt man pro Elektron maximal die Ener-gie der Bandluumlcke als elektrische Energie Bei der elektri-

schen Leistung die man aus allen angeregten Elektronengewinnt muss man beruumlcksichtigen dass bei einer klei-nen Bandluumlcke mehr Elektronen erzeugt werden Bei ei-ner groszligen Bandluumlcke hat jedes einzelne Elektron dafuumlrmehr Energie Es muss daher ein Kompromiss aus fol-genden Grenzfaumlllen gefunden werden

bull Groszlige Bandluumlcke Nur energiereiches Licht (blauesund ultraviolettes Licht) kann Elektronen erzeugenda laumlngere Wellenlaumlngen nicht absorbiert werdenWegen der groszligen Bandluumlcke besitzt jedes Elektroneine hohe Energie

bull Kleine Bandluumlcke Auch langwelliges Licht kannElektronen anregen so dass insgesamt viele Elektro-

nen ins Leitungsband angeregt werden Diese ver-lieren jedoch durch Stoszligprozesse mit dem Kristall-gitter in wenigen hundert Femtosekunden einen Teilihrer Energie bis sie nur noch die Energie der Band-luumlcke besitzen

Die Shockley-Queisser-Grenze gilt fuumlr den Fall einer Zel-le mit nur einem pn-Uumlbergang Mit sogenanntenTandem-Solarzellen (englisch multi-junction solar cell ) in de-nen mehrere pn-Uumlbergaumlnge mit verschiedenen Band-luumlcken kombiniert sind koumlnnen prinzipiell auch houml-here Wirkungsgrade erreicht werden siehe AbschnittMehrfachsolarzellen

7 Technische Merkmale

Die Kenngroumlszligen einer Solarzelle werden fuumlr normierteBedingungen die Standard-Testbedingungen haumlufig ab-gekuumlrzt STC (englisch Standard Test Conditions ) angege-ben

bull Einstrahlungsstaumlrke von1000 Wmsup2in Modulebene

bull Temperatur der Solarzelle 25 degC konstant

bull Strahlungsspektrum AM 15 global DIN EN 61215IEC 1215 DIN EN 60904 IEC 904

Dabei steht AM 15 global fuumlr den Begriff Air Mass die

15 dafuumlr dass die Sonnenstrahlen das 15-fache der At-mosphaumlrenhoumlhe durchlaufen weil sie schraumlg auftreffenDas entspricht sehr gut den sommerlichen Gegebenhei-ten in Mitteleuropa von Norditalien bis MittelschwedenIm Winter steht die Sonne in unseren Breiten erheblichtiefer und ein Wert von AM 4 bis AM 6 ist hier realisti-scher

Durch die Absorption in der Atmosphaumlre verschiebt sichauch das Spektrum des auf das Modul treffenden Lich-tes bdquoGloballdquo steht fuumlr Globalstrahlung die sich aus demDiffus- und dem Direktstrahlungsanteil der Sonne zusam-mensetzt

Dabei ist zu beachten dass in der Realitaumlt insbesonderedie Zellentemperatur bei einer solchen Einstrahlung diein Deutschland im Sommer zur Mittagszeit erreicht wirdbei normalem Betrieb wesentlich houmlher liegt (je nach An-bringung Windanstroumlmung etc kann sie zwischen etwa30 und 60 degC liegen) Eine erhoumlhte Zellentemperatur be-deutet aber gleichzeitig einen herabgesetzten Wirkungs-grad der Solarzelle Aus diesem Grund wurde auch eineweitere Bezugsgroumlszlige geschaffen PNOCT die Leistungbei normaler Betriebstemperatur (normal operating celltemperature)

Gebraumluchliche Abkuumlrzungen fuumlr die Bezeichnungen sind

bull SC Short Circuit ndash Kurzschluss

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71 Schaltbilder 17

Stromstaumlrke I Leistung P

e r z e u g

t e L e i s

t u n g

Spannung U

o h

n e

B e l e

u c h t u

n g

m i t

B e l e

u c h t u

n g

Kurzschluszligstrom

Leerlaufspannung

Punkt maximaler

Leistung

oc

I

I

mp UU

mp

sc

Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzelle beleuchtet und un-beleuchtet

bull OC Open Circuit ndash Leerlauf

bull MPP Maximum Power Point ndash Betriebspunkt ma-ximaler Leistung

bull PR Performance Ratio Qualitaumltsfaktor der an-gibt welcher Teil des vom Solargenerator erzeug-ten Stromertrages (unter Nennbedingungen) real zurVerfuumlgung steht

Die Kennwerte einer Solarzelle sind

bull Leerlaufspannung U OC (auch V OC )

bull Kurzschlussstrom I SC

bull Spannung im bestmoumlglichen Betriebspunkt U MPP

(auch V MPP )

bull Strom im Betriebspunkt mit maximaler LeistungI MPP

bull Maximale erzielbare Leistung P MPP Solarzellenher-steller geben diese unter standardisierten Bedin-gungen maximal erzielbare Leistung in der Einheit

kWp sprich bdquoKilowatt-Peakldquo an

bull Fuumlllfaktor F F = PMPPU OCmiddotI SC

bull Koeffizient fuumlr die Leistungsaumlnderung mit der Zell-temperatur

bull Zellwirkungsgrad η = P MPPAmiddotE e

mit der bestrahlten Flauml-che A und der Bestrahlungsstaumlrke E e

Solarzellen koumlnnen also eine Leistung von sehr grob 160Wmsup2 abgeben Eingebaut in ein Modul ist die Leistung

pro Flaumlche geringer da zwischen den Zellen und zumModulrand Abstaumlnde vorhanden sind Im Weltraum wirdeine Leistung von 220 Watt pro Quadratmeter erzielt[58]

Schaltsymbol einer Fotodiode

Schaltzeichen und einfaches Ersatzschaltbild einer Solarzelle

71 Schaltbilder

Das Schaltsymbol einer Solarzelle gibt wie das Schalt-symbol einer Diode oder Photodiode mit einem Pfeil

die technische Stromrichtung zur Verschaltung an DerKennlinienverlauf einer realen Solarzelle weicht aller-dings von der einer idealen Fotodiode ab Um die-se Abweichungen zu modellieren existieren mehrereErsatzschaltbilder

711 Vereinfachtes Ersatzschaltbild

Das Schaltbild besteht zunaumlchst nur aus einerStromquelle die parallel zu einer idealen Diode ge-schaltet wird Diese produziert einen Strom der vonder Bestrahlungsstaumlrke abhaumlngt und den Photostrom I ph

modelliert Die Gesamtstromstaumlrke ergibt sich damit mitdem Diodenstrom I D (siehe Diode) zu

I = I ph minus I D = I ph minus I S

983131e

U DnmiddotU T minus 1

983133

712 Erweitertes Ersatzschaltbild (Ein- undZweidiodenmodell)

Das erweiterte Ersatzschaltbild nimmt Ruumlcksicht auf rea-le Faktoren des Bauelementes die durch die Fertigung

entstehen Mit diesen Modellen soll ein moumlglichst rea-listisches Modell der tatsaumlchlichen Solarzelle geschaffenwerden Beim Eindiodenmodell wird so das vereinfach-

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18 9 UMWELTSCHUTZ

Eindiodenmodell einer Solarzelle

te Ersatzschaltbild zunaumlchst nur durch einen parallel undeinen in Reihe geschalteten Widerstand ergaumlnzt

bull Der Parallelwiderstand Rp symbolisiertKristallfehler nichtideale Dotierungsverteilungenund andere Materialdefekte durch dieVerluststroumlme entstehen die den p-n-Uumlberganguumlberbruumlcken Bei Solarzellen aus guter Herstellungist dieser Widerstand relativ groszlig

bull Mit dem Serienwiderstand Rs werden alle Effektezusammengefasst durch die ein houmlherer Gesamtwi-derstand des Bauelementes entsteht Das sind haupt-saumlchlich der Widerstand des Halbleitermaterials derWiderstand an den Kontakten und der ZuleitungenDiese Groumlszlige sollte bei gefertigten Solarzellen moumlg-lichst gering sein

Die Formel fuumlr den Gesamtstrom ist fuumlr dieses Modellbereits eine rekursive Funktion und lautet

I = I phminusI dminusU p

Rp= I phminusI S

983131eU +RsmiddotInmiddotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

Beim Uumlbergang zum Zweidiodenmodell fuumlgt man ei-

Zweidiodenmodell mit spannungsgesteuerter Stromquelle fuumlr denLawinendurchbruch in Sperr-Richtung

ne weitere Diode mit einem anderen Idealitaumltsfaktor nein Normalerweise werden diese uumlber die Werte 1 und2 angesetzt Weiterhin lassen sich alle diese Modellebei Betrieb in Sperr-Richtung durch eine spannungsge-steuerte Stromquelle ergaumlnzen um den Lawinendurch-bruch zu modellieren Die Formeln fuumlr die Stroumlme beim

Zweidiodenmodell lauten dann bei Anpassungsleitwert g Durchbruchspannung U und Lawinendurchbruchex-ponent n

I = I phminusI bminusI S1

983131eU +RsmiddotIn1middotU T minus 1

983133minusI S2

983131eU +RsmiddotIn2middotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

I b = gb middot

(U + Rs middot I )

Rpmiddot983080

1 minus

U + Rs middot I

U b983081minusnb

8 Energetische Amortisation undErntefaktoren

Siehe auch Erntefaktor

Die energetische Amortisationszeit ist der Zeitpunkt zudem die fuumlr die Herstellung einer Photovoltaikanlage auf-gewandte Primaumlrenergie durch selbige wieder erzeugt

wurde Da die bei der Produktion genutzte elektrischeEnergie zu den Sekundaumlrenergien zaumlhlt wird diese mitdem Wirkungsgrad eines fossilen Kraftwerkes in Pri-maumlrenergie umgerechnet Dementsprechend erfolgt dieseUmrechnung auch bei der erzeugten elektrischen Energieder Solarzelle Analog kann man sich vorstellen dass diePhotovoltaikanlage den Strom aus einem konventionellenKraftwerk ersetzt[59]

Die energetische Amortisationszeit von Photovoltaikan-lagen betraumlgt derzeit (Stand 2013) nach einer Studie vonPeng et al global betrachtet zwischen 075 und 35 Jah-ren je nach Standort und verwendeter Photovoltaiktech-

nologie Der Mittelwert schwankt im Bereich von ca15 bis 25 Jahren Dies bedeutet in diesem Zeitraumhat die Photovoltaikanlage wieder die Energie hereinge-spielt die insgesamt waumlhrend ihres gesamten Lebenszy-klus verbraucht wurde Beruumlcksichtigt sind also die Her-stellung der Anlagen ihr Transport die Errichtung Be-trieb und der Ruumlckbau bzw Recycling Die rechnerischenCO2-Emissionen von Photovoltaikanlagen je nach Tech-nik und Standort zwischen 105 und 50 g CO2kWh mitDurchschnitten im Bereich 35 bis 45 g CO2kWh AlsLebensdauer wurde in der Studie 30 Jahre fuumlr Moduleauf Basis kristalliner Siliciumzellen und 20-25 Jahren fuumlr

Duumlnnschichtmodule angenommen fuumlr Lebensdauer derWechselrichter wurden 15 Jahre angenommen[60] Photo-voltaikanlagen liefern demnach waumlhrend ihrer Betriebs-zeit ein Vielfaches der Energie die zu ihrer Herstellungurspruumlnglich aufgewandt wurde

9 Umweltschutz

Die Herstellung photovoltaischer Solarzellen ist ein che-mischer Prozess bei dem gasfoumlrmige fluumlssige und fes-te Chemikalien zum Einsatz kommen die gesundheits-

und umweltschaumldlich sind Aus diesem Grund ist ein ho-her Standard der Prozesssicherheit zentral Unter Ar-beitsschutzaspekten ist eine sichere Ablufterfassung und

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Reinigung zu gewaumlhrleisten Bei dem Einsatz von Nass-waumlschern wird die Abluft durch ein fluumlssiges Absorpti-onsmedium geleitet Wenn dieses aufgebraucht ist ent-steht eine weitere Abwasserquelle neben den Aumltzloumlsun-gen aus der Produktion Diese muumlssen innerbetrieblichwiederaufbereitet oder spezialisierten Entsorgern uumlber-

geben werden Bei der Herstellung von Duumlnnschicht-halbleitern kommt es an den Waumlnden und Aufbautender Prozesskammer zu siliciumhaltigen AblagerungenDie Ruumlckstaumlnde muumlssen regelmaumlszligig entfernt werden dasie den Prozess stoumlren und zu Qualitaumltseinbuszligen fuumlh-ren Zum Entfernen der Ruumlckstaumlnde verwendet manSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid als Reini-gungsgase Beide Gase sind zwar ungiftig gleichwohlaber sehr starke Treibhausgase[61] In der Zellproduk-tion muumlssen die Reinigungsgase mit hoher Volumen-flussrate eingesetzt werden da sie chemisch sehr sta-bil sind und im Plasma zu weniger als 10 in rei-

nigungsaktive Radikale zerfallen Ein Groszligteil des Ga-ses bleibt somit ungenutzt und muss kostenintensiv ent-sorgt werden Zum Teil entweicht es ndash gewollt oder un-gewollt ndash direkt in die Umwelt Hieraus erklaumlrt sichu a auch der kuumlrzlich gemessene starke Anstieg derStickstofftrifluoridkonzentration in der Hochatmosphauml-re besonders uumlber Ost- und Suumldostasien An Stelle vonSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid kann auchdas sehr reaktive Halogen Fluor als Reinigungsgas ver-wendet werden Fluor ist sehr giftig es ist jedoch keinTreibhausgas Auszligerdem laumlsst es sich sehr leicht undruumlckstandsfrei aus Abgasstroumlmen entfernen

Einige Solarzelltypen verwenden anstelle von SiliciumStoffe wie z B toxisches oder karzinogenes CadmiumArsen bzw deren Verbindungen sowie Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid Ein typisches Cadmiumtellurid-Solarmodul enthaumllt zum Beispiel ca 22 g des gefaumlhrli-chen Schwermetalls Cadmium und 25 g Tellur pro msup2Zellflaumlche[62] Bei der Produktion werden beide Sub-stanzen durch Co-Verdampfung auf das Traumlgermaterialaufgebracht Die Co-Verdampfung ist ein ungerichteterProzess bei dem die gesamte Innenoberflaumlche derBeschichtungskammer mit Duumlnnschichten aus TellurCadmiumtellurid Cadmiumsulfid und Antimontelluriduumlberzogen werden Der Materialverbrauch erhoumlht sich

dadurch um mindestens weitere 40

Bei der regelmaumlszligigen Reinigung der Produktionskam-mer mit waumlssriger Saumlure ndash die Reinigung erfolgt ma-nuell ndash werden die Ruumlckstaumlnde in eine waumlssrige Louml-sung uumlberfuumlhrt Neben der eigentlichen Zellprodukti-on stellt also auch die Reinigung der Produktions-anlagen eine Herausforderung an Umweltschutz undArbeitsschutz dar[63][64][65][66][67] Eine neuere Unter-suchung versucht die geringere Gefaumlhrdung die vonCadmiumtellurid-Zellen im Vergleich zur Kohleverbren-nung ausgeht nachzuweisen[36] Produktionsruumlckstaumln-de und Emissionen koumlnnen zu Langzeitschaumlden und

Altlasten fuumlhren Gleiches gilt bei unsachgemaumlszliger Ent-sorgung fuumlr die Altzellen Die Photovoltaik unterschei-

det sich in diesem Aspekt von anderen Technologien zurNutzung regenerativer Energien

10 Sicherheitsbetrachtung

Fuumlr Schutzmaszlignahmen im Brandfall und Blitzeinschlagsiehe Photovoltaikanlage

11 Siehe auch

bull Halbleiterdetektor

bull Sonnensimulator (Photovoltaik)

12 Literatur

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bull Viktor Wesselak Thomas Schabbach ThomasLink Joachim Fischer Regenerative Energietech-nik 2 erweiterte und vollstaumlndig neu bearbeite-te Auflage Springer Vieweg Berlin Heidelberg2013 ISBN 978-3-642-24165-9

bull Peter Wuumlrfel Physik der Solarzellen SpektrumAkademischer Verlag Heidelberg 2000 ISBN 3-8274-0598-X (= Spektrum Hochschultaschenbuch)

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20 14 EINZELNACHWEISE

13 Weblinks

Commons Solarzelle ndash Album mit Bildern Videosund Audiodateien

Wikibooks Herstellung von Solarzellen ndash Lern-

und Lehrmaterialien

bull Die Solarmaus ndash Entstehung der Solarzelle mit Ar-min Maiwald (YouTube-Video)

bull PV-Education ndash detaillierte Online-Vorlesung mitGrundlagen und Anwendungen zur PV (englisch)

bull Photovoltaik ndash Innovationen (BINE Informations-dienst)

14 Einzelnachweise

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15 Text- und Bildquellen Autoren und Lizenzen

151 Text

bull Solarzelle Quelle httpdewikipediaorgwikiSolarzelleoldid=138856800 Autoren Fgb RobertLechner Schewek Igelball Aka StefanKuumlhn Lukian Onno Ilja Lorek Head El GNosis Atman Sun Tsor Matthaumlus Wander Seewolf HenrikHolke Honina Pstaudt-fischbachSchusch GDK Migas Paddy Zwobot Kai11 D HaeB ArtMechanic Hadhuey Robbot Pm Anton HaSee Rdb Boehm ZumboDirk33 AndreasB Pietz Soundray Sinn Peter200 Schmiddtchen Fuenfundachtzig Breeze Magadan Fetz Braun Jdiemer StYxXxSebastianWilken Martin-vogel Mnh Ot Aloiswuest MAK Scorpion2211 Gerhardvalentin Jaques AshSert Philipendula STephanKambor Koerpertraining Nicolas PeeCee Duesentrieb AHZ Hendric Stattmann Kristjan Ri st Hafex Norro Cepheiden Christoph-Demmer Fubar Ckeen DasBee Silberchen iexcl0-8-15 1-1111 VanGore Mjk Groer Umaluagr Mkuemmerer Wendelin Cyper QdrDundak Liberatus Juesch Kdkeller Greuer Drap Garak76 MartinThoma Udo T Zaungast Stephantom Pelz ML Thorbjoern Hein-te Diba Blech Zahnstein Renekaemmerer He3nry SchorSch Ion Tauwasser Bobbl Rosa Lux Gerbil Ulfbastel Hubertl MrVVooUebel H2h Liberal Freemason Quirin Leonce49 Blaubahn Flominator RedBot Anhi Dein Freund der Baum Wkw1959 So66 Cle-mensfranz OKoslowski Itti Yahp Miaow Miaow Zaphiro Eneldo Onliner Wahldresdner Darok MovGP0 Muck Uwezi Loh SyrcroZweistein12 Olei Dantor Krischan111 Nize Uwe W Georg Slickers Amtiss Roterraecher RajHid STBR Jackalope Ephraim33JFKCom Andimx Suirenn Hydro Pajz Dktz RobotQuistnix Alanmak Euku Xocolatl Hermannthomas Eynre Savin 2005 AbrevFireball TheTruth Bahnemann Segelmaus Harf Jakob5 Zemy Nyneela Schmitty TobiWanKenobi DerHexer WAH Sesc RolandBerger Schlesinger Staro1 Mo4jolo GeorgHH MutluMan Nightflyer Matzematik PeterFrankfurt Tomreplay PortalBot Ing Schrouml-der Walter LKD Juuml Manecke Quelokee Mons Maenalus JoBa2282 Stepa Giessauf A Cellulesolaire Lemberger HillerD RadlfahrerHelfmann Logograph Mion KaiMeier Sepp Roest FabiBerg Flo422 Degreen Rai42 Rfc GruumlneErde Btr FelixP Wdwd PendulinAdipictures HAH Toumlnjes Kaumlpten Balu Andreas 06 Batosai Rex Akribix D-Kuru UnknownID01 Cramunhao BesondereUmstaende

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Avene DerGraueWolf Martin1978 Wassertraeger Pleonasty HRoestTypo EmausBot Halbarath Muumldigkeit ReinerSpass Mswisi Un-sterblicher TtIiMmOOO ZeacuteroBot Ottomanisch Dsfranzi Didym Striga Cologinux 30wiki04 Karle07 Ne discere cessa Rabax63Waithamai EnergieLabor Cassirer Randolph33 Mukitil Nummer4 Googolplex Flanschko Georgepauljohnringo Woltmers KrdbotHephaion Andol MerlIwBot Mikered KLBot2 Oguenther Thesurvived99 Herzoeglich Rudschuck Tomaacutes66 Gregou Boshomi Stei-ni77 Isjc99 Derschueler Hans Haase Schwunkel Smallandsimple Ciwd2 Nurax666 Krantnejie Rmcharb Kuschi51 Cimballi Redak-tionPflanze Datenundfakten Ragna314 Fico123456789 Buchbibliothek Blafnu Ferina53Solarous Kritzolina WhistlingBird Budu123Manni Lang HeicoH und Anonyme 686

152 Bilder

bull DateiBest_Research-Cell_Efficienciespng Quelle httpuploadwikimediaorgwikipediacommons335Best_Research-Cell_Efficienciespng Lizenz Public domain Autoren National Renewable Energy Laboratory (NREL) Golden CO minus United StatesDepartment of Energy Originalkuumlnstler National Renewable Energy Laboratory (NREL)

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bull Fraunhofer ISE Report current edition Originalkuumlnstler Eigenes Werk

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24 15 TEXT- UND BILDQUELLEN AUTOREN UND LIZENZEN

bull DateiMonokristalines_Silizium_fuumlr_die_Waferherstellungjpg Quelle httpuploadwikimediaorgwikipediacommons223Monokristalines_Silizium_fC3BCr_die_Waferherstellungjpg Lizenz CC-BY-SA-30 Autoren Originalkuumlnstler

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Page 8: Solar Zelle

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8 2 TYPEN VON SILICIUM-SOLARZELLEN

das Erstarren erfolgt Hier sind die Kantenlaumlngen etwasgroumlszliger als beim Gieszligverfahren (zumeist Standardgroumlszlige690 mm)[24] die Houmlhe des Blocks betraumlgt etwa 20 bis25 cm Der groszlige Block wird ebenfalls in mehrere kleineBloumlcke von zumeist 156 mm Kantenlaumlnge zerteilt DieserArbeitsschritt wird Brikettieren genannt[25]

213 Czochralski-Verfahren

Das Czochralski-Verfahren wird fuumlr die Herstellung vonlangen monokristallinen Staumlben genutzt Der sogenann-te Impfkristall gibt die Orientierung im Kristall vor Vorder Herstellung der Zellen wird der entstandene Zylindernoch zurechtgeschnitten

214 Zonenschmelzverfahren

Das Zonenschmelzverfahren auch Float-Zone-Verfahrengenannt dient auch der Herstellung monokristalliner Si-liciumstaumlbe Die bei diesem Verfahren erzielte Reinheitist im Normalfall houmlher als fuumlr die Solartechnik benouml-tigt und auch mit sehr hohen Kosten verbunden Deshalbwird diese Technik fuumlr die Solartechnik eher selten be-nutzt Das einzige Unternehmen das Float-Zone-Waferin nennenswerten Mengen fuumlr Solarzellen verwendet istdas US-Unternehmen SunPower

215 Waferherstellung

Die Kristallstaumlbe muumlssen nun mit einemDrahtsaumlgeverfahren in Scheiben die sogenanntenWafer gesaumlgt werden Dabei entsteht aus einem groszligenTeil des Siliciums Saumlgestaub dessen Verwertung ab2013 erforscht wurde [26] Die Dicke der entstehendenScheiben liegt bei etwa 018 bis 028 mm

Eine weitere Quelle fuumlr Wafer war urspruumlnglich der Aus-schuss an Rohlingen fuumlr die Herstellung von integriertenSchaltkreisen der Halbleiterfertigung deren zur Weiter-verarbeitung ungeeigneten Rohlinge als Solarzelle ver-wendet werden

Die monokristallinen Zellen zeichnen sich durch eine ho-mogene Oberflaumlche aus waumlhrend bei den polykristallinenZellen gut die einzelnen Zonen mit verschiedener Kris-tallorientierung unterschieden werden koumlnnen ndash sie bil-den ein eisblumenartiges Muster auf der Oberflaumlche

Im Waferstadium sind Vorder- und Ruumlckseite der Zellenoch nicht festgelegt

216 Waferprozessierung

Die gesaumlgten Wafer durchlaufen nun noch mehrere che-

mische Baumlder um Saumlgeschaumlden zu beheben und eineOberflaumlche auszubilden die geeignet ist Licht einzufan-gen Im NormalfallsinddieWafer schon mit einer Grund-

dotierung mit Bor versehen Diese bewirkt dass es uumlber-schuumlssige Defektelektronen (positive Ladungen) gibt dasheiszligt es koumlnnen Elektronen eingefangen werden Daswird auch p-Dotierung genannt Auf dem Weg zur fer-tigen Solarzelle mit p-n-Uumlbergang muss nun die Oberflauml-che noch eine n-Dotierung bekommen was durch Pro-

zessierung der Zelle in einem Ofen in einer Phosphor-Atmosphaumlre geschieht Die Phosphoratome schaffen ei-ne Zone mit Elektronenuumlberschuss auf der Zelloberflauml-che die etwa 1 microm tief ist Nach der Diffusion mit Phos-phor entsteht auf der Oberflaumlche des Wafers Phosphor-glas Um dieses zu entfernen ist ein weiterer sehr kur-zer Aumltzschritt mit Flusssaumlure noumltig Danach wird in einemweiteren Ofen mittels PECVD die Antireflexschicht auf-getragen die der Zelle erst die typische Farbe gibt

Danach erfolgt die Bedruckung der Zelle z B durchSiebdruck mit den notwendigen Loumltzonen und der Struk-tur welche fuumlr den besseren Abgriff des generierten elek-

trischen Stroms sorgt Die Vorderseite erhaumllt meist zweibreitere Streifen auf denen spaumlter die Baumlndchen zumVerbinden mehrerer Zellen befestigt werden Auszligerdemwird ein sehr duumlnnes elektrisch gut leitendes Raster auf-gebracht was einerseits den Lichteinfall so wenig wiemoumlglich behindern und andererseits den ohmschen Wi-derstand der Deckelektrode verringern soll Die Ruumlcksei-te wird meist vollflaumlchig mit einem gut leitenden Materialbeschichtet

Nach der Prozessierung werden die Zellen nach optischenund elektrischen Merkmalen klassifiziert sortiert und fuumlrdie Fertigung von Solarmodulen zusammengestellt

22 Direkte Herstellung von Platten bzwSchichten

Um den Umweg des Saumlgens von Wafern aus Kristallblouml-cken zu vermeiden gibt es umfangreiche Aktivitaumlten So-larzellen direkt zu erzeugen

221 EFG-Verfahren

Beim EFG-Verfahren (von engl edge-defined film-fed growth ungefaumlhre Uumlbersetzung bdquokantendefiniertesFilmwachstumldquo) werden aus einer elektrisch beheiztenGraphitwanne aus fluumlssigem Reinstsilicium achteckigeRoumlhren von etwa 6 bis 7 m Laumlnge nach oben gezo-gen Die Ziehgeschwindigkeit liegt im Bereich von ca 1mms Die Kantenlaumlnge der einzelnen Seiten betraumlgt 10bzw 125 cm die Wandstaumlrke ca 280 microm Nach Fer-tigstellung der Roumlhre wird diese entlang der Kanten mitNdYAG-Lasern geschnitten und in einem bestimmtenRaster dann uumlber die Breite der jeweiligen Seite Darausergibt sich die Moumlglichkeit der Herstellung von Zellenmit unterschiedlichen Kantenlaumlngen (zum Beispiel 125

cm times 15 cm oder 125 cm times 125 cm) Es wird eineAusbeute von etwa 80 des Ausgangsmaterials erzieltBei den so erzeugten Zellen handelt es sich ebenfalls um

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24 Solarzellen aus speziellen Siliciumstrukturen 9

polykristallines Material welche sich vom Aussehen herdeutlich von den gesaumlgten Zellen unterscheidet Unter an-derem ist die Oberflaumlche der Zellen welliger Ein Vor-teil im Vergleich zum Saumlgen aus Bloumlcken ist die weit-gehende Vermeidung von Verschnitt der zudem nichtmit Schneidefluumlssigkeit (engl slurry vgl Kolloide) ver-

unreinigt ist Dieses Verfahren wird auch Bandzieh- oderOctagon-Verfahren genannt

Das EFG-Verfahren wurde bis 2009 von der FirmaSchott Solar (Deutschland) angewendet Von einer wei-teren Verwendung musste abgesehen werden da SchottSolar als einziger Anwender dieses Prozesses die Wei-terentwicklung im Vergleich zu anderen Prozessen mitmehr Entwicklern im Hintergrund nicht schnell genugvorantreiben konnte[27] Entwickelt wurde das Verfahrenvon der Firma ASE Solar (USA)

222 String-Ribbon-Verfahren

Weiterhin gibt es das String-Ribbon-Verfahren der insol-venten US-amerikanischen Firma Evergreen Solar beidem die Wafer zwischen zwei Faumlden direkt aus der Sili-ciumschmelze gezogen werden[27] Dabei entsteht weni-ger Abfall (wie Spaumlne usw die normalerweise direkt ent-sorgt werden) als bei den herkoumlmmlichen Verfahren Alsdeutsches Unternehmen verwendete die Sovello AG dasString-Ribbon-Verfahren zur Produktion von Wafern

223 Schichttransfer-Verfahren

Beim Schichttransfer-Verfahren wird eine nur ca 20 micromduumlnne Schicht aus einkristallinem Silicium direkt flachauf einem Substrat gezuumlchtet Als Traumlgermaterial eignensich keramische Substrate oder auch speziell oberflaumlchen-behandeltes Silicium wodurch das Abloumlsen des entstan-denen Wafers und die Wiederverwendung desTraumlgers ge-geben ist Die Vorteile dieser Verfahren sind der deut-lich geringere Siliciumbedarf durch die geringe Dickeund der Wegfall der Saumlgeverluste Der Saumlgevorgang als

zusaumltzlicher Prozessschritt entfaumlllt Der erreichbare Wir-kungsgrad ist hoch und liegt im Bereich von monokris-tallinen Zellen

23 Solarzellen aus bdquoschmutzigemldquo Silici-um

Der Prozess des Zonenschmelzens und Dotierens laumlsstsich auch in eine bereits gefertigte flache Platte bzwSchicht verlagern Das Prinzip ist dass die Verunreini-

gungen durch Waumlrmebehandlung (mehrfach lateral fort-schreitende Umschmelzung z B mit Laserstrahlung) desSiliciums an wenigen Stellen konzentriert werden[28]

24 Solarzellen aus speziellen Silicium-strukturen

Seit den 2000er Jahren arbeiten verschiedene For-schungsgruppen an Solarzellen auf Basis von langen bdquoSi-liciumstaumlbchenldquo (manchmal auch bdquoSiliciummikrodraumlh-teldquo genannt) im Mikrometermaszligstab[29][30] Die einzel-nen Siliciumstaumlbchen sind in der Regel einige Mikrome-ter dick und ca 200 Mikrometer lang Strukturen aussenkrecht zu einer Traumlgerflaumlche angeordneten Staumlbchenzeigen gegenuumlber konventionellen Solarzellen aus Silici-um eine erhoumlhte Absorption von Sonnenlicht in einembreiten Spektralbereich vgl Schwarzes Silicium

Ein Beispiel fuumlr eine solche Solarzelle wurde 2010 voneiner Arbeitsgruppe um Harry Atwater vom CaliforniaInstitute of Technology vorgestellt Sie stellten uumlber 100Mikrometer lange Staumlbchen mithilfe der sogenanntenVLS-Technik[31] (von engl vapor -liquid -solid ) her uumlber-gossen diese anschlieszligend zur Stabilisierung mit durch-sichtigem biegsamem Kunststoff (PolydimethylsiloxanPDMS) und loumlsten danach die fertige Zelle von derPlatte[29] Diese Zellen zeigen wie zuvor erwaumlhnt eineerhoumlhte Absorption von insgesamt bis zu 85 des einfal-lenden Lichts uumlber einen groszligen Spektralbereich Die soerzeugten Solarzellen im Laborstatus haben einen hohenWirkungsgrad Ihre Herstellung verbraucht nur 1 Prozentder sonst zur Solarzellenproduktion uumlblichen Silicium-menge auszligerdem sind diese Solarzellen biegbar[32]

3 Andere Solarzellentypen

31 Duumlnnschichtzellen

Kleine amorphe Si-Duumlnnschichtsolarzelle auf Glas vier Zellenin Reihe

Duumlnnschichtzellen gibt es in verschiedenen Ausfuumlhrun-gen je nach Substrat und aufgedampften Materialien

Die Spannbreite der physikalischen Eigenschaften undder Wirkungsgrade ist entsprechend groszlig Duumlnnschicht-zellen unterscheiden sich von den traditionellen Solar-

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10 3 ANDERE SOLARZELLENTYPEN

Ruumlckseite (Schichtseite braun lackiert)

Solarzellentypen

zellen (kristallinen Solarzellen basierend auf Silicium-wafern) vor allem in ihren Produktionsverfahren unddurch die Schichtdicken der eingesetzten MaterialienDie physikalischen Eigenschaften amorphen Siliciumsdie von kristallinem Silicium verschieden sind beeinflus-sen die Solarzelleneigenschaften Manche Eigenschaftensind auch noch nicht vollstaumlndig verstanden

Auch bei kristallinen Solarzellen wird das Licht bereitsin einer duumlnnen Oberflaumlchenschicht (ca 10 microm) absor-biert Es liegt daher nahe Solarzellen sehr duumlnn zu fer-tigen Verglichen mit kristallinen Solarzellen aus Silici-umwafern sind Duumlnnschichtzellen etwa 100-mal duumlnner

Diese Duumlnnschichtzellen werden meist durch Abscheidenaus der Gasphase direkt auf einem Traumlgermaterial aufge-bracht Das kann Glas Metallblech Kunststoff oder auchein anderes Material sein Der aufwaumlndige im vorigenKapitel beschriebene Prozess des Zerschneidens von Si-liciumbloumlcken kann also umgangen werden

Das bisher gaumlngigste Material fuumlr Duumlnnschichtzellen istamorphes Silicium (a-SiH) Solche Duumlnnschichtmodu-le sind langlebige Produkte Freiluft-Tests zeigen sta-bile Wirkungsgrade uumlber mehr als zehn Jahre Moumlgli-che weitere Materialien sind mikrokristallines Silicium(microc-SiH) Gallium-Arsenid (GaAs) Cadmiumtellurid

(CdTe) oder Kupfer-Indium-(Gallium)-Schwefel-Selen-Verbindungen die so genannten CIGS-Solarzelle bzwCIS-Zellen wobei hier je nach Zelltyp S fuumlr Schwefel

oder Selen stehen kann Ein neuesMaterial das neu in derDuumlnnschichttechnologie Anwendung findet ist CZTS

Wirkungsgrade im Bereich von 20 (217 mit CIGS-Solarzellen siehe[33]) fuumlr kleine CIGS-Laborzellen (asymp 05cmsup2) sind durchaus moumlglich CIGS-Duumlnnschichtmodule

erreichen inzwischen aumlhnliche Wirkungsgrade wie Mo-dule aus polykristallinem Silicium (11ndash12 [34])Fuumlr Cadmiumtellurid-Zellen lag der Wirkungsgrad beiLaborzellen im August 2014 bei 21 [35]

Wichtiger sind oft die Kostenzu denen Stromaus den So-larzellen produziert werden kann dazu kommen wichti-ge Kriterien wie die Emission von Schadstoffen Aktuel-le Studien belegen dass Cadmiumtellurid-Duumlnnschicht-Solarzellen hier eine bessere Bilanz als konventionelle Si-liciumzellen aufweisen[36]

Eine weitere Staumlrke von Duumlnnschichtmodulen ist dasssie einfacher und groszligflaumlchiger produziert werden koumln-

nen insbesondere die Duumlnnschichtzellen aus amorphemSilicium Duumlnnschichtmodule sind nicht auf ein rigidesSubstrat wie Glas oder Aluminium angewiesen bei auf-rollbaren Solarzellen fuumlr den Wanderrucksack oder ein-genaumlht in Kleider wird ein geringerer Wirkungsgrad inKauf genommen der Gewichtsfaktor ist wichtiger als dieoptimale Lichtumwandlung

Zur Herstellung eignen sich Maschinen welche auchzur Herstellung von Flachbildschirmen eingesetzt wer-den Dabei werden Beschichtungsflaumlchen von uumlber 5 msup2erreicht Mit den Verfahren zur Herstellung von amor-phem Silicium laumlsst sich auch kristallines Silicium induumlnnen Schichten herstellen sogenanntes mikrokristal-lines Silicium Es vereint Eigenschaften von kristalli-nem Silicium als Zellenmaterial mit den Methoden derDuumlnnschichttechnik In der Kombination aus amorphemund mikrokristallinem Silicium wurden in den letztenJahren beachtliche Wirkungsgradsteigerungen erzielt

Ein Verfahren fuumlr die Fertigung kristalliner Duumlnnschicht-zellen aus Silicium ist CSG (Crystalline Silicon onGlass) dabei wird eine weniger als zwei Mikrometerduumlnne Siliciumschicht direkt auf einen Glastraumlger aufge-bracht die kristalline Struktur wird nach einer Waumlrme-behandlung erreicht Das Aufbringen der Stromfuumlhrungerfolgt mittels Laser- und Tintenstrahldrucktechnik Da-fuumlr wurde 2005 von der Firma CSG Solar eine Fabrika-tionsanlage in Deutschland gebaut Weil das Verfahrennicht wirtschaftlich zu betreiben war musste das Unter-nehmen nach kurzer Zeit seine Produktion einstellen Derchinesische Solarkonzern Suntech erwarb das Unterneh-men und seine Technologie hat aber 2011 die Aktivitauml-ten in diesem Bereich aufgegeben und das Unternehmengeschlossen[37]

Es werden derzeit Duumlnnschichtsolarzellen aus schwarzemSilicium entwickelt die einen etwa doppelten Wirkungs-grad erreichen sollen[38]

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34 Elektrochemische Farbstoff-Solarzelle 11

Schematischer Aufbau einer Konzentratorzelle

32 Konzentratorzellen

Bei Konzentratorzellen (auch Konzentrator-Photovoltaik engl Concentrated PV CPV) wird Halbleiterflaumlche ein-gespart indem das einfallende Sonnenlicht zunaumlchst

auf einen kleineren Bereich konzentriert wird Das er-reicht man durch Konzentratoren wie z B Linsen zu-meist Fresnel-Linsen oder auch Lichtleitkoumlrper die dieTotalreflexion nutzen[39][40] Diese sind im Vergleich zuHalbleitern bezogen auf die Flaumlche preiswerter Es kannsomit zu geringeren Kosten die Sonneneinstrahlung ei-ner groumlszligeren Flaumlche ausgenutzt werden Haumlufig verwen-dete Materialien fuumlr Konzentratorsolarzellen sind III-V-Halbleiter Zumeist werden Mehrfachsolarzellen (siehenaumlchster Abschnitt) verwendet die fuumlr vollflaumlchige So-larzellen unwirtschaftlich waumlren Sie arbeiten noch zu-verlaumlssig bei mehr als dem 500-fachen der Sonneninten-

sitaumlt Konzentratorsolarzellen muumlssen dem Sonnenstandnachgefuumlhrt werden damit ihre Optik die Sonnenstrah-lung auf die Zellen buumlndeln kann Zusaumltzlicher Effekt derLichtkonzentration ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wir-kungsgrades da die Leerlaufspannung ansteigt Die US-Energiebehoumlrde hat mit dieser Technik Wirkungsgradevon uumlber 40 erreicht[41][42]

33 Mehrfachsolarzellen

rarr Hauptartikel Tandem-Solarzelle

Mehrfachsolarzellen bestehen aus zwei oder mehr So-larzellen mit verschiedenem Material die monolithisch

uumlbereinander geschichtet sind Zweck dieser Anord-nung ist es den Wirkungsgrad der gesamten Anordnungzu erhoumlhen Die Wirkungsgrade bei Labormustern vonTandem-Konzentratorsolarzellen erreichten 2008 und2009 uumlber 40 So wurde am Fraunhofer Institut fuumlrSolare Energiesysteme ISE mit einer Mehrfachsolarzel-

le und 454-facher Konzentration ein Wirkungsgrad von411 erzielt[43]

34 Elektrochemische Farbstoff-Solarzelle

rarr Hauptartikel Graumltzel-Zelle

Bei Farbstoffsolarzellen auch bekannt als Graumltzel-Zellenwird der Strom anders als bei den bisher aufgefuumlhrtenZellen uumlber die Lichtabsorption eines Farbstoffes gewon-nen als Halbleiter kommt Titandioxid zum Einsatz Als

Farbstoffe werden hauptsaumlchlich Komplexe des seltenenMetalls Ruthenium verwendet zu Demonstrationszwe-cken koumlnnen aber selbst organische Farbstoffe zum Bei-spiel der Blattfarbstoff Chlorophyll oder Anthocyane (ausBrombeeren) als Lichtakzeptor verwendet werden (die-se besitzen jedoch nur eine geringe Lebensdauer) DieFunktionsweise der Zelle ist noch nicht im Detail geklaumlrtdie kommerzielle Anwendung gilt als recht sicher ist aberproduktionstechnisch noch nicht in Sicht

Konventionelle n-Typ-Farbstoffsolarzellen arbeiten miteiner Photoanode einer positiven Elektrode die mit ei-nem n-Halbleiter zB Titandioxid und einem Farbstoff

beschichtet ist Trifft Licht darauf werden die Farbstoff-molekuumlle angeregt und setzen Elektronen frei Ein Re-doxmediator der als Bestandteil des Elektrolyten zwi-schen den Elektroden frei beweglich ist regeneriert denFarbstoff Beim p-Typ (p-DSC p-dye-sensitized solarcell) laumluft der Prozess genau entgegengesetzt Ein spezi-eller Farbstoff und ein p-Halbleiter befinden sich auf ei-ner Photokathode Der durch Licht angeregte Farbstoffsaugt Elektronen aus dem Valenzband des p-HalbleiterszB Nickeloxid heraus Das uumlblicherweise eingesetz-te System aus Iodid und Tri-Iodid ersetzten Wissen-schaftler der Monash University der Commonwealth Sci-

entific and Industrial Research Organization (Australi-en) und der Universitaumlt Ulm durch den Kobalt-KomplexTris(12-diaminoethan)cobalt(IIIII) bei dem das Ko-balt zwischen den Oxidationsstufen +2 und +3 wech-seln kann Zellen auf dieser Basis erreichen dabei einehoumlhere Energieumwandlungseffizienz Ein weiterer An-satz um die Leistung von photovoltaischen Zellen zusteigern ist die Kombination einer n- und einer p-Typ-Farbstoffsolarzelle zu einer Tandem-Solarzelle[44]

35 Organische Solarzellen

rarr Hauptartikel Organische SolarzelleEine organische Solarzelle ist eine Solarzelle die aus

Werkstoffen der organischen Chemie besteht d h aus

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12 3 ANDERE SOLARZELLENTYPEN

Ein kommerziell erhaumlltliches flexibles Modul einer polymeren or- ganischen Solarzelle

Kohlenwasserstoff-Verbindungen (Kunststoffen) Diese

Verbindungen haben elektrisch halbleitende Eigenschaf-ten Der Wirkungsgrad mit dem Sonnenenergie inelektrische Energie umgewandelt wird liegt mit 120 (Stand Januar 2013)[45] noch unterhalb von dem von So-larzellen aus anorganischem Halbleitermaterial Organi-sche Solarzellen bzw Plastiksolarzellen wie sie auch ge-nannt werden sind aufgrund der Moumlglichkeiten hinsicht-lich guumlnstiger und vielseitiger Herstellungsverfahren einaktuelles Forschungsthema Die von den Herstellern die-ser Zellen auf Kunststoffbasis genannten Vorteile gegen-uumlber herkoumlmmlichen Siliciumsolarzellen sind

bull

Geringe Herstellungskosten aufgrund billiger Pro-duktionstechnologien

bull Hohe Stromausbeuten durch Duumlnnschicht-Groszligflaumlchentechnologien fuumlr Kunststoffe

bull Flexibilitaumlt Transparenz und einfache Handhabung(mechanische Eigenschaften von Kunststoffen)

bull Hohe Umweltvertraumlglichkeit (Kunststoffe auf Koh-lenstoffbasis)

bull Anpassung an das Sonnenspektrum durch gezieltePolymersynthese

bull bdquoBunteldquo Solarzellen fuumlr architektonische Stilele-mente

Im Vergleich zu den ersten organischen Solarzellen wur-den inzwischen viele Fortschritte erzielt

Das Material fuumlr diesen Solarzellentyp basiert auf or-ganischen Kohlenwasserstoffverbindungen mit spezifi-scher elektronischer Struktur dem konjugierten π-Elektronensystem welches den betreffenden Materiali-en die wesentlichen Eigenschaften amorpher Halblei-ter verleihen Typische Vertreter organischer Halbleitersind konjugierte Polymere und Molekuumlle wobei auch

speziell synthetisierte Hybridstrukturen verwendet wer-den Die ersten Kunststoffsolarzellen die aus konju-gierten Polymeren (Elektronendonatoren) und Fullerenen

(Elektronenakzeptoren) hergestellt wurden waren Zwei-Schicht-Solarzellen Diese Zellen bestehen aus einer duumln-nen Schicht des konjugierten Polymers auf die eineweitere duumlnne Schicht von Fullerenen aufgebracht wirdAus technologischer Sicht stellen konjugierte Polyme-re und funktionalisierte Molekuumlle auf Grund ihrer Pro-

zessierbarkeit aus der Fluumlssigphase attraktive Basisma-terialien fuumlr die kostenguumlnstige Massenproduktion flexi-bler PV-Elemente mit vergleichsweise einfacher Strukturdar Molekulare Halbleiter hingegen werden uumlblicherwei-se in vakuumgestuumltzten Aufdampfprozessen zu wohlde-finierten Mehrschichtsystemen verarbeitet und lassen dieHerstellung sequentiell abgeschiedener Halbleiterschich-ten und somit komplexere Zelltypen (z B Tandemzellen)zu

Die organische Photovoltaik (OPV) hat das technologi-sche Potenzial als sogenannte bdquoLow-cost Energy SourceldquoEinzug in die mobile Stromversorgung zu halten Dies

auch aufgrund der kostenguumlnstigen Massenfertigung aufBasis etablierter Druckverfahren Damit koumlnnte mit derorganischen Photovoltaik ein neuer Anwendungsbereicherschlossen werden bei gleichzeitig niedrigen Investiti-onskosten Die Firma Konarka Technologies GmbH inNuumlrnberg hatte 2009 erste organische Kollektoren fuumlrMobilgeraumlte auf den Markt gebracht[46]

36 Hybrid-Solarzelle

Eine Hybridsolarzelle ist eine Solarzelle die organischeund anorganische Bestandteile enthaumllt[47]

37 Fluoreszenz-Zelle

Fluoreszenz-Zellen sind Solarzellen die zunaumlchst in ei-ner Platte durch Fluoreszenz Licht groumlszligerer Wellenlaumlngeerzeugen um dieses an den Plattenkanten zu wandeln

38 Thermische Photovoltaik-Zellen(TPV)

Unter dem Namen Thermische Photovoltaik-Zellen(TPV) werden Zellen auf Basis von InP (fruumlher GaSb)verstanden die nicht Sonnenlicht verwerten sondernWaumlrmestrahlung also Licht wesentlich houmlherer Wel-lenlaumlnge Der Wirkungsgrad wurde dabei durch neuereArbeiten[48] bis auf 12 gesteigert (vorher maximal 9) Eine potentielle Anwendung solcher Zellen waumlre

die Verwertung von Waumlrme wie sie bei groszligtechnischenAnwendungen in groszligen Mengen entsteht und die bishermit zusaumltzlichem Aufwand entsorgt werden muss

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4 Geschichte

rarr Hauptartikel Geschichte der Photovoltaik

Die Nutzung der Sonne zur Gewinnung von elektrischerEnergie kann man grob in das Jahr 1839 datieren DerFranzose Alexandre Edmond Becquerel stellte fest dasseine Batterie wenn man sie dem Sonnenlicht aussetzteine houmlhere Leistung hat als ohne Sonnenlicht Er nutz-te den Potentialunterschied zwischen einer verdunkeltenund einer belichteten Seite einer chemischen Loumlsung indie er zwei Platinelektroden eintauchte Als er nun die-se Konstruktion in die Sonne stellte beobachtete er dassein Strom zwischen den zwei Elektroden entstand So ent-deckte er den photovoltaischen Effekt konnte ihn aller-dings noch nicht erklaumlren Spaumlter wies man nach dassauch andere Materialien wie Kupfer photoleitfaumlhig sind

Die Photoleitfaumlhigkeit wurde bei Selen 1873 nachgewie-sen Zehn Jahre spaumlter wurde die erste bdquoklassischeldquo Pho-tozelle aus Selen gefertigt Wiederum zehn Jahre spaumlter1893 wurde die erste Solarzelle zur Erzeugung von Elek-trizitaumlt gebaut

1904 entdeckte der oumlsterreichisch-ungarische PhysikerPhilipp Lenard dass Lichtstrahlen beim Auftreffen aufbestimmte Metalle Elektronen aus deren Oberflaumlche her-ausloumlsen und lieferte damit die ersten Erklaumlrungen fuumlrdenEffekt der Photovoltaik Ein Jahr spaumlter erhielt er den No-belpreis fuumlr Physik fuumlr die Erforschung des Durchgan-ges von Kathodenstrahlen durch Materie und fuumlr seineElektronentheorie Den endguumlltigen Durchbruch schaffte1905 Albert Einstein als er mit Hilfe der Quantentheo-rie die gleichzeitige Existenz des Lichtes sowohl als Welleals auch als Teilchen erklaumlren konnte Bis dahin glaubteman dass Licht nur als eine Energie mit unterschiedlicherWellenlaumlnge auftritt Doch Einstein stellte in seinen Ver-suchen die Photovoltaik zu erklaumlren fest dass sich Lichtin manchen Situationen genauso wie ein Teilchen verhaumlltund dass die Energie jedes Lichtteilchens oder Photonsnur von der Wellenlaumlnge des Lichts abhaumlngt Er beschriebdas Licht als eine Ansammlung von Geschossen die aufdas Metall treffen Wenn diese Geschosse genuumlgend En-

ergie besitzen wird ein freies Elektron das sich im Me-tall befindet und von einem Photon getroffen wird vomMetall geloumlst Auszligerdem entdeckte er dass die maxima-le kinetische Energie der losgeloumlsten Elektronen von derIntensitaumlt des Lichtes unabhaumlngig ist und nur durch dieEnergie des auftreffenden Photons bestimmt wird DieseEnergie haumlngt wiederum nur von der Wellenlaumlnge (oderder Frequenz) des Lichtes ab Fuumlr seine Arbeit zum pho-toelektrischen Effekt erhielt er 1921 den Nobelpreis fuumlrPhysik

Die Entdeckung des p-n-Uumlbergangs (Kristallgleichrich-ters) im Jahre 1947 durch William B Shockley Walther

H Brattain und John Bardeen war ein weiterer groszligerSchritt zur Solarzelle in ihrer heutigen Form Nach die-sen Entdeckungen stand dem Bau einer Solarzelle in ih-

rer heutigen Form nichts mehr entgegen Es ist jedocheinem gluumlcklichen Zufall zu verdanken dass diese ersteSolarzelle 1954 in den Laboratorien der amerikanischenFirma Bell gebaut wurde Die Mitarbeiter der Firma (un-ter Teamleiter Morton Price) beobachteten als sie einenGleichrichter der mit Hilfe von Silicium arbeitete un-

tersuchten dass dieser mehr Strom lieferte wenn er inder Sonne stand als wenn er zugedeckt war Bei Bell er-kannte man schnell den Nutzen dieser Entdeckung zurVersorgung des Telefonnetzes von laumlndlichen Regionenmit Strom was bis dahin noch mit Batterien geschah DieFirma Bell genauer Daryl Chapin Calvin Souther Fullerund Gerald Pearson entwickelte 1953 die erste mit Arsendotierte Solarzelle auf Siliciumbasis welche einen Wir-kungsgrad von etwa 4 besaszlig Durch den Wechsel desDotierungsmittels konnte der Wirkungsgrad auf etwa 6 erhoumlht werden

Modell von Vanguard 1

Die Raumfahrt erkannte sehr schnell den Nutzen derSolartechnik und ruumlstete 1958 zum ersten Mal einenSatelliten mit Solarzellen aus Vanguard 1 startete am17 Maumlrz 1958 und war erst der vierte Satellit uumlber-haupt Er besaszlig ein Solarpanel welches mit 108 Silicium-Solarzellen ausgestattet war Diese dienten nur als Lade-

station der Akkus und nicht zur direkten Stromversor-gung Dabei wurde errechnet dass die Zellen einen Wir-kungsgrad von 105 besaszligen Die Konstrukteure hatteneine geringere Energieausbeute und eine kuumlrzere Lebens-dauer angenommen so dass man diesen Satelliten nichtmit einem bdquoAusschalterldquo versehen hatte Erst nach achtJahren stellte der Satellit aufgrund von Strahlenschaumldenseinen Betrieb ein

Kurz darauf entstand die CdS-Cu2S-Solarzelle die bisAnfang der 1990er noch in Satelliten eingesetzt wurdenHeutige Satelliten sind zum Vergleich mit Vanguard I mitrund 40000 Solarzellen ausgestattet

Im Weltraum steht der natuumlrlichen Sonnenstrahlung imVergleich zur Erdoberflaumlche nichts entgegen keine Wol-kendecken und keine Strahlung absorbierende und mehr

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14 5 FORMEN UND GROumlszligEN

oder weniger verschmutzte Atmosphaumlre die das Sonnen-licht behindert Andererseits fuumlhren die extremen Strah-lungsverhaumlltnisse im Weltraum zu einer staumlrkeren Degra-dation der Solarzellen als es auf der Erde der Fall ist Seit-her versuchen Industrie und Forschung immer groumlszligereWirkungsgrade zu erreichen und zugleich die Degradati-

on und Strahlungsresistenz zu verbessern

Grafik Juno vor dem Jupiter

Uumlblicherweise werden Raumsonden im inneren Sonnen-system durch Solarzellen mit Strom versorgt Dadurchdass heutige fuumlr Raumfahrtzwecke verwendete Solarzel-len nicht nur 50 effizienter sondern auch strahlungs-resistenter als die noch vor 20 Jahren verwendeten Sili-

ciumzellen sind[49] kann im Jahr 2011 die RaumsondeJuno als erste mit Solarzellen ausgeruumlstete Raumsondezum in Strahlung getauchten Planeten Jupiter starten

Durch die Verwendung reineren Siliciums und bessererDotierungsmoumlglichkeiten wurde der Wirkungsgrad ge-steigert und die Lebensdauer erhoumlht Mandelkorn undLamneck verbesserten die Lebensdauer der Zellen 1972durch eine Reflexion der Minoritaumltsladungstraumlger in demsie ein sogenanntes back surfaces field (BSF) in die p-leitende Schicht einbrachten 1973 stellten Lindmayerund Ellison die sog violette Zelle vor die bereits ei-nen Wirkungsgrad von 14 besaszlig Durch das Reduzie-

ren des Reflexionsvermoumlgens wurde 1975 der Wirkungs-grad auf 16 gesteigert Diese Zellen heiszligen CNR-Solarzellen (englisch Comsat Non Reflection Comsat =Telefonsatellit ) und wurden fuumlr Satelliten entwickelt In-zwischen sind von Green sowie an der Stanford Univer-sitaumlt und bei Telefunken Solarzellen mit Wirkungsgradenum 20 entwickelt worden Der theoretische Wirkungs-grad fuumlr Silicium-Solarzellen liegt bei 29 fuumlr die Strah-lungsverhaumlltnisse in mittleren Breiten Zu den Wirkungs-graden siehe auch technische Merkmale

Maszliggeblicher Anstoszlig fuumlr diese Entwicklung war Anfangder Siebziger die Vervierfachung des Oumllpreises Nach

dieser Preissteigerung rief Richard Nixon 1974 ein For-schungsprogramm ins Leben welches sich mit regenera-tiven Energien auseinandersetzte Bis dahin kostete jedes

Watt 200 Dollar und war somit nicht konkurrenzfaumlhigUm die Akzeptanz und das Vertrauen bei der Bevoumllke-rung zu gewinnen wurden Anfang der 1980er Rennenmit Solarmobilen ausgetragen und im Juli 1981 uumlber-querte ein mit Solarkraft angetriebenes Flugzeug den Aumlr-melkanal

Duumlnnschichtmodule aus amorphenSilicium ermoumlglichtendie autonome Versorgung von Taschenrechnern Uhrenund anderen Kleinverbrauchern

Module mit kristallinen Zellen wurden zunaumlchst fuumlr Insel-Systeme mit 12 V Systemspannung auf der Basis einerBleibatterie genutzt Ab 1990 begann in Deutschland mitdem 1000-Daumlcher-Programm der groszligflaumlchige Einsatz innetzgekopplten Systemen

Bis gegen Ende der 1990er Jahre waren Zellen mit et-wa 100 mm Kantenlaumlnge (im Fachjargon auch Vier-Zoll-Zellen genannt) und 36 Zellen pro Modul fuumlr 12-V-

Systeme die uumlblichste Baugroumlszlige Danach wurden 125-mm-Zellen (5rdquo) verstaumlrkt fuumlr Module mit 72 Zellen fuumlr 24V Systemspannung genutzt und seit etwa 2002 sind 156-mm-Zellen (Kantenlaumlnge 156 mm bzw 6 Zoll) fuumlr Stan-dardmodule mit typisch 60 Zellen die gaumlngige Groumlszlige[50]

Versuche zur Einfuumlhrung von 8-Zellen wurden abge-brochen da die mechanische Stabilitaumlt eine Erhoumlhungder Waferdicke und damit des Materialeinsatzes erfor-dert haumltte

Ab 2007 konnten Duumlnnschichtmodule mit Zellen aus Cd-Te der Firma FirstSolar einen Preisrutsch fuumlr Solarmo-dule ausloumlsen Werke fuumlr Module mit CIS- und CIGS-

Zellen wurden aufgebaut Aber seit 2012 haben Moduleaus kristallinem Silicium gefertigt in China mit ihremKostenvorteil zusammen mit der inzwischen gesichertenVersorgung mit ausreichend Rohsilicium den Markt er-obert

5 Formen und Groumlszligen

Zu Beginn der Kommerzialisierung der Solartechnikwurden haumlufig runde Zellen eingesetzt deren Ursprung

von den meist runden Siliciumstaumlben der Computerin-dustrie herruumlhrt Inzwischen ist diese Zellenform relativselten und es werden quadratische Zellen oder fast qua-dratische mit mehr oder weniger abgeschraumlgten Eckeneingesetzt Als Standardformate werden derzeit Wafermit einer Kantenlaumlnge von 125 und 156 mm prozessiertkuumlnftig sollen aber auch Zellen mit einer Kantenlaumlnge von210 mm Bedeutung erlangen

Durch Saumlgen der fertig prozessierten Zellen entstehen fuumlrspezielle Anwendungen im Kleingeraumltebereich auch Zel-len mit kleineren Kantenlaumlngen Sie liefern annaumlhernd diegleiche Spannung wie die groszligen Zellen jedoch entspre-

chend der kleineren Flaumlche einen kleineren StromIm EFG-Verfahren werden auch Zellen hergestellt beidenen die Seiten des entstehenden Rechtecks nicht die

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61 Thermodynamisches Limit I 15

gleichen Laumlngen haben

6 Wirkungsgrad

Vergleich der praktisch erzielbaren Wirkungsgrade verschie-

dener Solarzellen und deren zeitliche Entwicklung Die vio-letten Kurven im oberen Bereich stellen sogenannte Tandem-Solarzellen eine Kombination verschiedener pn-Uumlbergaumlnge dar

Der Wirkungsgrad η einer Solarzelle ist das Verhaumlltnisder von ihr erzeugten elektrischen Leistung P elektrisch undder Leistung der einfallenden Strahlung P Licht

η = P elektrisch

P Licht

Der maximale Wirkungsgrad η einer Solarzelle ist vom

Bandabstand und der Anzahl der auf verschiedene Spek-tralbereiche optimierten pn-Uumlbergaumlnge abhaumlngig Bei ei-nem pn-Uumlbergang ist bei optimalem Bandabstand unddarauf in der Wellenlaumlnge abgestimmtem Licht theo-retisch ein Wirkungsgrad von bis zu 41 erzielbarIn praktischen Anwendungen liegen tatsaumlchlich erziel-bare Wirkungsgrade um und unter 25 Bei Tandem-Solarzellen welche durch mehrere unterschiedliche pn-Uumlbergaumlnge groumlszligere Spektralbereiche abdecken koumlnnenkoumlnnen die Gesamtwirkungsgrade aller pn-Uumlbergaumlnge inSumme auch uumlber der theoretischen Grenze von 41 liegen

Der Rekord fuumlr im Labor hergestellte Silicium-Solarzellen liegt bei 247 Prozent (University of NewSouth Wales Australien) mit denen Module mit uumlber22 Prozent Wirkungsgrad hergestellt wurden DieDegradation des Wirkungsgrades (Alterungsverhalten)liegt bei ca 10 Prozent in 25 Jahren Hersteller gebenbeispielsweise Garantien auf mindestens 80 Prozent derPeak-Leistung nach 20 Jahren

Im Weltraum ist einerseits die Solarkonstante groumlszliger alsdie Globalstrahlung auf der Erde andererseits altern dieSolarzellen schneller Solarpanele fuumlr Satelliten erreichenzur Zeit (2005) einen Wirkungsgrad von fast 25 [51] bei

einer Betriebszeit von 15 JahrenEin hoher Wirkungsgrad ist erstrebenswert weil er beigleichen Lichtverhaumlltnissen und gleicher Flaumlche zu einer

groumlszligeren Ausbeute an elektrischem Strom fuumlhrt Fuumlr jedeMaschine die auf der Erde aus Sonnenlicht oder auf an-dere Weise mechanische oder elektrische Arbeit erzeugt(z B Aufwindkraftwerke Stirlingmotoren etc) gilt einthermodynamisches Limit

61 Thermodynamisches Limit I

Die groumlbste Abschaumltzung des Wirkungsgrades erhaumllt mandurch den Carnot-Wirkungsgrad Er beschreibt den ma-ximalen Wirkungsgrad den eine beliebige physikalischeMaschine erreichen kann wenn sie ihre Energie aus derTemperaturdifferenz von zwei Waumlrmebaumldern beziehtDer Carnot-Wirkungsgrad ergibt sich aus der Tempera-tur T warm des waumlrmeren Bades und der Temperatur T kalt

des kaumllteren Bades gemaumlszlig

η = 1 minusT kalt

T warm

Im Falle der Solarzelle ist das waumlrmere Energiebaddie Sonnenoberflaumlche mit einer Temperatur von etwa5800 K und das kaumlltere Bad die Solarzelle mit einerTemperatur von 300 K Daraus ergibt sich ein Carnot-Wirkungsgrad von 95 Im Weltraum genutzte Solarzel-len haben infolge der houmlheren Temperaturdifferenz ent-sprechend houmlhere Wirkungsgrade

62 Thermodynamisches Limit II

Die Abschaumltzung im obigen Abschnitt vernachlaumlssigtdass die Energie von der Sonne zur Solarzelle durchStrahlung uumlbertragen wird In einem ausfuumlhrlicheren Mo-dell setzt man vor die Solarzelle einen Absorber Dieserabsorbiert die Strahlung der Sonne und strahlt selber ei-nen kleinen Teil der Waumlrmestrahlung wieder an die Sonneab Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz flieszligt somit ins-gesamt die Waumlrmeleistung

σT 4Sonne minus σT 4Absorber

von der Sonne zum Absorber wobei σ die Stefan-Boltzmann-Konstante ist Nach dem Carnot-Wirkungsgrad kann der Absorber von dieser Waumlrme nurden Anteil

1 minusT Solarzelle

T Absorber

in elektrische Arbeit uumlberfuumlhren Der Wirkungsgrad be-stimmt sich nun aus diesem Anteil und der gesamten vonder Sonne abgestrahlten Leistung σT 4Sonne zu

η =

9830801 minus

T 4Absorber

T 4Sonne

983081 middot

9830801 minus

T Solarzelle

T Absorber

983081

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16 7 TECHNISCHE MERKMALE

Bei einer Temperatur von 5800 K fuumlr die Sonnenober-flaumlche und 300 K Umgebungstemperatur wird der Wir-kungsgrad bei einer Absorbertemperatur von etwa 2500K maximal und betraumlgt 85 [57]

63 Shockley-Queisser-Grenze

0 1 2 30

10

20

30

m a

x

W i r k u n g s g r a d i n

Bandabstand in eV

Maximaler Wirkungsgrad als Funktion des Bandabstandes wiees die Shockley-Queisser-Grenze beschreibt

rarr Hauptartikel Shockley-Queisser-Grenze

Die Shockley-Queisser-Grenze betrachtet den fuumlr Solar-zellen typischen Anregungsprozess von Elektronen in ei-nem Halbleiter In einer Solarzelle wird dadurch Licht in

elektrische Energie umgewandelt dass das Licht Elek-tronen aus dem Valenzband in das Leitungsband anregtNur ein schmaler Ausschnitt des angebotenen Energie-spektrums wird genutzt Der theoretische Grenzwert en-ergieselektiver Zellen ist deshalb kleiner als das thermo-dynamische Limit eines Gesamtsystems

Entscheidend fuumlr die Energie die man pro angeregtemElektron gewinnen kann ist dabei die Groumlszlige der Bandluuml-cke E g des Halbleiters Unabhaumlngig davon wie weit dasElektron uumlber die untere Kante des Leitungsbandes an-geregt wird erhaumllt man pro Elektron maximal die Ener-gie der Bandluumlcke als elektrische Energie Bei der elektri-

schen Leistung die man aus allen angeregten Elektronengewinnt muss man beruumlcksichtigen dass bei einer klei-nen Bandluumlcke mehr Elektronen erzeugt werden Bei ei-ner groszligen Bandluumlcke hat jedes einzelne Elektron dafuumlrmehr Energie Es muss daher ein Kompromiss aus fol-genden Grenzfaumlllen gefunden werden

bull Groszlige Bandluumlcke Nur energiereiches Licht (blauesund ultraviolettes Licht) kann Elektronen erzeugenda laumlngere Wellenlaumlngen nicht absorbiert werdenWegen der groszligen Bandluumlcke besitzt jedes Elektroneine hohe Energie

bull Kleine Bandluumlcke Auch langwelliges Licht kannElektronen anregen so dass insgesamt viele Elektro-

nen ins Leitungsband angeregt werden Diese ver-lieren jedoch durch Stoszligprozesse mit dem Kristall-gitter in wenigen hundert Femtosekunden einen Teilihrer Energie bis sie nur noch die Energie der Band-luumlcke besitzen

Die Shockley-Queisser-Grenze gilt fuumlr den Fall einer Zel-le mit nur einem pn-Uumlbergang Mit sogenanntenTandem-Solarzellen (englisch multi-junction solar cell ) in de-nen mehrere pn-Uumlbergaumlnge mit verschiedenen Band-luumlcken kombiniert sind koumlnnen prinzipiell auch houml-here Wirkungsgrade erreicht werden siehe AbschnittMehrfachsolarzellen

7 Technische Merkmale

Die Kenngroumlszligen einer Solarzelle werden fuumlr normierteBedingungen die Standard-Testbedingungen haumlufig ab-gekuumlrzt STC (englisch Standard Test Conditions ) angege-ben

bull Einstrahlungsstaumlrke von1000 Wmsup2in Modulebene

bull Temperatur der Solarzelle 25 degC konstant

bull Strahlungsspektrum AM 15 global DIN EN 61215IEC 1215 DIN EN 60904 IEC 904

Dabei steht AM 15 global fuumlr den Begriff Air Mass die

15 dafuumlr dass die Sonnenstrahlen das 15-fache der At-mosphaumlrenhoumlhe durchlaufen weil sie schraumlg auftreffenDas entspricht sehr gut den sommerlichen Gegebenhei-ten in Mitteleuropa von Norditalien bis MittelschwedenIm Winter steht die Sonne in unseren Breiten erheblichtiefer und ein Wert von AM 4 bis AM 6 ist hier realisti-scher

Durch die Absorption in der Atmosphaumlre verschiebt sichauch das Spektrum des auf das Modul treffenden Lich-tes bdquoGloballdquo steht fuumlr Globalstrahlung die sich aus demDiffus- und dem Direktstrahlungsanteil der Sonne zusam-mensetzt

Dabei ist zu beachten dass in der Realitaumlt insbesonderedie Zellentemperatur bei einer solchen Einstrahlung diein Deutschland im Sommer zur Mittagszeit erreicht wirdbei normalem Betrieb wesentlich houmlher liegt (je nach An-bringung Windanstroumlmung etc kann sie zwischen etwa30 und 60 degC liegen) Eine erhoumlhte Zellentemperatur be-deutet aber gleichzeitig einen herabgesetzten Wirkungs-grad der Solarzelle Aus diesem Grund wurde auch eineweitere Bezugsgroumlszlige geschaffen PNOCT die Leistungbei normaler Betriebstemperatur (normal operating celltemperature)

Gebraumluchliche Abkuumlrzungen fuumlr die Bezeichnungen sind

bull SC Short Circuit ndash Kurzschluss

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71 Schaltbilder 17

Stromstaumlrke I Leistung P

e r z e u g

t e L e i s

t u n g

Spannung U

o h

n e

B e l e

u c h t u

n g

m i t

B e l e

u c h t u

n g

Kurzschluszligstrom

Leerlaufspannung

Punkt maximaler

Leistung

oc

I

I

mp UU

mp

sc

Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzelle beleuchtet und un-beleuchtet

bull OC Open Circuit ndash Leerlauf

bull MPP Maximum Power Point ndash Betriebspunkt ma-ximaler Leistung

bull PR Performance Ratio Qualitaumltsfaktor der an-gibt welcher Teil des vom Solargenerator erzeug-ten Stromertrages (unter Nennbedingungen) real zurVerfuumlgung steht

Die Kennwerte einer Solarzelle sind

bull Leerlaufspannung U OC (auch V OC )

bull Kurzschlussstrom I SC

bull Spannung im bestmoumlglichen Betriebspunkt U MPP

(auch V MPP )

bull Strom im Betriebspunkt mit maximaler LeistungI MPP

bull Maximale erzielbare Leistung P MPP Solarzellenher-steller geben diese unter standardisierten Bedin-gungen maximal erzielbare Leistung in der Einheit

kWp sprich bdquoKilowatt-Peakldquo an

bull Fuumlllfaktor F F = PMPPU OCmiddotI SC

bull Koeffizient fuumlr die Leistungsaumlnderung mit der Zell-temperatur

bull Zellwirkungsgrad η = P MPPAmiddotE e

mit der bestrahlten Flauml-che A und der Bestrahlungsstaumlrke E e

Solarzellen koumlnnen also eine Leistung von sehr grob 160Wmsup2 abgeben Eingebaut in ein Modul ist die Leistung

pro Flaumlche geringer da zwischen den Zellen und zumModulrand Abstaumlnde vorhanden sind Im Weltraum wirdeine Leistung von 220 Watt pro Quadratmeter erzielt[58]

Schaltsymbol einer Fotodiode

Schaltzeichen und einfaches Ersatzschaltbild einer Solarzelle

71 Schaltbilder

Das Schaltsymbol einer Solarzelle gibt wie das Schalt-symbol einer Diode oder Photodiode mit einem Pfeil

die technische Stromrichtung zur Verschaltung an DerKennlinienverlauf einer realen Solarzelle weicht aller-dings von der einer idealen Fotodiode ab Um die-se Abweichungen zu modellieren existieren mehrereErsatzschaltbilder

711 Vereinfachtes Ersatzschaltbild

Das Schaltbild besteht zunaumlchst nur aus einerStromquelle die parallel zu einer idealen Diode ge-schaltet wird Diese produziert einen Strom der vonder Bestrahlungsstaumlrke abhaumlngt und den Photostrom I ph

modelliert Die Gesamtstromstaumlrke ergibt sich damit mitdem Diodenstrom I D (siehe Diode) zu

I = I ph minus I D = I ph minus I S

983131e

U DnmiddotU T minus 1

983133

712 Erweitertes Ersatzschaltbild (Ein- undZweidiodenmodell)

Das erweiterte Ersatzschaltbild nimmt Ruumlcksicht auf rea-le Faktoren des Bauelementes die durch die Fertigung

entstehen Mit diesen Modellen soll ein moumlglichst rea-listisches Modell der tatsaumlchlichen Solarzelle geschaffenwerden Beim Eindiodenmodell wird so das vereinfach-

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18 9 UMWELTSCHUTZ

Eindiodenmodell einer Solarzelle

te Ersatzschaltbild zunaumlchst nur durch einen parallel undeinen in Reihe geschalteten Widerstand ergaumlnzt

bull Der Parallelwiderstand Rp symbolisiertKristallfehler nichtideale Dotierungsverteilungenund andere Materialdefekte durch dieVerluststroumlme entstehen die den p-n-Uumlberganguumlberbruumlcken Bei Solarzellen aus guter Herstellungist dieser Widerstand relativ groszlig

bull Mit dem Serienwiderstand Rs werden alle Effektezusammengefasst durch die ein houmlherer Gesamtwi-derstand des Bauelementes entsteht Das sind haupt-saumlchlich der Widerstand des Halbleitermaterials derWiderstand an den Kontakten und der ZuleitungenDiese Groumlszlige sollte bei gefertigten Solarzellen moumlg-lichst gering sein

Die Formel fuumlr den Gesamtstrom ist fuumlr dieses Modellbereits eine rekursive Funktion und lautet

I = I phminusI dminusU p

Rp= I phminusI S

983131eU +RsmiddotInmiddotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

Beim Uumlbergang zum Zweidiodenmodell fuumlgt man ei-

Zweidiodenmodell mit spannungsgesteuerter Stromquelle fuumlr denLawinendurchbruch in Sperr-Richtung

ne weitere Diode mit einem anderen Idealitaumltsfaktor nein Normalerweise werden diese uumlber die Werte 1 und2 angesetzt Weiterhin lassen sich alle diese Modellebei Betrieb in Sperr-Richtung durch eine spannungsge-steuerte Stromquelle ergaumlnzen um den Lawinendurch-bruch zu modellieren Die Formeln fuumlr die Stroumlme beim

Zweidiodenmodell lauten dann bei Anpassungsleitwert g Durchbruchspannung U und Lawinendurchbruchex-ponent n

I = I phminusI bminusI S1

983131eU +RsmiddotIn1middotU T minus 1

983133minusI S2

983131eU +RsmiddotIn2middotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

I b = gb middot

(U + Rs middot I )

Rpmiddot983080

1 minus

U + Rs middot I

U b983081minusnb

8 Energetische Amortisation undErntefaktoren

Siehe auch Erntefaktor

Die energetische Amortisationszeit ist der Zeitpunkt zudem die fuumlr die Herstellung einer Photovoltaikanlage auf-gewandte Primaumlrenergie durch selbige wieder erzeugt

wurde Da die bei der Produktion genutzte elektrischeEnergie zu den Sekundaumlrenergien zaumlhlt wird diese mitdem Wirkungsgrad eines fossilen Kraftwerkes in Pri-maumlrenergie umgerechnet Dementsprechend erfolgt dieseUmrechnung auch bei der erzeugten elektrischen Energieder Solarzelle Analog kann man sich vorstellen dass diePhotovoltaikanlage den Strom aus einem konventionellenKraftwerk ersetzt[59]

Die energetische Amortisationszeit von Photovoltaikan-lagen betraumlgt derzeit (Stand 2013) nach einer Studie vonPeng et al global betrachtet zwischen 075 und 35 Jah-ren je nach Standort und verwendeter Photovoltaiktech-

nologie Der Mittelwert schwankt im Bereich von ca15 bis 25 Jahren Dies bedeutet in diesem Zeitraumhat die Photovoltaikanlage wieder die Energie hereinge-spielt die insgesamt waumlhrend ihres gesamten Lebenszy-klus verbraucht wurde Beruumlcksichtigt sind also die Her-stellung der Anlagen ihr Transport die Errichtung Be-trieb und der Ruumlckbau bzw Recycling Die rechnerischenCO2-Emissionen von Photovoltaikanlagen je nach Tech-nik und Standort zwischen 105 und 50 g CO2kWh mitDurchschnitten im Bereich 35 bis 45 g CO2kWh AlsLebensdauer wurde in der Studie 30 Jahre fuumlr Moduleauf Basis kristalliner Siliciumzellen und 20-25 Jahren fuumlr

Duumlnnschichtmodule angenommen fuumlr Lebensdauer derWechselrichter wurden 15 Jahre angenommen[60] Photo-voltaikanlagen liefern demnach waumlhrend ihrer Betriebs-zeit ein Vielfaches der Energie die zu ihrer Herstellungurspruumlnglich aufgewandt wurde

9 Umweltschutz

Die Herstellung photovoltaischer Solarzellen ist ein che-mischer Prozess bei dem gasfoumlrmige fluumlssige und fes-te Chemikalien zum Einsatz kommen die gesundheits-

und umweltschaumldlich sind Aus diesem Grund ist ein ho-her Standard der Prozesssicherheit zentral Unter Ar-beitsschutzaspekten ist eine sichere Ablufterfassung und

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19

Reinigung zu gewaumlhrleisten Bei dem Einsatz von Nass-waumlschern wird die Abluft durch ein fluumlssiges Absorpti-onsmedium geleitet Wenn dieses aufgebraucht ist ent-steht eine weitere Abwasserquelle neben den Aumltzloumlsun-gen aus der Produktion Diese muumlssen innerbetrieblichwiederaufbereitet oder spezialisierten Entsorgern uumlber-

geben werden Bei der Herstellung von Duumlnnschicht-halbleitern kommt es an den Waumlnden und Aufbautender Prozesskammer zu siliciumhaltigen AblagerungenDie Ruumlckstaumlnde muumlssen regelmaumlszligig entfernt werden dasie den Prozess stoumlren und zu Qualitaumltseinbuszligen fuumlh-ren Zum Entfernen der Ruumlckstaumlnde verwendet manSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid als Reini-gungsgase Beide Gase sind zwar ungiftig gleichwohlaber sehr starke Treibhausgase[61] In der Zellproduk-tion muumlssen die Reinigungsgase mit hoher Volumen-flussrate eingesetzt werden da sie chemisch sehr sta-bil sind und im Plasma zu weniger als 10 in rei-

nigungsaktive Radikale zerfallen Ein Groszligteil des Ga-ses bleibt somit ungenutzt und muss kostenintensiv ent-sorgt werden Zum Teil entweicht es ndash gewollt oder un-gewollt ndash direkt in die Umwelt Hieraus erklaumlrt sichu a auch der kuumlrzlich gemessene starke Anstieg derStickstofftrifluoridkonzentration in der Hochatmosphauml-re besonders uumlber Ost- und Suumldostasien An Stelle vonSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid kann auchdas sehr reaktive Halogen Fluor als Reinigungsgas ver-wendet werden Fluor ist sehr giftig es ist jedoch keinTreibhausgas Auszligerdem laumlsst es sich sehr leicht undruumlckstandsfrei aus Abgasstroumlmen entfernen

Einige Solarzelltypen verwenden anstelle von SiliciumStoffe wie z B toxisches oder karzinogenes CadmiumArsen bzw deren Verbindungen sowie Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid Ein typisches Cadmiumtellurid-Solarmodul enthaumllt zum Beispiel ca 22 g des gefaumlhrli-chen Schwermetalls Cadmium und 25 g Tellur pro msup2Zellflaumlche[62] Bei der Produktion werden beide Sub-stanzen durch Co-Verdampfung auf das Traumlgermaterialaufgebracht Die Co-Verdampfung ist ein ungerichteterProzess bei dem die gesamte Innenoberflaumlche derBeschichtungskammer mit Duumlnnschichten aus TellurCadmiumtellurid Cadmiumsulfid und Antimontelluriduumlberzogen werden Der Materialverbrauch erhoumlht sich

dadurch um mindestens weitere 40

Bei der regelmaumlszligigen Reinigung der Produktionskam-mer mit waumlssriger Saumlure ndash die Reinigung erfolgt ma-nuell ndash werden die Ruumlckstaumlnde in eine waumlssrige Louml-sung uumlberfuumlhrt Neben der eigentlichen Zellprodukti-on stellt also auch die Reinigung der Produktions-anlagen eine Herausforderung an Umweltschutz undArbeitsschutz dar[63][64][65][66][67] Eine neuere Unter-suchung versucht die geringere Gefaumlhrdung die vonCadmiumtellurid-Zellen im Vergleich zur Kohleverbren-nung ausgeht nachzuweisen[36] Produktionsruumlckstaumln-de und Emissionen koumlnnen zu Langzeitschaumlden und

Altlasten fuumlhren Gleiches gilt bei unsachgemaumlszliger Ent-sorgung fuumlr die Altzellen Die Photovoltaik unterschei-

det sich in diesem Aspekt von anderen Technologien zurNutzung regenerativer Energien

10 Sicherheitsbetrachtung

Fuumlr Schutzmaszlignahmen im Brandfall und Blitzeinschlagsiehe Photovoltaikanlage

11 Siehe auch

bull Halbleiterdetektor

bull Sonnensimulator (Photovoltaik)

12 Literatur

bull Christoph Brabec Organic photovoltaics ndash mate-rials device physics and manufacturing technolo-gies Wiley-VCH Weinheim 2008 ISBN 978-3-527-31675-5

bull Guillermo Diaz-Santanilla Technik der Solarzelle ndashphysikalische Grundlagen Eigenschaften und Ap-plikationen Franzis Muumlnchen 1984 ISBN 3-7723-7371-2

bull Heinrich Haumlberlin Photovoltaik Strom aus Son-nenlicht fuumlr Verbundnetz und Inselanlagen 2 we-sentlich erweiterte und aktualisierte Auflage VDE Electrosuisse Berlin Fehraltorf 2010 ISBN 978-3-8007-3205-0 (VDE) ISBN 978-3-905214-62-8(Electrosuisse)

bull Tom Markvart Luis Castantildeer Solar cells ndash mate-rials manufacture and operation Elsevier Oxford2006 ISBN 1-85617-457-3 (englisch)

bull Volker Quaschning Regenerative Energiesysteme 8Auflage Hanser Muumlnchen 2013 ISBN 978-3-446-

43526-1

bull Viktor Wesselak Sebastian Voswinckel Photovol-taik Wie Sonne zu Strom wird Daten FaktenHintergruumlnde Springer Vieweg Berlin 2012 ISBN978-3-642-24296-0 (= Technik im Fokus )

bull Viktor Wesselak Thomas Schabbach ThomasLink Joachim Fischer Regenerative Energietech-nik 2 erweiterte und vollstaumlndig neu bearbeite-te Auflage Springer Vieweg Berlin Heidelberg2013 ISBN 978-3-642-24165-9

bull Peter Wuumlrfel Physik der Solarzellen SpektrumAkademischer Verlag Heidelberg 2000 ISBN 3-8274-0598-X (= Spektrum Hochschultaschenbuch)

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20 14 EINZELNACHWEISE

13 Weblinks

Commons Solarzelle ndash Album mit Bildern Videosund Audiodateien

Wikibooks Herstellung von Solarzellen ndash Lern-

und Lehrmaterialien

bull Die Solarmaus ndash Entstehung der Solarzelle mit Ar-min Maiwald (YouTube-Video)

bull PV-Education ndash detaillierte Online-Vorlesung mitGrundlagen und Anwendungen zur PV (englisch)

bull Photovoltaik ndash Innovationen (BINE Informations-dienst)

14 Einzelnachweise

[1] Orbital Sciences Corporation (Hrsg) Dawn Investigatingthe ldquoDawnrdquo of Our Solar System (fact sheet) (PDF 14MB) 2009 (englisch)

[2] anorganisch-organische Hybridzellen mit einfacher Her-stellung

[3] Rolf Hug Mitsubishi Electric entwickelt anwendungsreifeSilicium-Solarzelle mit 186 Wirkungsgrad In Der So-larserver 25 Maumlrz 2008 Abgerufen am 9 August 2009

[4] httpwwwhelmholtz-berlindeforschungenmasi-pvarbeitsgebieteduennschichtsolarzellenindex_dehtml

[5] M A Green K Emery D L King Y Hishika-wa W Warta Solar Cell Efficiency Tables (Version28) In Prog Photovolt Res Appl 14 2006 S 455ndash461 doi101002pip720 (PDF abgerufen am 22 April2010)

[6] Michael D Kelzenberg Shannon W Boettcher Jan APetykiewicz Daniel B Turner-Evans Morgan C Put-nam Emily L Warren Joshua M Spurgeon Ryan MBriggs Nathan S Lewis Harry A Atwater Enhanced ab-

sorption and carrier collection in Si wire arrays for photo-voltaic applications In Nat Mater 9 Nr 3 Februar 2010S 239ndash244 doi101038nmat2635

[7] Sonnenpower light Bild der Wissenschaft 15 Februar2010 (Nachrichtenmeldung)

[8] SolarServer Photovoltaik-Forschung Caltech entwickelt flexible Solarzellen mit Siliciumdraht-Reihen und hoher Absorption abgerufen am 31 Mai 2012

[9] Weltrekord 411 Wirkungsgrad fuumlr Mehrfachsolarzel-len In pro-physikde Fraunhofer-Institut fuumlr Solare En-ergiesysteme ISE abgerufen am 9 August 2009

[10] heise 282 Wirkungsgrad erreicht (abgerufen am 24Juni 2011)

[11] Martin A Green Keith Emery Yoshihiro HishikawaWilhelm Warta Ewan D Dunlop Solar cell efficien-cy tables (version 43) In Progress in PhotovoltaicsResearch and Applications 22 Nr 1 2014 S 1ndash9doi101002pip2452

[12] Wirkungsgrad-Rekorde in der Photovoltaik Solaranlagen-

Portalde

[13] CIGS DUumlNNSCHICHT-TECHNOLOGIE ERZIELT WELT-REKORDEFFIZIENZ VON 174 Pressemitteilung derFirma Q-Cells vom 29 November 2011 abgerufen am 14Februar 2012

[14] Neuer Weltrekord fuumlr organische Solarzellen Heliatek be-hauptet sich mit 12 Zelleffizienz als Technologiefuumlhrer Pressemitteilung der Firma Heliatek vom 16 Januar 2013

[15] Billig-Solarzellen revolutionieren Strombranche

[16] USGS Minerals Information

[17] Lars Fischer Rohstoffe Die Rohstoffkrisen der Zukunft spektrum-direkt 29 Maumlrz 2011 Zugriff am 12 Septem-ber 2011

[18] Indium Vorraumlte laut USGS Mineral Commodity Summa-ries (2006) (PDF 74 kB)

[19] httpwwwall-electronicsdemediafile7182

[20] Indium and Gallium Supply Sustainability September2007 Update 22nd EU PV Conference Milan Italy 16Februar 2009

[21] Prof H Foumlll Grundsaumltzliche Funktionsweise einer Solar- zelle Skript bdquoMaterialwissenschaft IIldquo abgerufen am 16

Oktober 2014

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15 Text- und Bildquellen Autoren und Lizenzen

151 Text

bull Solarzelle Quelle httpdewikipediaorgwikiSolarzelleoldid=138856800 Autoren Fgb RobertLechner Schewek Igelball Aka StefanKuumlhn Lukian Onno Ilja Lorek Head El GNosis Atman Sun Tsor Matthaumlus Wander Seewolf HenrikHolke Honina Pstaudt-fischbachSchusch GDK Migas Paddy Zwobot Kai11 D HaeB ArtMechanic Hadhuey Robbot Pm Anton HaSee Rdb Boehm ZumboDirk33 AndreasB Pietz Soundray Sinn Peter200 Schmiddtchen Fuenfundachtzig Breeze Magadan Fetz Braun Jdiemer StYxXxSebastianWilken Martin-vogel Mnh Ot Aloiswuest MAK Scorpion2211 Gerhardvalentin Jaques AshSert Philipendula STephanKambor Koerpertraining Nicolas PeeCee Duesentrieb AHZ Hendric Stattmann Kristjan Ri st Hafex Norro Cepheiden Christoph-Demmer Fubar Ckeen DasBee Silberchen iexcl0-8-15 1-1111 VanGore Mjk Groer Umaluagr Mkuemmerer Wendelin Cyper QdrDundak Liberatus Juesch Kdkeller Greuer Drap Garak76 MartinThoma Udo T Zaungast Stephantom Pelz ML Thorbjoern Hein-te Diba Blech Zahnstein Renekaemmerer He3nry SchorSch Ion Tauwasser Bobbl Rosa Lux Gerbil Ulfbastel Hubertl MrVVooUebel H2h Liberal Freemason Quirin Leonce49 Blaubahn Flominator RedBot Anhi Dein Freund der Baum Wkw1959 So66 Cle-mensfranz OKoslowski Itti Yahp Miaow Miaow Zaphiro Eneldo Onliner Wahldresdner Darok MovGP0 Muck Uwezi Loh SyrcroZweistein12 Olei Dantor Krischan111 Nize Uwe W Georg Slickers Amtiss Roterraecher RajHid STBR Jackalope Ephraim33JFKCom Andimx Suirenn Hydro Pajz Dktz RobotQuistnix Alanmak Euku Xocolatl Hermannthomas Eynre Savin 2005 AbrevFireball TheTruth Bahnemann Segelmaus Harf Jakob5 Zemy Nyneela Schmitty TobiWanKenobi DerHexer WAH Sesc RolandBerger Schlesinger Staro1 Mo4jolo GeorgHH MutluMan Nightflyer Matzematik PeterFrankfurt Tomreplay PortalBot Ing Schrouml-der Walter LKD Juuml Manecke Quelokee Mons Maenalus JoBa2282 Stepa Giessauf A Cellulesolaire Lemberger HillerD RadlfahrerHelfmann Logograph Mion KaiMeier Sepp Roest FabiBerg Flo422 Degreen Rai42 Rfc GruumlneErde Btr FelixP Wdwd PendulinAdipictures HAH Toumlnjes Kaumlpten Balu Andreas 06 Batosai Rex Akribix D-Kuru UnknownID01 Cramunhao BesondereUmstaende

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Avene DerGraueWolf Martin1978 Wassertraeger Pleonasty HRoestTypo EmausBot Halbarath Muumldigkeit ReinerSpass Mswisi Un-sterblicher TtIiMmOOO ZeacuteroBot Ottomanisch Dsfranzi Didym Striga Cologinux 30wiki04 Karle07 Ne discere cessa Rabax63Waithamai EnergieLabor Cassirer Randolph33 Mukitil Nummer4 Googolplex Flanschko Georgepauljohnringo Woltmers KrdbotHephaion Andol MerlIwBot Mikered KLBot2 Oguenther Thesurvived99 Herzoeglich Rudschuck Tomaacutes66 Gregou Boshomi Stei-ni77 Isjc99 Derschueler Hans Haase Schwunkel Smallandsimple Ciwd2 Nurax666 Krantnejie Rmcharb Kuschi51 Cimballi Redak-tionPflanze Datenundfakten Ragna314 Fico123456789 Buchbibliothek Blafnu Ferina53Solarous Kritzolina WhistlingBird Budu123Manni Lang HeicoH und Anonyme 686

152 Bilder

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24 15 TEXT- UND BILDQUELLEN AUTOREN UND LIZENZEN

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Page 9: Solar Zelle

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24 Solarzellen aus speziellen Siliciumstrukturen 9

polykristallines Material welche sich vom Aussehen herdeutlich von den gesaumlgten Zellen unterscheidet Unter an-derem ist die Oberflaumlche der Zellen welliger Ein Vor-teil im Vergleich zum Saumlgen aus Bloumlcken ist die weit-gehende Vermeidung von Verschnitt der zudem nichtmit Schneidefluumlssigkeit (engl slurry vgl Kolloide) ver-

unreinigt ist Dieses Verfahren wird auch Bandzieh- oderOctagon-Verfahren genannt

Das EFG-Verfahren wurde bis 2009 von der FirmaSchott Solar (Deutschland) angewendet Von einer wei-teren Verwendung musste abgesehen werden da SchottSolar als einziger Anwender dieses Prozesses die Wei-terentwicklung im Vergleich zu anderen Prozessen mitmehr Entwicklern im Hintergrund nicht schnell genugvorantreiben konnte[27] Entwickelt wurde das Verfahrenvon der Firma ASE Solar (USA)

222 String-Ribbon-Verfahren

Weiterhin gibt es das String-Ribbon-Verfahren der insol-venten US-amerikanischen Firma Evergreen Solar beidem die Wafer zwischen zwei Faumlden direkt aus der Sili-ciumschmelze gezogen werden[27] Dabei entsteht weni-ger Abfall (wie Spaumlne usw die normalerweise direkt ent-sorgt werden) als bei den herkoumlmmlichen Verfahren Alsdeutsches Unternehmen verwendete die Sovello AG dasString-Ribbon-Verfahren zur Produktion von Wafern

223 Schichttransfer-Verfahren

Beim Schichttransfer-Verfahren wird eine nur ca 20 micromduumlnne Schicht aus einkristallinem Silicium direkt flachauf einem Substrat gezuumlchtet Als Traumlgermaterial eignensich keramische Substrate oder auch speziell oberflaumlchen-behandeltes Silicium wodurch das Abloumlsen des entstan-denen Wafers und die Wiederverwendung desTraumlgers ge-geben ist Die Vorteile dieser Verfahren sind der deut-lich geringere Siliciumbedarf durch die geringe Dickeund der Wegfall der Saumlgeverluste Der Saumlgevorgang als

zusaumltzlicher Prozessschritt entfaumlllt Der erreichbare Wir-kungsgrad ist hoch und liegt im Bereich von monokris-tallinen Zellen

23 Solarzellen aus bdquoschmutzigemldquo Silici-um

Der Prozess des Zonenschmelzens und Dotierens laumlsstsich auch in eine bereits gefertigte flache Platte bzwSchicht verlagern Das Prinzip ist dass die Verunreini-

gungen durch Waumlrmebehandlung (mehrfach lateral fort-schreitende Umschmelzung z B mit Laserstrahlung) desSiliciums an wenigen Stellen konzentriert werden[28]

24 Solarzellen aus speziellen Silicium-strukturen

Seit den 2000er Jahren arbeiten verschiedene For-schungsgruppen an Solarzellen auf Basis von langen bdquoSi-liciumstaumlbchenldquo (manchmal auch bdquoSiliciummikrodraumlh-teldquo genannt) im Mikrometermaszligstab[29][30] Die einzel-nen Siliciumstaumlbchen sind in der Regel einige Mikrome-ter dick und ca 200 Mikrometer lang Strukturen aussenkrecht zu einer Traumlgerflaumlche angeordneten Staumlbchenzeigen gegenuumlber konventionellen Solarzellen aus Silici-um eine erhoumlhte Absorption von Sonnenlicht in einembreiten Spektralbereich vgl Schwarzes Silicium

Ein Beispiel fuumlr eine solche Solarzelle wurde 2010 voneiner Arbeitsgruppe um Harry Atwater vom CaliforniaInstitute of Technology vorgestellt Sie stellten uumlber 100Mikrometer lange Staumlbchen mithilfe der sogenanntenVLS-Technik[31] (von engl vapor -liquid -solid ) her uumlber-gossen diese anschlieszligend zur Stabilisierung mit durch-sichtigem biegsamem Kunststoff (PolydimethylsiloxanPDMS) und loumlsten danach die fertige Zelle von derPlatte[29] Diese Zellen zeigen wie zuvor erwaumlhnt eineerhoumlhte Absorption von insgesamt bis zu 85 des einfal-lenden Lichts uumlber einen groszligen Spektralbereich Die soerzeugten Solarzellen im Laborstatus haben einen hohenWirkungsgrad Ihre Herstellung verbraucht nur 1 Prozentder sonst zur Solarzellenproduktion uumlblichen Silicium-menge auszligerdem sind diese Solarzellen biegbar[32]

3 Andere Solarzellentypen

31 Duumlnnschichtzellen

Kleine amorphe Si-Duumlnnschichtsolarzelle auf Glas vier Zellenin Reihe

Duumlnnschichtzellen gibt es in verschiedenen Ausfuumlhrun-gen je nach Substrat und aufgedampften Materialien

Die Spannbreite der physikalischen Eigenschaften undder Wirkungsgrade ist entsprechend groszlig Duumlnnschicht-zellen unterscheiden sich von den traditionellen Solar-

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10 3 ANDERE SOLARZELLENTYPEN

Ruumlckseite (Schichtseite braun lackiert)

Solarzellentypen

zellen (kristallinen Solarzellen basierend auf Silicium-wafern) vor allem in ihren Produktionsverfahren unddurch die Schichtdicken der eingesetzten MaterialienDie physikalischen Eigenschaften amorphen Siliciumsdie von kristallinem Silicium verschieden sind beeinflus-sen die Solarzelleneigenschaften Manche Eigenschaftensind auch noch nicht vollstaumlndig verstanden

Auch bei kristallinen Solarzellen wird das Licht bereitsin einer duumlnnen Oberflaumlchenschicht (ca 10 microm) absor-biert Es liegt daher nahe Solarzellen sehr duumlnn zu fer-tigen Verglichen mit kristallinen Solarzellen aus Silici-umwafern sind Duumlnnschichtzellen etwa 100-mal duumlnner

Diese Duumlnnschichtzellen werden meist durch Abscheidenaus der Gasphase direkt auf einem Traumlgermaterial aufge-bracht Das kann Glas Metallblech Kunststoff oder auchein anderes Material sein Der aufwaumlndige im vorigenKapitel beschriebene Prozess des Zerschneidens von Si-liciumbloumlcken kann also umgangen werden

Das bisher gaumlngigste Material fuumlr Duumlnnschichtzellen istamorphes Silicium (a-SiH) Solche Duumlnnschichtmodu-le sind langlebige Produkte Freiluft-Tests zeigen sta-bile Wirkungsgrade uumlber mehr als zehn Jahre Moumlgli-che weitere Materialien sind mikrokristallines Silicium(microc-SiH) Gallium-Arsenid (GaAs) Cadmiumtellurid

(CdTe) oder Kupfer-Indium-(Gallium)-Schwefel-Selen-Verbindungen die so genannten CIGS-Solarzelle bzwCIS-Zellen wobei hier je nach Zelltyp S fuumlr Schwefel

oder Selen stehen kann Ein neuesMaterial das neu in derDuumlnnschichttechnologie Anwendung findet ist CZTS

Wirkungsgrade im Bereich von 20 (217 mit CIGS-Solarzellen siehe[33]) fuumlr kleine CIGS-Laborzellen (asymp 05cmsup2) sind durchaus moumlglich CIGS-Duumlnnschichtmodule

erreichen inzwischen aumlhnliche Wirkungsgrade wie Mo-dule aus polykristallinem Silicium (11ndash12 [34])Fuumlr Cadmiumtellurid-Zellen lag der Wirkungsgrad beiLaborzellen im August 2014 bei 21 [35]

Wichtiger sind oft die Kostenzu denen Stromaus den So-larzellen produziert werden kann dazu kommen wichti-ge Kriterien wie die Emission von Schadstoffen Aktuel-le Studien belegen dass Cadmiumtellurid-Duumlnnschicht-Solarzellen hier eine bessere Bilanz als konventionelle Si-liciumzellen aufweisen[36]

Eine weitere Staumlrke von Duumlnnschichtmodulen ist dasssie einfacher und groszligflaumlchiger produziert werden koumln-

nen insbesondere die Duumlnnschichtzellen aus amorphemSilicium Duumlnnschichtmodule sind nicht auf ein rigidesSubstrat wie Glas oder Aluminium angewiesen bei auf-rollbaren Solarzellen fuumlr den Wanderrucksack oder ein-genaumlht in Kleider wird ein geringerer Wirkungsgrad inKauf genommen der Gewichtsfaktor ist wichtiger als dieoptimale Lichtumwandlung

Zur Herstellung eignen sich Maschinen welche auchzur Herstellung von Flachbildschirmen eingesetzt wer-den Dabei werden Beschichtungsflaumlchen von uumlber 5 msup2erreicht Mit den Verfahren zur Herstellung von amor-phem Silicium laumlsst sich auch kristallines Silicium induumlnnen Schichten herstellen sogenanntes mikrokristal-lines Silicium Es vereint Eigenschaften von kristalli-nem Silicium als Zellenmaterial mit den Methoden derDuumlnnschichttechnik In der Kombination aus amorphemund mikrokristallinem Silicium wurden in den letztenJahren beachtliche Wirkungsgradsteigerungen erzielt

Ein Verfahren fuumlr die Fertigung kristalliner Duumlnnschicht-zellen aus Silicium ist CSG (Crystalline Silicon onGlass) dabei wird eine weniger als zwei Mikrometerduumlnne Siliciumschicht direkt auf einen Glastraumlger aufge-bracht die kristalline Struktur wird nach einer Waumlrme-behandlung erreicht Das Aufbringen der Stromfuumlhrungerfolgt mittels Laser- und Tintenstrahldrucktechnik Da-fuumlr wurde 2005 von der Firma CSG Solar eine Fabrika-tionsanlage in Deutschland gebaut Weil das Verfahrennicht wirtschaftlich zu betreiben war musste das Unter-nehmen nach kurzer Zeit seine Produktion einstellen Derchinesische Solarkonzern Suntech erwarb das Unterneh-men und seine Technologie hat aber 2011 die Aktivitauml-ten in diesem Bereich aufgegeben und das Unternehmengeschlossen[37]

Es werden derzeit Duumlnnschichtsolarzellen aus schwarzemSilicium entwickelt die einen etwa doppelten Wirkungs-grad erreichen sollen[38]

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34 Elektrochemische Farbstoff-Solarzelle 11

Schematischer Aufbau einer Konzentratorzelle

32 Konzentratorzellen

Bei Konzentratorzellen (auch Konzentrator-Photovoltaik engl Concentrated PV CPV) wird Halbleiterflaumlche ein-gespart indem das einfallende Sonnenlicht zunaumlchst

auf einen kleineren Bereich konzentriert wird Das er-reicht man durch Konzentratoren wie z B Linsen zu-meist Fresnel-Linsen oder auch Lichtleitkoumlrper die dieTotalreflexion nutzen[39][40] Diese sind im Vergleich zuHalbleitern bezogen auf die Flaumlche preiswerter Es kannsomit zu geringeren Kosten die Sonneneinstrahlung ei-ner groumlszligeren Flaumlche ausgenutzt werden Haumlufig verwen-dete Materialien fuumlr Konzentratorsolarzellen sind III-V-Halbleiter Zumeist werden Mehrfachsolarzellen (siehenaumlchster Abschnitt) verwendet die fuumlr vollflaumlchige So-larzellen unwirtschaftlich waumlren Sie arbeiten noch zu-verlaumlssig bei mehr als dem 500-fachen der Sonneninten-

sitaumlt Konzentratorsolarzellen muumlssen dem Sonnenstandnachgefuumlhrt werden damit ihre Optik die Sonnenstrah-lung auf die Zellen buumlndeln kann Zusaumltzlicher Effekt derLichtkonzentration ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wir-kungsgrades da die Leerlaufspannung ansteigt Die US-Energiebehoumlrde hat mit dieser Technik Wirkungsgradevon uumlber 40 erreicht[41][42]

33 Mehrfachsolarzellen

rarr Hauptartikel Tandem-Solarzelle

Mehrfachsolarzellen bestehen aus zwei oder mehr So-larzellen mit verschiedenem Material die monolithisch

uumlbereinander geschichtet sind Zweck dieser Anord-nung ist es den Wirkungsgrad der gesamten Anordnungzu erhoumlhen Die Wirkungsgrade bei Labormustern vonTandem-Konzentratorsolarzellen erreichten 2008 und2009 uumlber 40 So wurde am Fraunhofer Institut fuumlrSolare Energiesysteme ISE mit einer Mehrfachsolarzel-

le und 454-facher Konzentration ein Wirkungsgrad von411 erzielt[43]

34 Elektrochemische Farbstoff-Solarzelle

rarr Hauptartikel Graumltzel-Zelle

Bei Farbstoffsolarzellen auch bekannt als Graumltzel-Zellenwird der Strom anders als bei den bisher aufgefuumlhrtenZellen uumlber die Lichtabsorption eines Farbstoffes gewon-nen als Halbleiter kommt Titandioxid zum Einsatz Als

Farbstoffe werden hauptsaumlchlich Komplexe des seltenenMetalls Ruthenium verwendet zu Demonstrationszwe-cken koumlnnen aber selbst organische Farbstoffe zum Bei-spiel der Blattfarbstoff Chlorophyll oder Anthocyane (ausBrombeeren) als Lichtakzeptor verwendet werden (die-se besitzen jedoch nur eine geringe Lebensdauer) DieFunktionsweise der Zelle ist noch nicht im Detail geklaumlrtdie kommerzielle Anwendung gilt als recht sicher ist aberproduktionstechnisch noch nicht in Sicht

Konventionelle n-Typ-Farbstoffsolarzellen arbeiten miteiner Photoanode einer positiven Elektrode die mit ei-nem n-Halbleiter zB Titandioxid und einem Farbstoff

beschichtet ist Trifft Licht darauf werden die Farbstoff-molekuumlle angeregt und setzen Elektronen frei Ein Re-doxmediator der als Bestandteil des Elektrolyten zwi-schen den Elektroden frei beweglich ist regeneriert denFarbstoff Beim p-Typ (p-DSC p-dye-sensitized solarcell) laumluft der Prozess genau entgegengesetzt Ein spezi-eller Farbstoff und ein p-Halbleiter befinden sich auf ei-ner Photokathode Der durch Licht angeregte Farbstoffsaugt Elektronen aus dem Valenzband des p-HalbleiterszB Nickeloxid heraus Das uumlblicherweise eingesetz-te System aus Iodid und Tri-Iodid ersetzten Wissen-schaftler der Monash University der Commonwealth Sci-

entific and Industrial Research Organization (Australi-en) und der Universitaumlt Ulm durch den Kobalt-KomplexTris(12-diaminoethan)cobalt(IIIII) bei dem das Ko-balt zwischen den Oxidationsstufen +2 und +3 wech-seln kann Zellen auf dieser Basis erreichen dabei einehoumlhere Energieumwandlungseffizienz Ein weiterer An-satz um die Leistung von photovoltaischen Zellen zusteigern ist die Kombination einer n- und einer p-Typ-Farbstoffsolarzelle zu einer Tandem-Solarzelle[44]

35 Organische Solarzellen

rarr Hauptartikel Organische SolarzelleEine organische Solarzelle ist eine Solarzelle die aus

Werkstoffen der organischen Chemie besteht d h aus

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12 3 ANDERE SOLARZELLENTYPEN

Ein kommerziell erhaumlltliches flexibles Modul einer polymeren or- ganischen Solarzelle

Kohlenwasserstoff-Verbindungen (Kunststoffen) Diese

Verbindungen haben elektrisch halbleitende Eigenschaf-ten Der Wirkungsgrad mit dem Sonnenenergie inelektrische Energie umgewandelt wird liegt mit 120 (Stand Januar 2013)[45] noch unterhalb von dem von So-larzellen aus anorganischem Halbleitermaterial Organi-sche Solarzellen bzw Plastiksolarzellen wie sie auch ge-nannt werden sind aufgrund der Moumlglichkeiten hinsicht-lich guumlnstiger und vielseitiger Herstellungsverfahren einaktuelles Forschungsthema Die von den Herstellern die-ser Zellen auf Kunststoffbasis genannten Vorteile gegen-uumlber herkoumlmmlichen Siliciumsolarzellen sind

bull

Geringe Herstellungskosten aufgrund billiger Pro-duktionstechnologien

bull Hohe Stromausbeuten durch Duumlnnschicht-Groszligflaumlchentechnologien fuumlr Kunststoffe

bull Flexibilitaumlt Transparenz und einfache Handhabung(mechanische Eigenschaften von Kunststoffen)

bull Hohe Umweltvertraumlglichkeit (Kunststoffe auf Koh-lenstoffbasis)

bull Anpassung an das Sonnenspektrum durch gezieltePolymersynthese

bull bdquoBunteldquo Solarzellen fuumlr architektonische Stilele-mente

Im Vergleich zu den ersten organischen Solarzellen wur-den inzwischen viele Fortschritte erzielt

Das Material fuumlr diesen Solarzellentyp basiert auf or-ganischen Kohlenwasserstoffverbindungen mit spezifi-scher elektronischer Struktur dem konjugierten π-Elektronensystem welches den betreffenden Materiali-en die wesentlichen Eigenschaften amorpher Halblei-ter verleihen Typische Vertreter organischer Halbleitersind konjugierte Polymere und Molekuumlle wobei auch

speziell synthetisierte Hybridstrukturen verwendet wer-den Die ersten Kunststoffsolarzellen die aus konju-gierten Polymeren (Elektronendonatoren) und Fullerenen

(Elektronenakzeptoren) hergestellt wurden waren Zwei-Schicht-Solarzellen Diese Zellen bestehen aus einer duumln-nen Schicht des konjugierten Polymers auf die eineweitere duumlnne Schicht von Fullerenen aufgebracht wirdAus technologischer Sicht stellen konjugierte Polyme-re und funktionalisierte Molekuumlle auf Grund ihrer Pro-

zessierbarkeit aus der Fluumlssigphase attraktive Basisma-terialien fuumlr die kostenguumlnstige Massenproduktion flexi-bler PV-Elemente mit vergleichsweise einfacher Strukturdar Molekulare Halbleiter hingegen werden uumlblicherwei-se in vakuumgestuumltzten Aufdampfprozessen zu wohlde-finierten Mehrschichtsystemen verarbeitet und lassen dieHerstellung sequentiell abgeschiedener Halbleiterschich-ten und somit komplexere Zelltypen (z B Tandemzellen)zu

Die organische Photovoltaik (OPV) hat das technologi-sche Potenzial als sogenannte bdquoLow-cost Energy SourceldquoEinzug in die mobile Stromversorgung zu halten Dies

auch aufgrund der kostenguumlnstigen Massenfertigung aufBasis etablierter Druckverfahren Damit koumlnnte mit derorganischen Photovoltaik ein neuer Anwendungsbereicherschlossen werden bei gleichzeitig niedrigen Investiti-onskosten Die Firma Konarka Technologies GmbH inNuumlrnberg hatte 2009 erste organische Kollektoren fuumlrMobilgeraumlte auf den Markt gebracht[46]

36 Hybrid-Solarzelle

Eine Hybridsolarzelle ist eine Solarzelle die organischeund anorganische Bestandteile enthaumllt[47]

37 Fluoreszenz-Zelle

Fluoreszenz-Zellen sind Solarzellen die zunaumlchst in ei-ner Platte durch Fluoreszenz Licht groumlszligerer Wellenlaumlngeerzeugen um dieses an den Plattenkanten zu wandeln

38 Thermische Photovoltaik-Zellen(TPV)

Unter dem Namen Thermische Photovoltaik-Zellen(TPV) werden Zellen auf Basis von InP (fruumlher GaSb)verstanden die nicht Sonnenlicht verwerten sondernWaumlrmestrahlung also Licht wesentlich houmlherer Wel-lenlaumlnge Der Wirkungsgrad wurde dabei durch neuereArbeiten[48] bis auf 12 gesteigert (vorher maximal 9) Eine potentielle Anwendung solcher Zellen waumlre

die Verwertung von Waumlrme wie sie bei groszligtechnischenAnwendungen in groszligen Mengen entsteht und die bishermit zusaumltzlichem Aufwand entsorgt werden muss

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13

4 Geschichte

rarr Hauptartikel Geschichte der Photovoltaik

Die Nutzung der Sonne zur Gewinnung von elektrischerEnergie kann man grob in das Jahr 1839 datieren DerFranzose Alexandre Edmond Becquerel stellte fest dasseine Batterie wenn man sie dem Sonnenlicht aussetzteine houmlhere Leistung hat als ohne Sonnenlicht Er nutz-te den Potentialunterschied zwischen einer verdunkeltenund einer belichteten Seite einer chemischen Loumlsung indie er zwei Platinelektroden eintauchte Als er nun die-se Konstruktion in die Sonne stellte beobachtete er dassein Strom zwischen den zwei Elektroden entstand So ent-deckte er den photovoltaischen Effekt konnte ihn aller-dings noch nicht erklaumlren Spaumlter wies man nach dassauch andere Materialien wie Kupfer photoleitfaumlhig sind

Die Photoleitfaumlhigkeit wurde bei Selen 1873 nachgewie-sen Zehn Jahre spaumlter wurde die erste bdquoklassischeldquo Pho-tozelle aus Selen gefertigt Wiederum zehn Jahre spaumlter1893 wurde die erste Solarzelle zur Erzeugung von Elek-trizitaumlt gebaut

1904 entdeckte der oumlsterreichisch-ungarische PhysikerPhilipp Lenard dass Lichtstrahlen beim Auftreffen aufbestimmte Metalle Elektronen aus deren Oberflaumlche her-ausloumlsen und lieferte damit die ersten Erklaumlrungen fuumlrdenEffekt der Photovoltaik Ein Jahr spaumlter erhielt er den No-belpreis fuumlr Physik fuumlr die Erforschung des Durchgan-ges von Kathodenstrahlen durch Materie und fuumlr seineElektronentheorie Den endguumlltigen Durchbruch schaffte1905 Albert Einstein als er mit Hilfe der Quantentheo-rie die gleichzeitige Existenz des Lichtes sowohl als Welleals auch als Teilchen erklaumlren konnte Bis dahin glaubteman dass Licht nur als eine Energie mit unterschiedlicherWellenlaumlnge auftritt Doch Einstein stellte in seinen Ver-suchen die Photovoltaik zu erklaumlren fest dass sich Lichtin manchen Situationen genauso wie ein Teilchen verhaumlltund dass die Energie jedes Lichtteilchens oder Photonsnur von der Wellenlaumlnge des Lichts abhaumlngt Er beschriebdas Licht als eine Ansammlung von Geschossen die aufdas Metall treffen Wenn diese Geschosse genuumlgend En-

ergie besitzen wird ein freies Elektron das sich im Me-tall befindet und von einem Photon getroffen wird vomMetall geloumlst Auszligerdem entdeckte er dass die maxima-le kinetische Energie der losgeloumlsten Elektronen von derIntensitaumlt des Lichtes unabhaumlngig ist und nur durch dieEnergie des auftreffenden Photons bestimmt wird DieseEnergie haumlngt wiederum nur von der Wellenlaumlnge (oderder Frequenz) des Lichtes ab Fuumlr seine Arbeit zum pho-toelektrischen Effekt erhielt er 1921 den Nobelpreis fuumlrPhysik

Die Entdeckung des p-n-Uumlbergangs (Kristallgleichrich-ters) im Jahre 1947 durch William B Shockley Walther

H Brattain und John Bardeen war ein weiterer groszligerSchritt zur Solarzelle in ihrer heutigen Form Nach die-sen Entdeckungen stand dem Bau einer Solarzelle in ih-

rer heutigen Form nichts mehr entgegen Es ist jedocheinem gluumlcklichen Zufall zu verdanken dass diese ersteSolarzelle 1954 in den Laboratorien der amerikanischenFirma Bell gebaut wurde Die Mitarbeiter der Firma (un-ter Teamleiter Morton Price) beobachteten als sie einenGleichrichter der mit Hilfe von Silicium arbeitete un-

tersuchten dass dieser mehr Strom lieferte wenn er inder Sonne stand als wenn er zugedeckt war Bei Bell er-kannte man schnell den Nutzen dieser Entdeckung zurVersorgung des Telefonnetzes von laumlndlichen Regionenmit Strom was bis dahin noch mit Batterien geschah DieFirma Bell genauer Daryl Chapin Calvin Souther Fullerund Gerald Pearson entwickelte 1953 die erste mit Arsendotierte Solarzelle auf Siliciumbasis welche einen Wir-kungsgrad von etwa 4 besaszlig Durch den Wechsel desDotierungsmittels konnte der Wirkungsgrad auf etwa 6 erhoumlht werden

Modell von Vanguard 1

Die Raumfahrt erkannte sehr schnell den Nutzen derSolartechnik und ruumlstete 1958 zum ersten Mal einenSatelliten mit Solarzellen aus Vanguard 1 startete am17 Maumlrz 1958 und war erst der vierte Satellit uumlber-haupt Er besaszlig ein Solarpanel welches mit 108 Silicium-Solarzellen ausgestattet war Diese dienten nur als Lade-

station der Akkus und nicht zur direkten Stromversor-gung Dabei wurde errechnet dass die Zellen einen Wir-kungsgrad von 105 besaszligen Die Konstrukteure hatteneine geringere Energieausbeute und eine kuumlrzere Lebens-dauer angenommen so dass man diesen Satelliten nichtmit einem bdquoAusschalterldquo versehen hatte Erst nach achtJahren stellte der Satellit aufgrund von Strahlenschaumldenseinen Betrieb ein

Kurz darauf entstand die CdS-Cu2S-Solarzelle die bisAnfang der 1990er noch in Satelliten eingesetzt wurdenHeutige Satelliten sind zum Vergleich mit Vanguard I mitrund 40000 Solarzellen ausgestattet

Im Weltraum steht der natuumlrlichen Sonnenstrahlung imVergleich zur Erdoberflaumlche nichts entgegen keine Wol-kendecken und keine Strahlung absorbierende und mehr

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14 5 FORMEN UND GROumlszligEN

oder weniger verschmutzte Atmosphaumlre die das Sonnen-licht behindert Andererseits fuumlhren die extremen Strah-lungsverhaumlltnisse im Weltraum zu einer staumlrkeren Degra-dation der Solarzellen als es auf der Erde der Fall ist Seit-her versuchen Industrie und Forschung immer groumlszligereWirkungsgrade zu erreichen und zugleich die Degradati-

on und Strahlungsresistenz zu verbessern

Grafik Juno vor dem Jupiter

Uumlblicherweise werden Raumsonden im inneren Sonnen-system durch Solarzellen mit Strom versorgt Dadurchdass heutige fuumlr Raumfahrtzwecke verwendete Solarzel-len nicht nur 50 effizienter sondern auch strahlungs-resistenter als die noch vor 20 Jahren verwendeten Sili-

ciumzellen sind[49] kann im Jahr 2011 die RaumsondeJuno als erste mit Solarzellen ausgeruumlstete Raumsondezum in Strahlung getauchten Planeten Jupiter starten

Durch die Verwendung reineren Siliciums und bessererDotierungsmoumlglichkeiten wurde der Wirkungsgrad ge-steigert und die Lebensdauer erhoumlht Mandelkorn undLamneck verbesserten die Lebensdauer der Zellen 1972durch eine Reflexion der Minoritaumltsladungstraumlger in demsie ein sogenanntes back surfaces field (BSF) in die p-leitende Schicht einbrachten 1973 stellten Lindmayerund Ellison die sog violette Zelle vor die bereits ei-nen Wirkungsgrad von 14 besaszlig Durch das Reduzie-

ren des Reflexionsvermoumlgens wurde 1975 der Wirkungs-grad auf 16 gesteigert Diese Zellen heiszligen CNR-Solarzellen (englisch Comsat Non Reflection Comsat =Telefonsatellit ) und wurden fuumlr Satelliten entwickelt In-zwischen sind von Green sowie an der Stanford Univer-sitaumlt und bei Telefunken Solarzellen mit Wirkungsgradenum 20 entwickelt worden Der theoretische Wirkungs-grad fuumlr Silicium-Solarzellen liegt bei 29 fuumlr die Strah-lungsverhaumlltnisse in mittleren Breiten Zu den Wirkungs-graden siehe auch technische Merkmale

Maszliggeblicher Anstoszlig fuumlr diese Entwicklung war Anfangder Siebziger die Vervierfachung des Oumllpreises Nach

dieser Preissteigerung rief Richard Nixon 1974 ein For-schungsprogramm ins Leben welches sich mit regenera-tiven Energien auseinandersetzte Bis dahin kostete jedes

Watt 200 Dollar und war somit nicht konkurrenzfaumlhigUm die Akzeptanz und das Vertrauen bei der Bevoumllke-rung zu gewinnen wurden Anfang der 1980er Rennenmit Solarmobilen ausgetragen und im Juli 1981 uumlber-querte ein mit Solarkraft angetriebenes Flugzeug den Aumlr-melkanal

Duumlnnschichtmodule aus amorphenSilicium ermoumlglichtendie autonome Versorgung von Taschenrechnern Uhrenund anderen Kleinverbrauchern

Module mit kristallinen Zellen wurden zunaumlchst fuumlr Insel-Systeme mit 12 V Systemspannung auf der Basis einerBleibatterie genutzt Ab 1990 begann in Deutschland mitdem 1000-Daumlcher-Programm der groszligflaumlchige Einsatz innetzgekopplten Systemen

Bis gegen Ende der 1990er Jahre waren Zellen mit et-wa 100 mm Kantenlaumlnge (im Fachjargon auch Vier-Zoll-Zellen genannt) und 36 Zellen pro Modul fuumlr 12-V-

Systeme die uumlblichste Baugroumlszlige Danach wurden 125-mm-Zellen (5rdquo) verstaumlrkt fuumlr Module mit 72 Zellen fuumlr 24V Systemspannung genutzt und seit etwa 2002 sind 156-mm-Zellen (Kantenlaumlnge 156 mm bzw 6 Zoll) fuumlr Stan-dardmodule mit typisch 60 Zellen die gaumlngige Groumlszlige[50]

Versuche zur Einfuumlhrung von 8-Zellen wurden abge-brochen da die mechanische Stabilitaumlt eine Erhoumlhungder Waferdicke und damit des Materialeinsatzes erfor-dert haumltte

Ab 2007 konnten Duumlnnschichtmodule mit Zellen aus Cd-Te der Firma FirstSolar einen Preisrutsch fuumlr Solarmo-dule ausloumlsen Werke fuumlr Module mit CIS- und CIGS-

Zellen wurden aufgebaut Aber seit 2012 haben Moduleaus kristallinem Silicium gefertigt in China mit ihremKostenvorteil zusammen mit der inzwischen gesichertenVersorgung mit ausreichend Rohsilicium den Markt er-obert

5 Formen und Groumlszligen

Zu Beginn der Kommerzialisierung der Solartechnikwurden haumlufig runde Zellen eingesetzt deren Ursprung

von den meist runden Siliciumstaumlben der Computerin-dustrie herruumlhrt Inzwischen ist diese Zellenform relativselten und es werden quadratische Zellen oder fast qua-dratische mit mehr oder weniger abgeschraumlgten Eckeneingesetzt Als Standardformate werden derzeit Wafermit einer Kantenlaumlnge von 125 und 156 mm prozessiertkuumlnftig sollen aber auch Zellen mit einer Kantenlaumlnge von210 mm Bedeutung erlangen

Durch Saumlgen der fertig prozessierten Zellen entstehen fuumlrspezielle Anwendungen im Kleingeraumltebereich auch Zel-len mit kleineren Kantenlaumlngen Sie liefern annaumlhernd diegleiche Spannung wie die groszligen Zellen jedoch entspre-

chend der kleineren Flaumlche einen kleineren StromIm EFG-Verfahren werden auch Zellen hergestellt beidenen die Seiten des entstehenden Rechtecks nicht die

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61 Thermodynamisches Limit I 15

gleichen Laumlngen haben

6 Wirkungsgrad

Vergleich der praktisch erzielbaren Wirkungsgrade verschie-

dener Solarzellen und deren zeitliche Entwicklung Die vio-letten Kurven im oberen Bereich stellen sogenannte Tandem-Solarzellen eine Kombination verschiedener pn-Uumlbergaumlnge dar

Der Wirkungsgrad η einer Solarzelle ist das Verhaumlltnisder von ihr erzeugten elektrischen Leistung P elektrisch undder Leistung der einfallenden Strahlung P Licht

η = P elektrisch

P Licht

Der maximale Wirkungsgrad η einer Solarzelle ist vom

Bandabstand und der Anzahl der auf verschiedene Spek-tralbereiche optimierten pn-Uumlbergaumlnge abhaumlngig Bei ei-nem pn-Uumlbergang ist bei optimalem Bandabstand unddarauf in der Wellenlaumlnge abgestimmtem Licht theo-retisch ein Wirkungsgrad von bis zu 41 erzielbarIn praktischen Anwendungen liegen tatsaumlchlich erziel-bare Wirkungsgrade um und unter 25 Bei Tandem-Solarzellen welche durch mehrere unterschiedliche pn-Uumlbergaumlnge groumlszligere Spektralbereiche abdecken koumlnnenkoumlnnen die Gesamtwirkungsgrade aller pn-Uumlbergaumlnge inSumme auch uumlber der theoretischen Grenze von 41 liegen

Der Rekord fuumlr im Labor hergestellte Silicium-Solarzellen liegt bei 247 Prozent (University of NewSouth Wales Australien) mit denen Module mit uumlber22 Prozent Wirkungsgrad hergestellt wurden DieDegradation des Wirkungsgrades (Alterungsverhalten)liegt bei ca 10 Prozent in 25 Jahren Hersteller gebenbeispielsweise Garantien auf mindestens 80 Prozent derPeak-Leistung nach 20 Jahren

Im Weltraum ist einerseits die Solarkonstante groumlszliger alsdie Globalstrahlung auf der Erde andererseits altern dieSolarzellen schneller Solarpanele fuumlr Satelliten erreichenzur Zeit (2005) einen Wirkungsgrad von fast 25 [51] bei

einer Betriebszeit von 15 JahrenEin hoher Wirkungsgrad ist erstrebenswert weil er beigleichen Lichtverhaumlltnissen und gleicher Flaumlche zu einer

groumlszligeren Ausbeute an elektrischem Strom fuumlhrt Fuumlr jedeMaschine die auf der Erde aus Sonnenlicht oder auf an-dere Weise mechanische oder elektrische Arbeit erzeugt(z B Aufwindkraftwerke Stirlingmotoren etc) gilt einthermodynamisches Limit

61 Thermodynamisches Limit I

Die groumlbste Abschaumltzung des Wirkungsgrades erhaumllt mandurch den Carnot-Wirkungsgrad Er beschreibt den ma-ximalen Wirkungsgrad den eine beliebige physikalischeMaschine erreichen kann wenn sie ihre Energie aus derTemperaturdifferenz von zwei Waumlrmebaumldern beziehtDer Carnot-Wirkungsgrad ergibt sich aus der Tempera-tur T warm des waumlrmeren Bades und der Temperatur T kalt

des kaumllteren Bades gemaumlszlig

η = 1 minusT kalt

T warm

Im Falle der Solarzelle ist das waumlrmere Energiebaddie Sonnenoberflaumlche mit einer Temperatur von etwa5800 K und das kaumlltere Bad die Solarzelle mit einerTemperatur von 300 K Daraus ergibt sich ein Carnot-Wirkungsgrad von 95 Im Weltraum genutzte Solarzel-len haben infolge der houmlheren Temperaturdifferenz ent-sprechend houmlhere Wirkungsgrade

62 Thermodynamisches Limit II

Die Abschaumltzung im obigen Abschnitt vernachlaumlssigtdass die Energie von der Sonne zur Solarzelle durchStrahlung uumlbertragen wird In einem ausfuumlhrlicheren Mo-dell setzt man vor die Solarzelle einen Absorber Dieserabsorbiert die Strahlung der Sonne und strahlt selber ei-nen kleinen Teil der Waumlrmestrahlung wieder an die Sonneab Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz flieszligt somit ins-gesamt die Waumlrmeleistung

σT 4Sonne minus σT 4Absorber

von der Sonne zum Absorber wobei σ die Stefan-Boltzmann-Konstante ist Nach dem Carnot-Wirkungsgrad kann der Absorber von dieser Waumlrme nurden Anteil

1 minusT Solarzelle

T Absorber

in elektrische Arbeit uumlberfuumlhren Der Wirkungsgrad be-stimmt sich nun aus diesem Anteil und der gesamten vonder Sonne abgestrahlten Leistung σT 4Sonne zu

η =

9830801 minus

T 4Absorber

T 4Sonne

983081 middot

9830801 minus

T Solarzelle

T Absorber

983081

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16 7 TECHNISCHE MERKMALE

Bei einer Temperatur von 5800 K fuumlr die Sonnenober-flaumlche und 300 K Umgebungstemperatur wird der Wir-kungsgrad bei einer Absorbertemperatur von etwa 2500K maximal und betraumlgt 85 [57]

63 Shockley-Queisser-Grenze

0 1 2 30

10

20

30

m a

x

W i r k u n g s g r a d i n

Bandabstand in eV

Maximaler Wirkungsgrad als Funktion des Bandabstandes wiees die Shockley-Queisser-Grenze beschreibt

rarr Hauptartikel Shockley-Queisser-Grenze

Die Shockley-Queisser-Grenze betrachtet den fuumlr Solar-zellen typischen Anregungsprozess von Elektronen in ei-nem Halbleiter In einer Solarzelle wird dadurch Licht in

elektrische Energie umgewandelt dass das Licht Elek-tronen aus dem Valenzband in das Leitungsband anregtNur ein schmaler Ausschnitt des angebotenen Energie-spektrums wird genutzt Der theoretische Grenzwert en-ergieselektiver Zellen ist deshalb kleiner als das thermo-dynamische Limit eines Gesamtsystems

Entscheidend fuumlr die Energie die man pro angeregtemElektron gewinnen kann ist dabei die Groumlszlige der Bandluuml-cke E g des Halbleiters Unabhaumlngig davon wie weit dasElektron uumlber die untere Kante des Leitungsbandes an-geregt wird erhaumllt man pro Elektron maximal die Ener-gie der Bandluumlcke als elektrische Energie Bei der elektri-

schen Leistung die man aus allen angeregten Elektronengewinnt muss man beruumlcksichtigen dass bei einer klei-nen Bandluumlcke mehr Elektronen erzeugt werden Bei ei-ner groszligen Bandluumlcke hat jedes einzelne Elektron dafuumlrmehr Energie Es muss daher ein Kompromiss aus fol-genden Grenzfaumlllen gefunden werden

bull Groszlige Bandluumlcke Nur energiereiches Licht (blauesund ultraviolettes Licht) kann Elektronen erzeugenda laumlngere Wellenlaumlngen nicht absorbiert werdenWegen der groszligen Bandluumlcke besitzt jedes Elektroneine hohe Energie

bull Kleine Bandluumlcke Auch langwelliges Licht kannElektronen anregen so dass insgesamt viele Elektro-

nen ins Leitungsband angeregt werden Diese ver-lieren jedoch durch Stoszligprozesse mit dem Kristall-gitter in wenigen hundert Femtosekunden einen Teilihrer Energie bis sie nur noch die Energie der Band-luumlcke besitzen

Die Shockley-Queisser-Grenze gilt fuumlr den Fall einer Zel-le mit nur einem pn-Uumlbergang Mit sogenanntenTandem-Solarzellen (englisch multi-junction solar cell ) in de-nen mehrere pn-Uumlbergaumlnge mit verschiedenen Band-luumlcken kombiniert sind koumlnnen prinzipiell auch houml-here Wirkungsgrade erreicht werden siehe AbschnittMehrfachsolarzellen

7 Technische Merkmale

Die Kenngroumlszligen einer Solarzelle werden fuumlr normierteBedingungen die Standard-Testbedingungen haumlufig ab-gekuumlrzt STC (englisch Standard Test Conditions ) angege-ben

bull Einstrahlungsstaumlrke von1000 Wmsup2in Modulebene

bull Temperatur der Solarzelle 25 degC konstant

bull Strahlungsspektrum AM 15 global DIN EN 61215IEC 1215 DIN EN 60904 IEC 904

Dabei steht AM 15 global fuumlr den Begriff Air Mass die

15 dafuumlr dass die Sonnenstrahlen das 15-fache der At-mosphaumlrenhoumlhe durchlaufen weil sie schraumlg auftreffenDas entspricht sehr gut den sommerlichen Gegebenhei-ten in Mitteleuropa von Norditalien bis MittelschwedenIm Winter steht die Sonne in unseren Breiten erheblichtiefer und ein Wert von AM 4 bis AM 6 ist hier realisti-scher

Durch die Absorption in der Atmosphaumlre verschiebt sichauch das Spektrum des auf das Modul treffenden Lich-tes bdquoGloballdquo steht fuumlr Globalstrahlung die sich aus demDiffus- und dem Direktstrahlungsanteil der Sonne zusam-mensetzt

Dabei ist zu beachten dass in der Realitaumlt insbesonderedie Zellentemperatur bei einer solchen Einstrahlung diein Deutschland im Sommer zur Mittagszeit erreicht wirdbei normalem Betrieb wesentlich houmlher liegt (je nach An-bringung Windanstroumlmung etc kann sie zwischen etwa30 und 60 degC liegen) Eine erhoumlhte Zellentemperatur be-deutet aber gleichzeitig einen herabgesetzten Wirkungs-grad der Solarzelle Aus diesem Grund wurde auch eineweitere Bezugsgroumlszlige geschaffen PNOCT die Leistungbei normaler Betriebstemperatur (normal operating celltemperature)

Gebraumluchliche Abkuumlrzungen fuumlr die Bezeichnungen sind

bull SC Short Circuit ndash Kurzschluss

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71 Schaltbilder 17

Stromstaumlrke I Leistung P

e r z e u g

t e L e i s

t u n g

Spannung U

o h

n e

B e l e

u c h t u

n g

m i t

B e l e

u c h t u

n g

Kurzschluszligstrom

Leerlaufspannung

Punkt maximaler

Leistung

oc

I

I

mp UU

mp

sc

Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzelle beleuchtet und un-beleuchtet

bull OC Open Circuit ndash Leerlauf

bull MPP Maximum Power Point ndash Betriebspunkt ma-ximaler Leistung

bull PR Performance Ratio Qualitaumltsfaktor der an-gibt welcher Teil des vom Solargenerator erzeug-ten Stromertrages (unter Nennbedingungen) real zurVerfuumlgung steht

Die Kennwerte einer Solarzelle sind

bull Leerlaufspannung U OC (auch V OC )

bull Kurzschlussstrom I SC

bull Spannung im bestmoumlglichen Betriebspunkt U MPP

(auch V MPP )

bull Strom im Betriebspunkt mit maximaler LeistungI MPP

bull Maximale erzielbare Leistung P MPP Solarzellenher-steller geben diese unter standardisierten Bedin-gungen maximal erzielbare Leistung in der Einheit

kWp sprich bdquoKilowatt-Peakldquo an

bull Fuumlllfaktor F F = PMPPU OCmiddotI SC

bull Koeffizient fuumlr die Leistungsaumlnderung mit der Zell-temperatur

bull Zellwirkungsgrad η = P MPPAmiddotE e

mit der bestrahlten Flauml-che A und der Bestrahlungsstaumlrke E e

Solarzellen koumlnnen also eine Leistung von sehr grob 160Wmsup2 abgeben Eingebaut in ein Modul ist die Leistung

pro Flaumlche geringer da zwischen den Zellen und zumModulrand Abstaumlnde vorhanden sind Im Weltraum wirdeine Leistung von 220 Watt pro Quadratmeter erzielt[58]

Schaltsymbol einer Fotodiode

Schaltzeichen und einfaches Ersatzschaltbild einer Solarzelle

71 Schaltbilder

Das Schaltsymbol einer Solarzelle gibt wie das Schalt-symbol einer Diode oder Photodiode mit einem Pfeil

die technische Stromrichtung zur Verschaltung an DerKennlinienverlauf einer realen Solarzelle weicht aller-dings von der einer idealen Fotodiode ab Um die-se Abweichungen zu modellieren existieren mehrereErsatzschaltbilder

711 Vereinfachtes Ersatzschaltbild

Das Schaltbild besteht zunaumlchst nur aus einerStromquelle die parallel zu einer idealen Diode ge-schaltet wird Diese produziert einen Strom der vonder Bestrahlungsstaumlrke abhaumlngt und den Photostrom I ph

modelliert Die Gesamtstromstaumlrke ergibt sich damit mitdem Diodenstrom I D (siehe Diode) zu

I = I ph minus I D = I ph minus I S

983131e

U DnmiddotU T minus 1

983133

712 Erweitertes Ersatzschaltbild (Ein- undZweidiodenmodell)

Das erweiterte Ersatzschaltbild nimmt Ruumlcksicht auf rea-le Faktoren des Bauelementes die durch die Fertigung

entstehen Mit diesen Modellen soll ein moumlglichst rea-listisches Modell der tatsaumlchlichen Solarzelle geschaffenwerden Beim Eindiodenmodell wird so das vereinfach-

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18 9 UMWELTSCHUTZ

Eindiodenmodell einer Solarzelle

te Ersatzschaltbild zunaumlchst nur durch einen parallel undeinen in Reihe geschalteten Widerstand ergaumlnzt

bull Der Parallelwiderstand Rp symbolisiertKristallfehler nichtideale Dotierungsverteilungenund andere Materialdefekte durch dieVerluststroumlme entstehen die den p-n-Uumlberganguumlberbruumlcken Bei Solarzellen aus guter Herstellungist dieser Widerstand relativ groszlig

bull Mit dem Serienwiderstand Rs werden alle Effektezusammengefasst durch die ein houmlherer Gesamtwi-derstand des Bauelementes entsteht Das sind haupt-saumlchlich der Widerstand des Halbleitermaterials derWiderstand an den Kontakten und der ZuleitungenDiese Groumlszlige sollte bei gefertigten Solarzellen moumlg-lichst gering sein

Die Formel fuumlr den Gesamtstrom ist fuumlr dieses Modellbereits eine rekursive Funktion und lautet

I = I phminusI dminusU p

Rp= I phminusI S

983131eU +RsmiddotInmiddotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

Beim Uumlbergang zum Zweidiodenmodell fuumlgt man ei-

Zweidiodenmodell mit spannungsgesteuerter Stromquelle fuumlr denLawinendurchbruch in Sperr-Richtung

ne weitere Diode mit einem anderen Idealitaumltsfaktor nein Normalerweise werden diese uumlber die Werte 1 und2 angesetzt Weiterhin lassen sich alle diese Modellebei Betrieb in Sperr-Richtung durch eine spannungsge-steuerte Stromquelle ergaumlnzen um den Lawinendurch-bruch zu modellieren Die Formeln fuumlr die Stroumlme beim

Zweidiodenmodell lauten dann bei Anpassungsleitwert g Durchbruchspannung U und Lawinendurchbruchex-ponent n

I = I phminusI bminusI S1

983131eU +RsmiddotIn1middotU T minus 1

983133minusI S2

983131eU +RsmiddotIn2middotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

I b = gb middot

(U + Rs middot I )

Rpmiddot983080

1 minus

U + Rs middot I

U b983081minusnb

8 Energetische Amortisation undErntefaktoren

Siehe auch Erntefaktor

Die energetische Amortisationszeit ist der Zeitpunkt zudem die fuumlr die Herstellung einer Photovoltaikanlage auf-gewandte Primaumlrenergie durch selbige wieder erzeugt

wurde Da die bei der Produktion genutzte elektrischeEnergie zu den Sekundaumlrenergien zaumlhlt wird diese mitdem Wirkungsgrad eines fossilen Kraftwerkes in Pri-maumlrenergie umgerechnet Dementsprechend erfolgt dieseUmrechnung auch bei der erzeugten elektrischen Energieder Solarzelle Analog kann man sich vorstellen dass diePhotovoltaikanlage den Strom aus einem konventionellenKraftwerk ersetzt[59]

Die energetische Amortisationszeit von Photovoltaikan-lagen betraumlgt derzeit (Stand 2013) nach einer Studie vonPeng et al global betrachtet zwischen 075 und 35 Jah-ren je nach Standort und verwendeter Photovoltaiktech-

nologie Der Mittelwert schwankt im Bereich von ca15 bis 25 Jahren Dies bedeutet in diesem Zeitraumhat die Photovoltaikanlage wieder die Energie hereinge-spielt die insgesamt waumlhrend ihres gesamten Lebenszy-klus verbraucht wurde Beruumlcksichtigt sind also die Her-stellung der Anlagen ihr Transport die Errichtung Be-trieb und der Ruumlckbau bzw Recycling Die rechnerischenCO2-Emissionen von Photovoltaikanlagen je nach Tech-nik und Standort zwischen 105 und 50 g CO2kWh mitDurchschnitten im Bereich 35 bis 45 g CO2kWh AlsLebensdauer wurde in der Studie 30 Jahre fuumlr Moduleauf Basis kristalliner Siliciumzellen und 20-25 Jahren fuumlr

Duumlnnschichtmodule angenommen fuumlr Lebensdauer derWechselrichter wurden 15 Jahre angenommen[60] Photo-voltaikanlagen liefern demnach waumlhrend ihrer Betriebs-zeit ein Vielfaches der Energie die zu ihrer Herstellungurspruumlnglich aufgewandt wurde

9 Umweltschutz

Die Herstellung photovoltaischer Solarzellen ist ein che-mischer Prozess bei dem gasfoumlrmige fluumlssige und fes-te Chemikalien zum Einsatz kommen die gesundheits-

und umweltschaumldlich sind Aus diesem Grund ist ein ho-her Standard der Prozesssicherheit zentral Unter Ar-beitsschutzaspekten ist eine sichere Ablufterfassung und

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Reinigung zu gewaumlhrleisten Bei dem Einsatz von Nass-waumlschern wird die Abluft durch ein fluumlssiges Absorpti-onsmedium geleitet Wenn dieses aufgebraucht ist ent-steht eine weitere Abwasserquelle neben den Aumltzloumlsun-gen aus der Produktion Diese muumlssen innerbetrieblichwiederaufbereitet oder spezialisierten Entsorgern uumlber-

geben werden Bei der Herstellung von Duumlnnschicht-halbleitern kommt es an den Waumlnden und Aufbautender Prozesskammer zu siliciumhaltigen AblagerungenDie Ruumlckstaumlnde muumlssen regelmaumlszligig entfernt werden dasie den Prozess stoumlren und zu Qualitaumltseinbuszligen fuumlh-ren Zum Entfernen der Ruumlckstaumlnde verwendet manSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid als Reini-gungsgase Beide Gase sind zwar ungiftig gleichwohlaber sehr starke Treibhausgase[61] In der Zellproduk-tion muumlssen die Reinigungsgase mit hoher Volumen-flussrate eingesetzt werden da sie chemisch sehr sta-bil sind und im Plasma zu weniger als 10 in rei-

nigungsaktive Radikale zerfallen Ein Groszligteil des Ga-ses bleibt somit ungenutzt und muss kostenintensiv ent-sorgt werden Zum Teil entweicht es ndash gewollt oder un-gewollt ndash direkt in die Umwelt Hieraus erklaumlrt sichu a auch der kuumlrzlich gemessene starke Anstieg derStickstofftrifluoridkonzentration in der Hochatmosphauml-re besonders uumlber Ost- und Suumldostasien An Stelle vonSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid kann auchdas sehr reaktive Halogen Fluor als Reinigungsgas ver-wendet werden Fluor ist sehr giftig es ist jedoch keinTreibhausgas Auszligerdem laumlsst es sich sehr leicht undruumlckstandsfrei aus Abgasstroumlmen entfernen

Einige Solarzelltypen verwenden anstelle von SiliciumStoffe wie z B toxisches oder karzinogenes CadmiumArsen bzw deren Verbindungen sowie Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid Ein typisches Cadmiumtellurid-Solarmodul enthaumllt zum Beispiel ca 22 g des gefaumlhrli-chen Schwermetalls Cadmium und 25 g Tellur pro msup2Zellflaumlche[62] Bei der Produktion werden beide Sub-stanzen durch Co-Verdampfung auf das Traumlgermaterialaufgebracht Die Co-Verdampfung ist ein ungerichteterProzess bei dem die gesamte Innenoberflaumlche derBeschichtungskammer mit Duumlnnschichten aus TellurCadmiumtellurid Cadmiumsulfid und Antimontelluriduumlberzogen werden Der Materialverbrauch erhoumlht sich

dadurch um mindestens weitere 40

Bei der regelmaumlszligigen Reinigung der Produktionskam-mer mit waumlssriger Saumlure ndash die Reinigung erfolgt ma-nuell ndash werden die Ruumlckstaumlnde in eine waumlssrige Louml-sung uumlberfuumlhrt Neben der eigentlichen Zellprodukti-on stellt also auch die Reinigung der Produktions-anlagen eine Herausforderung an Umweltschutz undArbeitsschutz dar[63][64][65][66][67] Eine neuere Unter-suchung versucht die geringere Gefaumlhrdung die vonCadmiumtellurid-Zellen im Vergleich zur Kohleverbren-nung ausgeht nachzuweisen[36] Produktionsruumlckstaumln-de und Emissionen koumlnnen zu Langzeitschaumlden und

Altlasten fuumlhren Gleiches gilt bei unsachgemaumlszliger Ent-sorgung fuumlr die Altzellen Die Photovoltaik unterschei-

det sich in diesem Aspekt von anderen Technologien zurNutzung regenerativer Energien

10 Sicherheitsbetrachtung

Fuumlr Schutzmaszlignahmen im Brandfall und Blitzeinschlagsiehe Photovoltaikanlage

11 Siehe auch

bull Halbleiterdetektor

bull Sonnensimulator (Photovoltaik)

12 Literatur

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bull Viktor Wesselak Thomas Schabbach ThomasLink Joachim Fischer Regenerative Energietech-nik 2 erweiterte und vollstaumlndig neu bearbeite-te Auflage Springer Vieweg Berlin Heidelberg2013 ISBN 978-3-642-24165-9

bull Peter Wuumlrfel Physik der Solarzellen SpektrumAkademischer Verlag Heidelberg 2000 ISBN 3-8274-0598-X (= Spektrum Hochschultaschenbuch)

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20 14 EINZELNACHWEISE

13 Weblinks

Commons Solarzelle ndash Album mit Bildern Videosund Audiodateien

Wikibooks Herstellung von Solarzellen ndash Lern-

und Lehrmaterialien

bull Die Solarmaus ndash Entstehung der Solarzelle mit Ar-min Maiwald (YouTube-Video)

bull PV-Education ndash detaillierte Online-Vorlesung mitGrundlagen und Anwendungen zur PV (englisch)

bull Photovoltaik ndash Innovationen (BINE Informations-dienst)

14 Einzelnachweise

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15 Text- und Bildquellen Autoren und Lizenzen

151 Text

bull Solarzelle Quelle httpdewikipediaorgwikiSolarzelleoldid=138856800 Autoren Fgb RobertLechner Schewek Igelball Aka StefanKuumlhn Lukian Onno Ilja Lorek Head El GNosis Atman Sun Tsor Matthaumlus Wander Seewolf HenrikHolke Honina Pstaudt-fischbachSchusch GDK Migas Paddy Zwobot Kai11 D HaeB ArtMechanic Hadhuey Robbot Pm Anton HaSee Rdb Boehm ZumboDirk33 AndreasB Pietz Soundray Sinn Peter200 Schmiddtchen Fuenfundachtzig Breeze Magadan Fetz Braun Jdiemer StYxXxSebastianWilken Martin-vogel Mnh Ot Aloiswuest MAK Scorpion2211 Gerhardvalentin Jaques AshSert Philipendula STephanKambor Koerpertraining Nicolas PeeCee Duesentrieb AHZ Hendric Stattmann Kristjan Ri st Hafex Norro Cepheiden Christoph-Demmer Fubar Ckeen DasBee Silberchen iexcl0-8-15 1-1111 VanGore Mjk Groer Umaluagr Mkuemmerer Wendelin Cyper QdrDundak Liberatus Juesch Kdkeller Greuer Drap Garak76 MartinThoma Udo T Zaungast Stephantom Pelz ML Thorbjoern Hein-te Diba Blech Zahnstein Renekaemmerer He3nry SchorSch Ion Tauwasser Bobbl Rosa Lux Gerbil Ulfbastel Hubertl MrVVooUebel H2h Liberal Freemason Quirin Leonce49 Blaubahn Flominator RedBot Anhi Dein Freund der Baum Wkw1959 So66 Cle-mensfranz OKoslowski Itti Yahp Miaow Miaow Zaphiro Eneldo Onliner Wahldresdner Darok MovGP0 Muck Uwezi Loh SyrcroZweistein12 Olei Dantor Krischan111 Nize Uwe W Georg Slickers Amtiss Roterraecher RajHid STBR Jackalope Ephraim33JFKCom Andimx Suirenn Hydro Pajz Dktz RobotQuistnix Alanmak Euku Xocolatl Hermannthomas Eynre Savin 2005 AbrevFireball TheTruth Bahnemann Segelmaus Harf Jakob5 Zemy Nyneela Schmitty TobiWanKenobi DerHexer WAH Sesc RolandBerger Schlesinger Staro1 Mo4jolo GeorgHH MutluMan Nightflyer Matzematik PeterFrankfurt Tomreplay PortalBot Ing Schrouml-der Walter LKD Juuml Manecke Quelokee Mons Maenalus JoBa2282 Stepa Giessauf A Cellulesolaire Lemberger HillerD RadlfahrerHelfmann Logograph Mion KaiMeier Sepp Roest FabiBerg Flo422 Degreen Rai42 Rfc GruumlneErde Btr FelixP Wdwd PendulinAdipictures HAH Toumlnjes Kaumlpten Balu Andreas 06 Batosai Rex Akribix D-Kuru UnknownID01 Cramunhao BesondereUmstaende

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Avene DerGraueWolf Martin1978 Wassertraeger Pleonasty HRoestTypo EmausBot Halbarath Muumldigkeit ReinerSpass Mswisi Un-sterblicher TtIiMmOOO ZeacuteroBot Ottomanisch Dsfranzi Didym Striga Cologinux 30wiki04 Karle07 Ne discere cessa Rabax63Waithamai EnergieLabor Cassirer Randolph33 Mukitil Nummer4 Googolplex Flanschko Georgepauljohnringo Woltmers KrdbotHephaion Andol MerlIwBot Mikered KLBot2 Oguenther Thesurvived99 Herzoeglich Rudschuck Tomaacutes66 Gregou Boshomi Stei-ni77 Isjc99 Derschueler Hans Haase Schwunkel Smallandsimple Ciwd2 Nurax666 Krantnejie Rmcharb Kuschi51 Cimballi Redak-tionPflanze Datenundfakten Ragna314 Fico123456789 Buchbibliothek Blafnu Ferina53Solarous Kritzolina WhistlingBird Budu123Manni Lang HeicoH und Anonyme 686

152 Bilder

bull DateiBest_Research-Cell_Efficienciespng Quelle httpuploadwikimediaorgwikipediacommons335Best_Research-Cell_Efficienciespng Lizenz Public domain Autoren National Renewable Energy Laboratory (NREL) Golden CO minus United StatesDepartment of Energy Originalkuumlnstler National Renewable Energy Laboratory (NREL)

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bull Fraunhofer ISE Report current edition Originalkuumlnstler Eigenes Werk

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24 15 TEXT- UND BILDQUELLEN AUTOREN UND LIZENZEN

bull DateiMonokristalines_Silizium_fuumlr_die_Waferherstellungjpg Quelle httpuploadwikimediaorgwikipediacommons223Monokristalines_Silizium_fC3BCr_die_Waferherstellungjpg Lizenz CC-BY-SA-30 Autoren Originalkuumlnstler

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Page 10: Solar Zelle

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10 3 ANDERE SOLARZELLENTYPEN

Ruumlckseite (Schichtseite braun lackiert)

Solarzellentypen

zellen (kristallinen Solarzellen basierend auf Silicium-wafern) vor allem in ihren Produktionsverfahren unddurch die Schichtdicken der eingesetzten MaterialienDie physikalischen Eigenschaften amorphen Siliciumsdie von kristallinem Silicium verschieden sind beeinflus-sen die Solarzelleneigenschaften Manche Eigenschaftensind auch noch nicht vollstaumlndig verstanden

Auch bei kristallinen Solarzellen wird das Licht bereitsin einer duumlnnen Oberflaumlchenschicht (ca 10 microm) absor-biert Es liegt daher nahe Solarzellen sehr duumlnn zu fer-tigen Verglichen mit kristallinen Solarzellen aus Silici-umwafern sind Duumlnnschichtzellen etwa 100-mal duumlnner

Diese Duumlnnschichtzellen werden meist durch Abscheidenaus der Gasphase direkt auf einem Traumlgermaterial aufge-bracht Das kann Glas Metallblech Kunststoff oder auchein anderes Material sein Der aufwaumlndige im vorigenKapitel beschriebene Prozess des Zerschneidens von Si-liciumbloumlcken kann also umgangen werden

Das bisher gaumlngigste Material fuumlr Duumlnnschichtzellen istamorphes Silicium (a-SiH) Solche Duumlnnschichtmodu-le sind langlebige Produkte Freiluft-Tests zeigen sta-bile Wirkungsgrade uumlber mehr als zehn Jahre Moumlgli-che weitere Materialien sind mikrokristallines Silicium(microc-SiH) Gallium-Arsenid (GaAs) Cadmiumtellurid

(CdTe) oder Kupfer-Indium-(Gallium)-Schwefel-Selen-Verbindungen die so genannten CIGS-Solarzelle bzwCIS-Zellen wobei hier je nach Zelltyp S fuumlr Schwefel

oder Selen stehen kann Ein neuesMaterial das neu in derDuumlnnschichttechnologie Anwendung findet ist CZTS

Wirkungsgrade im Bereich von 20 (217 mit CIGS-Solarzellen siehe[33]) fuumlr kleine CIGS-Laborzellen (asymp 05cmsup2) sind durchaus moumlglich CIGS-Duumlnnschichtmodule

erreichen inzwischen aumlhnliche Wirkungsgrade wie Mo-dule aus polykristallinem Silicium (11ndash12 [34])Fuumlr Cadmiumtellurid-Zellen lag der Wirkungsgrad beiLaborzellen im August 2014 bei 21 [35]

Wichtiger sind oft die Kostenzu denen Stromaus den So-larzellen produziert werden kann dazu kommen wichti-ge Kriterien wie die Emission von Schadstoffen Aktuel-le Studien belegen dass Cadmiumtellurid-Duumlnnschicht-Solarzellen hier eine bessere Bilanz als konventionelle Si-liciumzellen aufweisen[36]

Eine weitere Staumlrke von Duumlnnschichtmodulen ist dasssie einfacher und groszligflaumlchiger produziert werden koumln-

nen insbesondere die Duumlnnschichtzellen aus amorphemSilicium Duumlnnschichtmodule sind nicht auf ein rigidesSubstrat wie Glas oder Aluminium angewiesen bei auf-rollbaren Solarzellen fuumlr den Wanderrucksack oder ein-genaumlht in Kleider wird ein geringerer Wirkungsgrad inKauf genommen der Gewichtsfaktor ist wichtiger als dieoptimale Lichtumwandlung

Zur Herstellung eignen sich Maschinen welche auchzur Herstellung von Flachbildschirmen eingesetzt wer-den Dabei werden Beschichtungsflaumlchen von uumlber 5 msup2erreicht Mit den Verfahren zur Herstellung von amor-phem Silicium laumlsst sich auch kristallines Silicium induumlnnen Schichten herstellen sogenanntes mikrokristal-lines Silicium Es vereint Eigenschaften von kristalli-nem Silicium als Zellenmaterial mit den Methoden derDuumlnnschichttechnik In der Kombination aus amorphemund mikrokristallinem Silicium wurden in den letztenJahren beachtliche Wirkungsgradsteigerungen erzielt

Ein Verfahren fuumlr die Fertigung kristalliner Duumlnnschicht-zellen aus Silicium ist CSG (Crystalline Silicon onGlass) dabei wird eine weniger als zwei Mikrometerduumlnne Siliciumschicht direkt auf einen Glastraumlger aufge-bracht die kristalline Struktur wird nach einer Waumlrme-behandlung erreicht Das Aufbringen der Stromfuumlhrungerfolgt mittels Laser- und Tintenstrahldrucktechnik Da-fuumlr wurde 2005 von der Firma CSG Solar eine Fabrika-tionsanlage in Deutschland gebaut Weil das Verfahrennicht wirtschaftlich zu betreiben war musste das Unter-nehmen nach kurzer Zeit seine Produktion einstellen Derchinesische Solarkonzern Suntech erwarb das Unterneh-men und seine Technologie hat aber 2011 die Aktivitauml-ten in diesem Bereich aufgegeben und das Unternehmengeschlossen[37]

Es werden derzeit Duumlnnschichtsolarzellen aus schwarzemSilicium entwickelt die einen etwa doppelten Wirkungs-grad erreichen sollen[38]

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34 Elektrochemische Farbstoff-Solarzelle 11

Schematischer Aufbau einer Konzentratorzelle

32 Konzentratorzellen

Bei Konzentratorzellen (auch Konzentrator-Photovoltaik engl Concentrated PV CPV) wird Halbleiterflaumlche ein-gespart indem das einfallende Sonnenlicht zunaumlchst

auf einen kleineren Bereich konzentriert wird Das er-reicht man durch Konzentratoren wie z B Linsen zu-meist Fresnel-Linsen oder auch Lichtleitkoumlrper die dieTotalreflexion nutzen[39][40] Diese sind im Vergleich zuHalbleitern bezogen auf die Flaumlche preiswerter Es kannsomit zu geringeren Kosten die Sonneneinstrahlung ei-ner groumlszligeren Flaumlche ausgenutzt werden Haumlufig verwen-dete Materialien fuumlr Konzentratorsolarzellen sind III-V-Halbleiter Zumeist werden Mehrfachsolarzellen (siehenaumlchster Abschnitt) verwendet die fuumlr vollflaumlchige So-larzellen unwirtschaftlich waumlren Sie arbeiten noch zu-verlaumlssig bei mehr als dem 500-fachen der Sonneninten-

sitaumlt Konzentratorsolarzellen muumlssen dem Sonnenstandnachgefuumlhrt werden damit ihre Optik die Sonnenstrah-lung auf die Zellen buumlndeln kann Zusaumltzlicher Effekt derLichtkonzentration ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wir-kungsgrades da die Leerlaufspannung ansteigt Die US-Energiebehoumlrde hat mit dieser Technik Wirkungsgradevon uumlber 40 erreicht[41][42]

33 Mehrfachsolarzellen

rarr Hauptartikel Tandem-Solarzelle

Mehrfachsolarzellen bestehen aus zwei oder mehr So-larzellen mit verschiedenem Material die monolithisch

uumlbereinander geschichtet sind Zweck dieser Anord-nung ist es den Wirkungsgrad der gesamten Anordnungzu erhoumlhen Die Wirkungsgrade bei Labormustern vonTandem-Konzentratorsolarzellen erreichten 2008 und2009 uumlber 40 So wurde am Fraunhofer Institut fuumlrSolare Energiesysteme ISE mit einer Mehrfachsolarzel-

le und 454-facher Konzentration ein Wirkungsgrad von411 erzielt[43]

34 Elektrochemische Farbstoff-Solarzelle

rarr Hauptartikel Graumltzel-Zelle

Bei Farbstoffsolarzellen auch bekannt als Graumltzel-Zellenwird der Strom anders als bei den bisher aufgefuumlhrtenZellen uumlber die Lichtabsorption eines Farbstoffes gewon-nen als Halbleiter kommt Titandioxid zum Einsatz Als

Farbstoffe werden hauptsaumlchlich Komplexe des seltenenMetalls Ruthenium verwendet zu Demonstrationszwe-cken koumlnnen aber selbst organische Farbstoffe zum Bei-spiel der Blattfarbstoff Chlorophyll oder Anthocyane (ausBrombeeren) als Lichtakzeptor verwendet werden (die-se besitzen jedoch nur eine geringe Lebensdauer) DieFunktionsweise der Zelle ist noch nicht im Detail geklaumlrtdie kommerzielle Anwendung gilt als recht sicher ist aberproduktionstechnisch noch nicht in Sicht

Konventionelle n-Typ-Farbstoffsolarzellen arbeiten miteiner Photoanode einer positiven Elektrode die mit ei-nem n-Halbleiter zB Titandioxid und einem Farbstoff

beschichtet ist Trifft Licht darauf werden die Farbstoff-molekuumlle angeregt und setzen Elektronen frei Ein Re-doxmediator der als Bestandteil des Elektrolyten zwi-schen den Elektroden frei beweglich ist regeneriert denFarbstoff Beim p-Typ (p-DSC p-dye-sensitized solarcell) laumluft der Prozess genau entgegengesetzt Ein spezi-eller Farbstoff und ein p-Halbleiter befinden sich auf ei-ner Photokathode Der durch Licht angeregte Farbstoffsaugt Elektronen aus dem Valenzband des p-HalbleiterszB Nickeloxid heraus Das uumlblicherweise eingesetz-te System aus Iodid und Tri-Iodid ersetzten Wissen-schaftler der Monash University der Commonwealth Sci-

entific and Industrial Research Organization (Australi-en) und der Universitaumlt Ulm durch den Kobalt-KomplexTris(12-diaminoethan)cobalt(IIIII) bei dem das Ko-balt zwischen den Oxidationsstufen +2 und +3 wech-seln kann Zellen auf dieser Basis erreichen dabei einehoumlhere Energieumwandlungseffizienz Ein weiterer An-satz um die Leistung von photovoltaischen Zellen zusteigern ist die Kombination einer n- und einer p-Typ-Farbstoffsolarzelle zu einer Tandem-Solarzelle[44]

35 Organische Solarzellen

rarr Hauptartikel Organische SolarzelleEine organische Solarzelle ist eine Solarzelle die aus

Werkstoffen der organischen Chemie besteht d h aus

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12 3 ANDERE SOLARZELLENTYPEN

Ein kommerziell erhaumlltliches flexibles Modul einer polymeren or- ganischen Solarzelle

Kohlenwasserstoff-Verbindungen (Kunststoffen) Diese

Verbindungen haben elektrisch halbleitende Eigenschaf-ten Der Wirkungsgrad mit dem Sonnenenergie inelektrische Energie umgewandelt wird liegt mit 120 (Stand Januar 2013)[45] noch unterhalb von dem von So-larzellen aus anorganischem Halbleitermaterial Organi-sche Solarzellen bzw Plastiksolarzellen wie sie auch ge-nannt werden sind aufgrund der Moumlglichkeiten hinsicht-lich guumlnstiger und vielseitiger Herstellungsverfahren einaktuelles Forschungsthema Die von den Herstellern die-ser Zellen auf Kunststoffbasis genannten Vorteile gegen-uumlber herkoumlmmlichen Siliciumsolarzellen sind

bull

Geringe Herstellungskosten aufgrund billiger Pro-duktionstechnologien

bull Hohe Stromausbeuten durch Duumlnnschicht-Groszligflaumlchentechnologien fuumlr Kunststoffe

bull Flexibilitaumlt Transparenz und einfache Handhabung(mechanische Eigenschaften von Kunststoffen)

bull Hohe Umweltvertraumlglichkeit (Kunststoffe auf Koh-lenstoffbasis)

bull Anpassung an das Sonnenspektrum durch gezieltePolymersynthese

bull bdquoBunteldquo Solarzellen fuumlr architektonische Stilele-mente

Im Vergleich zu den ersten organischen Solarzellen wur-den inzwischen viele Fortschritte erzielt

Das Material fuumlr diesen Solarzellentyp basiert auf or-ganischen Kohlenwasserstoffverbindungen mit spezifi-scher elektronischer Struktur dem konjugierten π-Elektronensystem welches den betreffenden Materiali-en die wesentlichen Eigenschaften amorpher Halblei-ter verleihen Typische Vertreter organischer Halbleitersind konjugierte Polymere und Molekuumlle wobei auch

speziell synthetisierte Hybridstrukturen verwendet wer-den Die ersten Kunststoffsolarzellen die aus konju-gierten Polymeren (Elektronendonatoren) und Fullerenen

(Elektronenakzeptoren) hergestellt wurden waren Zwei-Schicht-Solarzellen Diese Zellen bestehen aus einer duumln-nen Schicht des konjugierten Polymers auf die eineweitere duumlnne Schicht von Fullerenen aufgebracht wirdAus technologischer Sicht stellen konjugierte Polyme-re und funktionalisierte Molekuumlle auf Grund ihrer Pro-

zessierbarkeit aus der Fluumlssigphase attraktive Basisma-terialien fuumlr die kostenguumlnstige Massenproduktion flexi-bler PV-Elemente mit vergleichsweise einfacher Strukturdar Molekulare Halbleiter hingegen werden uumlblicherwei-se in vakuumgestuumltzten Aufdampfprozessen zu wohlde-finierten Mehrschichtsystemen verarbeitet und lassen dieHerstellung sequentiell abgeschiedener Halbleiterschich-ten und somit komplexere Zelltypen (z B Tandemzellen)zu

Die organische Photovoltaik (OPV) hat das technologi-sche Potenzial als sogenannte bdquoLow-cost Energy SourceldquoEinzug in die mobile Stromversorgung zu halten Dies

auch aufgrund der kostenguumlnstigen Massenfertigung aufBasis etablierter Druckverfahren Damit koumlnnte mit derorganischen Photovoltaik ein neuer Anwendungsbereicherschlossen werden bei gleichzeitig niedrigen Investiti-onskosten Die Firma Konarka Technologies GmbH inNuumlrnberg hatte 2009 erste organische Kollektoren fuumlrMobilgeraumlte auf den Markt gebracht[46]

36 Hybrid-Solarzelle

Eine Hybridsolarzelle ist eine Solarzelle die organischeund anorganische Bestandteile enthaumllt[47]

37 Fluoreszenz-Zelle

Fluoreszenz-Zellen sind Solarzellen die zunaumlchst in ei-ner Platte durch Fluoreszenz Licht groumlszligerer Wellenlaumlngeerzeugen um dieses an den Plattenkanten zu wandeln

38 Thermische Photovoltaik-Zellen(TPV)

Unter dem Namen Thermische Photovoltaik-Zellen(TPV) werden Zellen auf Basis von InP (fruumlher GaSb)verstanden die nicht Sonnenlicht verwerten sondernWaumlrmestrahlung also Licht wesentlich houmlherer Wel-lenlaumlnge Der Wirkungsgrad wurde dabei durch neuereArbeiten[48] bis auf 12 gesteigert (vorher maximal 9) Eine potentielle Anwendung solcher Zellen waumlre

die Verwertung von Waumlrme wie sie bei groszligtechnischenAnwendungen in groszligen Mengen entsteht und die bishermit zusaumltzlichem Aufwand entsorgt werden muss

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13

4 Geschichte

rarr Hauptartikel Geschichte der Photovoltaik

Die Nutzung der Sonne zur Gewinnung von elektrischerEnergie kann man grob in das Jahr 1839 datieren DerFranzose Alexandre Edmond Becquerel stellte fest dasseine Batterie wenn man sie dem Sonnenlicht aussetzteine houmlhere Leistung hat als ohne Sonnenlicht Er nutz-te den Potentialunterschied zwischen einer verdunkeltenund einer belichteten Seite einer chemischen Loumlsung indie er zwei Platinelektroden eintauchte Als er nun die-se Konstruktion in die Sonne stellte beobachtete er dassein Strom zwischen den zwei Elektroden entstand So ent-deckte er den photovoltaischen Effekt konnte ihn aller-dings noch nicht erklaumlren Spaumlter wies man nach dassauch andere Materialien wie Kupfer photoleitfaumlhig sind

Die Photoleitfaumlhigkeit wurde bei Selen 1873 nachgewie-sen Zehn Jahre spaumlter wurde die erste bdquoklassischeldquo Pho-tozelle aus Selen gefertigt Wiederum zehn Jahre spaumlter1893 wurde die erste Solarzelle zur Erzeugung von Elek-trizitaumlt gebaut

1904 entdeckte der oumlsterreichisch-ungarische PhysikerPhilipp Lenard dass Lichtstrahlen beim Auftreffen aufbestimmte Metalle Elektronen aus deren Oberflaumlche her-ausloumlsen und lieferte damit die ersten Erklaumlrungen fuumlrdenEffekt der Photovoltaik Ein Jahr spaumlter erhielt er den No-belpreis fuumlr Physik fuumlr die Erforschung des Durchgan-ges von Kathodenstrahlen durch Materie und fuumlr seineElektronentheorie Den endguumlltigen Durchbruch schaffte1905 Albert Einstein als er mit Hilfe der Quantentheo-rie die gleichzeitige Existenz des Lichtes sowohl als Welleals auch als Teilchen erklaumlren konnte Bis dahin glaubteman dass Licht nur als eine Energie mit unterschiedlicherWellenlaumlnge auftritt Doch Einstein stellte in seinen Ver-suchen die Photovoltaik zu erklaumlren fest dass sich Lichtin manchen Situationen genauso wie ein Teilchen verhaumlltund dass die Energie jedes Lichtteilchens oder Photonsnur von der Wellenlaumlnge des Lichts abhaumlngt Er beschriebdas Licht als eine Ansammlung von Geschossen die aufdas Metall treffen Wenn diese Geschosse genuumlgend En-

ergie besitzen wird ein freies Elektron das sich im Me-tall befindet und von einem Photon getroffen wird vomMetall geloumlst Auszligerdem entdeckte er dass die maxima-le kinetische Energie der losgeloumlsten Elektronen von derIntensitaumlt des Lichtes unabhaumlngig ist und nur durch dieEnergie des auftreffenden Photons bestimmt wird DieseEnergie haumlngt wiederum nur von der Wellenlaumlnge (oderder Frequenz) des Lichtes ab Fuumlr seine Arbeit zum pho-toelektrischen Effekt erhielt er 1921 den Nobelpreis fuumlrPhysik

Die Entdeckung des p-n-Uumlbergangs (Kristallgleichrich-ters) im Jahre 1947 durch William B Shockley Walther

H Brattain und John Bardeen war ein weiterer groszligerSchritt zur Solarzelle in ihrer heutigen Form Nach die-sen Entdeckungen stand dem Bau einer Solarzelle in ih-

rer heutigen Form nichts mehr entgegen Es ist jedocheinem gluumlcklichen Zufall zu verdanken dass diese ersteSolarzelle 1954 in den Laboratorien der amerikanischenFirma Bell gebaut wurde Die Mitarbeiter der Firma (un-ter Teamleiter Morton Price) beobachteten als sie einenGleichrichter der mit Hilfe von Silicium arbeitete un-

tersuchten dass dieser mehr Strom lieferte wenn er inder Sonne stand als wenn er zugedeckt war Bei Bell er-kannte man schnell den Nutzen dieser Entdeckung zurVersorgung des Telefonnetzes von laumlndlichen Regionenmit Strom was bis dahin noch mit Batterien geschah DieFirma Bell genauer Daryl Chapin Calvin Souther Fullerund Gerald Pearson entwickelte 1953 die erste mit Arsendotierte Solarzelle auf Siliciumbasis welche einen Wir-kungsgrad von etwa 4 besaszlig Durch den Wechsel desDotierungsmittels konnte der Wirkungsgrad auf etwa 6 erhoumlht werden

Modell von Vanguard 1

Die Raumfahrt erkannte sehr schnell den Nutzen derSolartechnik und ruumlstete 1958 zum ersten Mal einenSatelliten mit Solarzellen aus Vanguard 1 startete am17 Maumlrz 1958 und war erst der vierte Satellit uumlber-haupt Er besaszlig ein Solarpanel welches mit 108 Silicium-Solarzellen ausgestattet war Diese dienten nur als Lade-

station der Akkus und nicht zur direkten Stromversor-gung Dabei wurde errechnet dass die Zellen einen Wir-kungsgrad von 105 besaszligen Die Konstrukteure hatteneine geringere Energieausbeute und eine kuumlrzere Lebens-dauer angenommen so dass man diesen Satelliten nichtmit einem bdquoAusschalterldquo versehen hatte Erst nach achtJahren stellte der Satellit aufgrund von Strahlenschaumldenseinen Betrieb ein

Kurz darauf entstand die CdS-Cu2S-Solarzelle die bisAnfang der 1990er noch in Satelliten eingesetzt wurdenHeutige Satelliten sind zum Vergleich mit Vanguard I mitrund 40000 Solarzellen ausgestattet

Im Weltraum steht der natuumlrlichen Sonnenstrahlung imVergleich zur Erdoberflaumlche nichts entgegen keine Wol-kendecken und keine Strahlung absorbierende und mehr

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14 5 FORMEN UND GROumlszligEN

oder weniger verschmutzte Atmosphaumlre die das Sonnen-licht behindert Andererseits fuumlhren die extremen Strah-lungsverhaumlltnisse im Weltraum zu einer staumlrkeren Degra-dation der Solarzellen als es auf der Erde der Fall ist Seit-her versuchen Industrie und Forschung immer groumlszligereWirkungsgrade zu erreichen und zugleich die Degradati-

on und Strahlungsresistenz zu verbessern

Grafik Juno vor dem Jupiter

Uumlblicherweise werden Raumsonden im inneren Sonnen-system durch Solarzellen mit Strom versorgt Dadurchdass heutige fuumlr Raumfahrtzwecke verwendete Solarzel-len nicht nur 50 effizienter sondern auch strahlungs-resistenter als die noch vor 20 Jahren verwendeten Sili-

ciumzellen sind[49] kann im Jahr 2011 die RaumsondeJuno als erste mit Solarzellen ausgeruumlstete Raumsondezum in Strahlung getauchten Planeten Jupiter starten

Durch die Verwendung reineren Siliciums und bessererDotierungsmoumlglichkeiten wurde der Wirkungsgrad ge-steigert und die Lebensdauer erhoumlht Mandelkorn undLamneck verbesserten die Lebensdauer der Zellen 1972durch eine Reflexion der Minoritaumltsladungstraumlger in demsie ein sogenanntes back surfaces field (BSF) in die p-leitende Schicht einbrachten 1973 stellten Lindmayerund Ellison die sog violette Zelle vor die bereits ei-nen Wirkungsgrad von 14 besaszlig Durch das Reduzie-

ren des Reflexionsvermoumlgens wurde 1975 der Wirkungs-grad auf 16 gesteigert Diese Zellen heiszligen CNR-Solarzellen (englisch Comsat Non Reflection Comsat =Telefonsatellit ) und wurden fuumlr Satelliten entwickelt In-zwischen sind von Green sowie an der Stanford Univer-sitaumlt und bei Telefunken Solarzellen mit Wirkungsgradenum 20 entwickelt worden Der theoretische Wirkungs-grad fuumlr Silicium-Solarzellen liegt bei 29 fuumlr die Strah-lungsverhaumlltnisse in mittleren Breiten Zu den Wirkungs-graden siehe auch technische Merkmale

Maszliggeblicher Anstoszlig fuumlr diese Entwicklung war Anfangder Siebziger die Vervierfachung des Oumllpreises Nach

dieser Preissteigerung rief Richard Nixon 1974 ein For-schungsprogramm ins Leben welches sich mit regenera-tiven Energien auseinandersetzte Bis dahin kostete jedes

Watt 200 Dollar und war somit nicht konkurrenzfaumlhigUm die Akzeptanz und das Vertrauen bei der Bevoumllke-rung zu gewinnen wurden Anfang der 1980er Rennenmit Solarmobilen ausgetragen und im Juli 1981 uumlber-querte ein mit Solarkraft angetriebenes Flugzeug den Aumlr-melkanal

Duumlnnschichtmodule aus amorphenSilicium ermoumlglichtendie autonome Versorgung von Taschenrechnern Uhrenund anderen Kleinverbrauchern

Module mit kristallinen Zellen wurden zunaumlchst fuumlr Insel-Systeme mit 12 V Systemspannung auf der Basis einerBleibatterie genutzt Ab 1990 begann in Deutschland mitdem 1000-Daumlcher-Programm der groszligflaumlchige Einsatz innetzgekopplten Systemen

Bis gegen Ende der 1990er Jahre waren Zellen mit et-wa 100 mm Kantenlaumlnge (im Fachjargon auch Vier-Zoll-Zellen genannt) und 36 Zellen pro Modul fuumlr 12-V-

Systeme die uumlblichste Baugroumlszlige Danach wurden 125-mm-Zellen (5rdquo) verstaumlrkt fuumlr Module mit 72 Zellen fuumlr 24V Systemspannung genutzt und seit etwa 2002 sind 156-mm-Zellen (Kantenlaumlnge 156 mm bzw 6 Zoll) fuumlr Stan-dardmodule mit typisch 60 Zellen die gaumlngige Groumlszlige[50]

Versuche zur Einfuumlhrung von 8-Zellen wurden abge-brochen da die mechanische Stabilitaumlt eine Erhoumlhungder Waferdicke und damit des Materialeinsatzes erfor-dert haumltte

Ab 2007 konnten Duumlnnschichtmodule mit Zellen aus Cd-Te der Firma FirstSolar einen Preisrutsch fuumlr Solarmo-dule ausloumlsen Werke fuumlr Module mit CIS- und CIGS-

Zellen wurden aufgebaut Aber seit 2012 haben Moduleaus kristallinem Silicium gefertigt in China mit ihremKostenvorteil zusammen mit der inzwischen gesichertenVersorgung mit ausreichend Rohsilicium den Markt er-obert

5 Formen und Groumlszligen

Zu Beginn der Kommerzialisierung der Solartechnikwurden haumlufig runde Zellen eingesetzt deren Ursprung

von den meist runden Siliciumstaumlben der Computerin-dustrie herruumlhrt Inzwischen ist diese Zellenform relativselten und es werden quadratische Zellen oder fast qua-dratische mit mehr oder weniger abgeschraumlgten Eckeneingesetzt Als Standardformate werden derzeit Wafermit einer Kantenlaumlnge von 125 und 156 mm prozessiertkuumlnftig sollen aber auch Zellen mit einer Kantenlaumlnge von210 mm Bedeutung erlangen

Durch Saumlgen der fertig prozessierten Zellen entstehen fuumlrspezielle Anwendungen im Kleingeraumltebereich auch Zel-len mit kleineren Kantenlaumlngen Sie liefern annaumlhernd diegleiche Spannung wie die groszligen Zellen jedoch entspre-

chend der kleineren Flaumlche einen kleineren StromIm EFG-Verfahren werden auch Zellen hergestellt beidenen die Seiten des entstehenden Rechtecks nicht die

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61 Thermodynamisches Limit I 15

gleichen Laumlngen haben

6 Wirkungsgrad

Vergleich der praktisch erzielbaren Wirkungsgrade verschie-

dener Solarzellen und deren zeitliche Entwicklung Die vio-letten Kurven im oberen Bereich stellen sogenannte Tandem-Solarzellen eine Kombination verschiedener pn-Uumlbergaumlnge dar

Der Wirkungsgrad η einer Solarzelle ist das Verhaumlltnisder von ihr erzeugten elektrischen Leistung P elektrisch undder Leistung der einfallenden Strahlung P Licht

η = P elektrisch

P Licht

Der maximale Wirkungsgrad η einer Solarzelle ist vom

Bandabstand und der Anzahl der auf verschiedene Spek-tralbereiche optimierten pn-Uumlbergaumlnge abhaumlngig Bei ei-nem pn-Uumlbergang ist bei optimalem Bandabstand unddarauf in der Wellenlaumlnge abgestimmtem Licht theo-retisch ein Wirkungsgrad von bis zu 41 erzielbarIn praktischen Anwendungen liegen tatsaumlchlich erziel-bare Wirkungsgrade um und unter 25 Bei Tandem-Solarzellen welche durch mehrere unterschiedliche pn-Uumlbergaumlnge groumlszligere Spektralbereiche abdecken koumlnnenkoumlnnen die Gesamtwirkungsgrade aller pn-Uumlbergaumlnge inSumme auch uumlber der theoretischen Grenze von 41 liegen

Der Rekord fuumlr im Labor hergestellte Silicium-Solarzellen liegt bei 247 Prozent (University of NewSouth Wales Australien) mit denen Module mit uumlber22 Prozent Wirkungsgrad hergestellt wurden DieDegradation des Wirkungsgrades (Alterungsverhalten)liegt bei ca 10 Prozent in 25 Jahren Hersteller gebenbeispielsweise Garantien auf mindestens 80 Prozent derPeak-Leistung nach 20 Jahren

Im Weltraum ist einerseits die Solarkonstante groumlszliger alsdie Globalstrahlung auf der Erde andererseits altern dieSolarzellen schneller Solarpanele fuumlr Satelliten erreichenzur Zeit (2005) einen Wirkungsgrad von fast 25 [51] bei

einer Betriebszeit von 15 JahrenEin hoher Wirkungsgrad ist erstrebenswert weil er beigleichen Lichtverhaumlltnissen und gleicher Flaumlche zu einer

groumlszligeren Ausbeute an elektrischem Strom fuumlhrt Fuumlr jedeMaschine die auf der Erde aus Sonnenlicht oder auf an-dere Weise mechanische oder elektrische Arbeit erzeugt(z B Aufwindkraftwerke Stirlingmotoren etc) gilt einthermodynamisches Limit

61 Thermodynamisches Limit I

Die groumlbste Abschaumltzung des Wirkungsgrades erhaumllt mandurch den Carnot-Wirkungsgrad Er beschreibt den ma-ximalen Wirkungsgrad den eine beliebige physikalischeMaschine erreichen kann wenn sie ihre Energie aus derTemperaturdifferenz von zwei Waumlrmebaumldern beziehtDer Carnot-Wirkungsgrad ergibt sich aus der Tempera-tur T warm des waumlrmeren Bades und der Temperatur T kalt

des kaumllteren Bades gemaumlszlig

η = 1 minusT kalt

T warm

Im Falle der Solarzelle ist das waumlrmere Energiebaddie Sonnenoberflaumlche mit einer Temperatur von etwa5800 K und das kaumlltere Bad die Solarzelle mit einerTemperatur von 300 K Daraus ergibt sich ein Carnot-Wirkungsgrad von 95 Im Weltraum genutzte Solarzel-len haben infolge der houmlheren Temperaturdifferenz ent-sprechend houmlhere Wirkungsgrade

62 Thermodynamisches Limit II

Die Abschaumltzung im obigen Abschnitt vernachlaumlssigtdass die Energie von der Sonne zur Solarzelle durchStrahlung uumlbertragen wird In einem ausfuumlhrlicheren Mo-dell setzt man vor die Solarzelle einen Absorber Dieserabsorbiert die Strahlung der Sonne und strahlt selber ei-nen kleinen Teil der Waumlrmestrahlung wieder an die Sonneab Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz flieszligt somit ins-gesamt die Waumlrmeleistung

σT 4Sonne minus σT 4Absorber

von der Sonne zum Absorber wobei σ die Stefan-Boltzmann-Konstante ist Nach dem Carnot-Wirkungsgrad kann der Absorber von dieser Waumlrme nurden Anteil

1 minusT Solarzelle

T Absorber

in elektrische Arbeit uumlberfuumlhren Der Wirkungsgrad be-stimmt sich nun aus diesem Anteil und der gesamten vonder Sonne abgestrahlten Leistung σT 4Sonne zu

η =

9830801 minus

T 4Absorber

T 4Sonne

983081 middot

9830801 minus

T Solarzelle

T Absorber

983081

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16 7 TECHNISCHE MERKMALE

Bei einer Temperatur von 5800 K fuumlr die Sonnenober-flaumlche und 300 K Umgebungstemperatur wird der Wir-kungsgrad bei einer Absorbertemperatur von etwa 2500K maximal und betraumlgt 85 [57]

63 Shockley-Queisser-Grenze

0 1 2 30

10

20

30

m a

x

W i r k u n g s g r a d i n

Bandabstand in eV

Maximaler Wirkungsgrad als Funktion des Bandabstandes wiees die Shockley-Queisser-Grenze beschreibt

rarr Hauptartikel Shockley-Queisser-Grenze

Die Shockley-Queisser-Grenze betrachtet den fuumlr Solar-zellen typischen Anregungsprozess von Elektronen in ei-nem Halbleiter In einer Solarzelle wird dadurch Licht in

elektrische Energie umgewandelt dass das Licht Elek-tronen aus dem Valenzband in das Leitungsband anregtNur ein schmaler Ausschnitt des angebotenen Energie-spektrums wird genutzt Der theoretische Grenzwert en-ergieselektiver Zellen ist deshalb kleiner als das thermo-dynamische Limit eines Gesamtsystems

Entscheidend fuumlr die Energie die man pro angeregtemElektron gewinnen kann ist dabei die Groumlszlige der Bandluuml-cke E g des Halbleiters Unabhaumlngig davon wie weit dasElektron uumlber die untere Kante des Leitungsbandes an-geregt wird erhaumllt man pro Elektron maximal die Ener-gie der Bandluumlcke als elektrische Energie Bei der elektri-

schen Leistung die man aus allen angeregten Elektronengewinnt muss man beruumlcksichtigen dass bei einer klei-nen Bandluumlcke mehr Elektronen erzeugt werden Bei ei-ner groszligen Bandluumlcke hat jedes einzelne Elektron dafuumlrmehr Energie Es muss daher ein Kompromiss aus fol-genden Grenzfaumlllen gefunden werden

bull Groszlige Bandluumlcke Nur energiereiches Licht (blauesund ultraviolettes Licht) kann Elektronen erzeugenda laumlngere Wellenlaumlngen nicht absorbiert werdenWegen der groszligen Bandluumlcke besitzt jedes Elektroneine hohe Energie

bull Kleine Bandluumlcke Auch langwelliges Licht kannElektronen anregen so dass insgesamt viele Elektro-

nen ins Leitungsband angeregt werden Diese ver-lieren jedoch durch Stoszligprozesse mit dem Kristall-gitter in wenigen hundert Femtosekunden einen Teilihrer Energie bis sie nur noch die Energie der Band-luumlcke besitzen

Die Shockley-Queisser-Grenze gilt fuumlr den Fall einer Zel-le mit nur einem pn-Uumlbergang Mit sogenanntenTandem-Solarzellen (englisch multi-junction solar cell ) in de-nen mehrere pn-Uumlbergaumlnge mit verschiedenen Band-luumlcken kombiniert sind koumlnnen prinzipiell auch houml-here Wirkungsgrade erreicht werden siehe AbschnittMehrfachsolarzellen

7 Technische Merkmale

Die Kenngroumlszligen einer Solarzelle werden fuumlr normierteBedingungen die Standard-Testbedingungen haumlufig ab-gekuumlrzt STC (englisch Standard Test Conditions ) angege-ben

bull Einstrahlungsstaumlrke von1000 Wmsup2in Modulebene

bull Temperatur der Solarzelle 25 degC konstant

bull Strahlungsspektrum AM 15 global DIN EN 61215IEC 1215 DIN EN 60904 IEC 904

Dabei steht AM 15 global fuumlr den Begriff Air Mass die

15 dafuumlr dass die Sonnenstrahlen das 15-fache der At-mosphaumlrenhoumlhe durchlaufen weil sie schraumlg auftreffenDas entspricht sehr gut den sommerlichen Gegebenhei-ten in Mitteleuropa von Norditalien bis MittelschwedenIm Winter steht die Sonne in unseren Breiten erheblichtiefer und ein Wert von AM 4 bis AM 6 ist hier realisti-scher

Durch die Absorption in der Atmosphaumlre verschiebt sichauch das Spektrum des auf das Modul treffenden Lich-tes bdquoGloballdquo steht fuumlr Globalstrahlung die sich aus demDiffus- und dem Direktstrahlungsanteil der Sonne zusam-mensetzt

Dabei ist zu beachten dass in der Realitaumlt insbesonderedie Zellentemperatur bei einer solchen Einstrahlung diein Deutschland im Sommer zur Mittagszeit erreicht wirdbei normalem Betrieb wesentlich houmlher liegt (je nach An-bringung Windanstroumlmung etc kann sie zwischen etwa30 und 60 degC liegen) Eine erhoumlhte Zellentemperatur be-deutet aber gleichzeitig einen herabgesetzten Wirkungs-grad der Solarzelle Aus diesem Grund wurde auch eineweitere Bezugsgroumlszlige geschaffen PNOCT die Leistungbei normaler Betriebstemperatur (normal operating celltemperature)

Gebraumluchliche Abkuumlrzungen fuumlr die Bezeichnungen sind

bull SC Short Circuit ndash Kurzschluss

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71 Schaltbilder 17

Stromstaumlrke I Leistung P

e r z e u g

t e L e i s

t u n g

Spannung U

o h

n e

B e l e

u c h t u

n g

m i t

B e l e

u c h t u

n g

Kurzschluszligstrom

Leerlaufspannung

Punkt maximaler

Leistung

oc

I

I

mp UU

mp

sc

Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzelle beleuchtet und un-beleuchtet

bull OC Open Circuit ndash Leerlauf

bull MPP Maximum Power Point ndash Betriebspunkt ma-ximaler Leistung

bull PR Performance Ratio Qualitaumltsfaktor der an-gibt welcher Teil des vom Solargenerator erzeug-ten Stromertrages (unter Nennbedingungen) real zurVerfuumlgung steht

Die Kennwerte einer Solarzelle sind

bull Leerlaufspannung U OC (auch V OC )

bull Kurzschlussstrom I SC

bull Spannung im bestmoumlglichen Betriebspunkt U MPP

(auch V MPP )

bull Strom im Betriebspunkt mit maximaler LeistungI MPP

bull Maximale erzielbare Leistung P MPP Solarzellenher-steller geben diese unter standardisierten Bedin-gungen maximal erzielbare Leistung in der Einheit

kWp sprich bdquoKilowatt-Peakldquo an

bull Fuumlllfaktor F F = PMPPU OCmiddotI SC

bull Koeffizient fuumlr die Leistungsaumlnderung mit der Zell-temperatur

bull Zellwirkungsgrad η = P MPPAmiddotE e

mit der bestrahlten Flauml-che A und der Bestrahlungsstaumlrke E e

Solarzellen koumlnnen also eine Leistung von sehr grob 160Wmsup2 abgeben Eingebaut in ein Modul ist die Leistung

pro Flaumlche geringer da zwischen den Zellen und zumModulrand Abstaumlnde vorhanden sind Im Weltraum wirdeine Leistung von 220 Watt pro Quadratmeter erzielt[58]

Schaltsymbol einer Fotodiode

Schaltzeichen und einfaches Ersatzschaltbild einer Solarzelle

71 Schaltbilder

Das Schaltsymbol einer Solarzelle gibt wie das Schalt-symbol einer Diode oder Photodiode mit einem Pfeil

die technische Stromrichtung zur Verschaltung an DerKennlinienverlauf einer realen Solarzelle weicht aller-dings von der einer idealen Fotodiode ab Um die-se Abweichungen zu modellieren existieren mehrereErsatzschaltbilder

711 Vereinfachtes Ersatzschaltbild

Das Schaltbild besteht zunaumlchst nur aus einerStromquelle die parallel zu einer idealen Diode ge-schaltet wird Diese produziert einen Strom der vonder Bestrahlungsstaumlrke abhaumlngt und den Photostrom I ph

modelliert Die Gesamtstromstaumlrke ergibt sich damit mitdem Diodenstrom I D (siehe Diode) zu

I = I ph minus I D = I ph minus I S

983131e

U DnmiddotU T minus 1

983133

712 Erweitertes Ersatzschaltbild (Ein- undZweidiodenmodell)

Das erweiterte Ersatzschaltbild nimmt Ruumlcksicht auf rea-le Faktoren des Bauelementes die durch die Fertigung

entstehen Mit diesen Modellen soll ein moumlglichst rea-listisches Modell der tatsaumlchlichen Solarzelle geschaffenwerden Beim Eindiodenmodell wird so das vereinfach-

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18 9 UMWELTSCHUTZ

Eindiodenmodell einer Solarzelle

te Ersatzschaltbild zunaumlchst nur durch einen parallel undeinen in Reihe geschalteten Widerstand ergaumlnzt

bull Der Parallelwiderstand Rp symbolisiertKristallfehler nichtideale Dotierungsverteilungenund andere Materialdefekte durch dieVerluststroumlme entstehen die den p-n-Uumlberganguumlberbruumlcken Bei Solarzellen aus guter Herstellungist dieser Widerstand relativ groszlig

bull Mit dem Serienwiderstand Rs werden alle Effektezusammengefasst durch die ein houmlherer Gesamtwi-derstand des Bauelementes entsteht Das sind haupt-saumlchlich der Widerstand des Halbleitermaterials derWiderstand an den Kontakten und der ZuleitungenDiese Groumlszlige sollte bei gefertigten Solarzellen moumlg-lichst gering sein

Die Formel fuumlr den Gesamtstrom ist fuumlr dieses Modellbereits eine rekursive Funktion und lautet

I = I phminusI dminusU p

Rp= I phminusI S

983131eU +RsmiddotInmiddotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

Beim Uumlbergang zum Zweidiodenmodell fuumlgt man ei-

Zweidiodenmodell mit spannungsgesteuerter Stromquelle fuumlr denLawinendurchbruch in Sperr-Richtung

ne weitere Diode mit einem anderen Idealitaumltsfaktor nein Normalerweise werden diese uumlber die Werte 1 und2 angesetzt Weiterhin lassen sich alle diese Modellebei Betrieb in Sperr-Richtung durch eine spannungsge-steuerte Stromquelle ergaumlnzen um den Lawinendurch-bruch zu modellieren Die Formeln fuumlr die Stroumlme beim

Zweidiodenmodell lauten dann bei Anpassungsleitwert g Durchbruchspannung U und Lawinendurchbruchex-ponent n

I = I phminusI bminusI S1

983131eU +RsmiddotIn1middotU T minus 1

983133minusI S2

983131eU +RsmiddotIn2middotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

I b = gb middot

(U + Rs middot I )

Rpmiddot983080

1 minus

U + Rs middot I

U b983081minusnb

8 Energetische Amortisation undErntefaktoren

Siehe auch Erntefaktor

Die energetische Amortisationszeit ist der Zeitpunkt zudem die fuumlr die Herstellung einer Photovoltaikanlage auf-gewandte Primaumlrenergie durch selbige wieder erzeugt

wurde Da die bei der Produktion genutzte elektrischeEnergie zu den Sekundaumlrenergien zaumlhlt wird diese mitdem Wirkungsgrad eines fossilen Kraftwerkes in Pri-maumlrenergie umgerechnet Dementsprechend erfolgt dieseUmrechnung auch bei der erzeugten elektrischen Energieder Solarzelle Analog kann man sich vorstellen dass diePhotovoltaikanlage den Strom aus einem konventionellenKraftwerk ersetzt[59]

Die energetische Amortisationszeit von Photovoltaikan-lagen betraumlgt derzeit (Stand 2013) nach einer Studie vonPeng et al global betrachtet zwischen 075 und 35 Jah-ren je nach Standort und verwendeter Photovoltaiktech-

nologie Der Mittelwert schwankt im Bereich von ca15 bis 25 Jahren Dies bedeutet in diesem Zeitraumhat die Photovoltaikanlage wieder die Energie hereinge-spielt die insgesamt waumlhrend ihres gesamten Lebenszy-klus verbraucht wurde Beruumlcksichtigt sind also die Her-stellung der Anlagen ihr Transport die Errichtung Be-trieb und der Ruumlckbau bzw Recycling Die rechnerischenCO2-Emissionen von Photovoltaikanlagen je nach Tech-nik und Standort zwischen 105 und 50 g CO2kWh mitDurchschnitten im Bereich 35 bis 45 g CO2kWh AlsLebensdauer wurde in der Studie 30 Jahre fuumlr Moduleauf Basis kristalliner Siliciumzellen und 20-25 Jahren fuumlr

Duumlnnschichtmodule angenommen fuumlr Lebensdauer derWechselrichter wurden 15 Jahre angenommen[60] Photo-voltaikanlagen liefern demnach waumlhrend ihrer Betriebs-zeit ein Vielfaches der Energie die zu ihrer Herstellungurspruumlnglich aufgewandt wurde

9 Umweltschutz

Die Herstellung photovoltaischer Solarzellen ist ein che-mischer Prozess bei dem gasfoumlrmige fluumlssige und fes-te Chemikalien zum Einsatz kommen die gesundheits-

und umweltschaumldlich sind Aus diesem Grund ist ein ho-her Standard der Prozesssicherheit zentral Unter Ar-beitsschutzaspekten ist eine sichere Ablufterfassung und

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Reinigung zu gewaumlhrleisten Bei dem Einsatz von Nass-waumlschern wird die Abluft durch ein fluumlssiges Absorpti-onsmedium geleitet Wenn dieses aufgebraucht ist ent-steht eine weitere Abwasserquelle neben den Aumltzloumlsun-gen aus der Produktion Diese muumlssen innerbetrieblichwiederaufbereitet oder spezialisierten Entsorgern uumlber-

geben werden Bei der Herstellung von Duumlnnschicht-halbleitern kommt es an den Waumlnden und Aufbautender Prozesskammer zu siliciumhaltigen AblagerungenDie Ruumlckstaumlnde muumlssen regelmaumlszligig entfernt werden dasie den Prozess stoumlren und zu Qualitaumltseinbuszligen fuumlh-ren Zum Entfernen der Ruumlckstaumlnde verwendet manSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid als Reini-gungsgase Beide Gase sind zwar ungiftig gleichwohlaber sehr starke Treibhausgase[61] In der Zellproduk-tion muumlssen die Reinigungsgase mit hoher Volumen-flussrate eingesetzt werden da sie chemisch sehr sta-bil sind und im Plasma zu weniger als 10 in rei-

nigungsaktive Radikale zerfallen Ein Groszligteil des Ga-ses bleibt somit ungenutzt und muss kostenintensiv ent-sorgt werden Zum Teil entweicht es ndash gewollt oder un-gewollt ndash direkt in die Umwelt Hieraus erklaumlrt sichu a auch der kuumlrzlich gemessene starke Anstieg derStickstofftrifluoridkonzentration in der Hochatmosphauml-re besonders uumlber Ost- und Suumldostasien An Stelle vonSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid kann auchdas sehr reaktive Halogen Fluor als Reinigungsgas ver-wendet werden Fluor ist sehr giftig es ist jedoch keinTreibhausgas Auszligerdem laumlsst es sich sehr leicht undruumlckstandsfrei aus Abgasstroumlmen entfernen

Einige Solarzelltypen verwenden anstelle von SiliciumStoffe wie z B toxisches oder karzinogenes CadmiumArsen bzw deren Verbindungen sowie Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid Ein typisches Cadmiumtellurid-Solarmodul enthaumllt zum Beispiel ca 22 g des gefaumlhrli-chen Schwermetalls Cadmium und 25 g Tellur pro msup2Zellflaumlche[62] Bei der Produktion werden beide Sub-stanzen durch Co-Verdampfung auf das Traumlgermaterialaufgebracht Die Co-Verdampfung ist ein ungerichteterProzess bei dem die gesamte Innenoberflaumlche derBeschichtungskammer mit Duumlnnschichten aus TellurCadmiumtellurid Cadmiumsulfid und Antimontelluriduumlberzogen werden Der Materialverbrauch erhoumlht sich

dadurch um mindestens weitere 40

Bei der regelmaumlszligigen Reinigung der Produktionskam-mer mit waumlssriger Saumlure ndash die Reinigung erfolgt ma-nuell ndash werden die Ruumlckstaumlnde in eine waumlssrige Louml-sung uumlberfuumlhrt Neben der eigentlichen Zellprodukti-on stellt also auch die Reinigung der Produktions-anlagen eine Herausforderung an Umweltschutz undArbeitsschutz dar[63][64][65][66][67] Eine neuere Unter-suchung versucht die geringere Gefaumlhrdung die vonCadmiumtellurid-Zellen im Vergleich zur Kohleverbren-nung ausgeht nachzuweisen[36] Produktionsruumlckstaumln-de und Emissionen koumlnnen zu Langzeitschaumlden und

Altlasten fuumlhren Gleiches gilt bei unsachgemaumlszliger Ent-sorgung fuumlr die Altzellen Die Photovoltaik unterschei-

det sich in diesem Aspekt von anderen Technologien zurNutzung regenerativer Energien

10 Sicherheitsbetrachtung

Fuumlr Schutzmaszlignahmen im Brandfall und Blitzeinschlagsiehe Photovoltaikanlage

11 Siehe auch

bull Halbleiterdetektor

bull Sonnensimulator (Photovoltaik)

12 Literatur

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bull Volker Quaschning Regenerative Energiesysteme 8Auflage Hanser Muumlnchen 2013 ISBN 978-3-446-

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bull Viktor Wesselak Thomas Schabbach ThomasLink Joachim Fischer Regenerative Energietech-nik 2 erweiterte und vollstaumlndig neu bearbeite-te Auflage Springer Vieweg Berlin Heidelberg2013 ISBN 978-3-642-24165-9

bull Peter Wuumlrfel Physik der Solarzellen SpektrumAkademischer Verlag Heidelberg 2000 ISBN 3-8274-0598-X (= Spektrum Hochschultaschenbuch)

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20 14 EINZELNACHWEISE

13 Weblinks

Commons Solarzelle ndash Album mit Bildern Videosund Audiodateien

Wikibooks Herstellung von Solarzellen ndash Lern-

und Lehrmaterialien

bull Die Solarmaus ndash Entstehung der Solarzelle mit Ar-min Maiwald (YouTube-Video)

bull PV-Education ndash detaillierte Online-Vorlesung mitGrundlagen und Anwendungen zur PV (englisch)

bull Photovoltaik ndash Innovationen (BINE Informations-dienst)

14 Einzelnachweise

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bull Solarzelle Quelle httpdewikipediaorgwikiSolarzelleoldid=138856800 Autoren Fgb RobertLechner Schewek Igelball Aka StefanKuumlhn Lukian Onno Ilja Lorek Head El GNosis Atman Sun Tsor Matthaumlus Wander Seewolf HenrikHolke Honina Pstaudt-fischbachSchusch GDK Migas Paddy Zwobot Kai11 D HaeB ArtMechanic Hadhuey Robbot Pm Anton HaSee Rdb Boehm ZumboDirk33 AndreasB Pietz Soundray Sinn Peter200 Schmiddtchen Fuenfundachtzig Breeze Magadan Fetz Braun Jdiemer StYxXxSebastianWilken Martin-vogel Mnh Ot Aloiswuest MAK Scorpion2211 Gerhardvalentin Jaques AshSert Philipendula STephanKambor Koerpertraining Nicolas PeeCee Duesentrieb AHZ Hendric Stattmann Kristjan Ri st Hafex Norro Cepheiden Christoph-Demmer Fubar Ckeen DasBee Silberchen iexcl0-8-15 1-1111 VanGore Mjk Groer Umaluagr Mkuemmerer Wendelin Cyper QdrDundak Liberatus Juesch Kdkeller Greuer Drap Garak76 MartinThoma Udo T Zaungast Stephantom Pelz ML Thorbjoern Hein-te Diba Blech Zahnstein Renekaemmerer He3nry SchorSch Ion Tauwasser Bobbl Rosa Lux Gerbil Ulfbastel Hubertl MrVVooUebel H2h Liberal Freemason Quirin Leonce49 Blaubahn Flominator RedBot Anhi Dein Freund der Baum Wkw1959 So66 Cle-mensfranz OKoslowski Itti Yahp Miaow Miaow Zaphiro Eneldo Onliner Wahldresdner Darok MovGP0 Muck Uwezi Loh SyrcroZweistein12 Olei Dantor Krischan111 Nize Uwe W Georg Slickers Amtiss Roterraecher RajHid STBR Jackalope Ephraim33JFKCom Andimx Suirenn Hydro Pajz Dktz RobotQuistnix Alanmak Euku Xocolatl Hermannthomas Eynre Savin 2005 AbrevFireball TheTruth Bahnemann Segelmaus Harf Jakob5 Zemy Nyneela Schmitty TobiWanKenobi DerHexer WAH Sesc RolandBerger Schlesinger Staro1 Mo4jolo GeorgHH MutluMan Nightflyer Matzematik PeterFrankfurt Tomreplay PortalBot Ing Schrouml-der Walter LKD Juuml Manecke Quelokee Mons Maenalus JoBa2282 Stepa Giessauf A Cellulesolaire Lemberger HillerD RadlfahrerHelfmann Logograph Mion KaiMeier Sepp Roest FabiBerg Flo422 Degreen Rai42 Rfc GruumlneErde Btr FelixP Wdwd PendulinAdipictures HAH Toumlnjes Kaumlpten Balu Andreas 06 Batosai Rex Akribix D-Kuru UnknownID01 Cramunhao BesondereUmstaende

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Avene DerGraueWolf Martin1978 Wassertraeger Pleonasty HRoestTypo EmausBot Halbarath Muumldigkeit ReinerSpass Mswisi Un-sterblicher TtIiMmOOO ZeacuteroBot Ottomanisch Dsfranzi Didym Striga Cologinux 30wiki04 Karle07 Ne discere cessa Rabax63Waithamai EnergieLabor Cassirer Randolph33 Mukitil Nummer4 Googolplex Flanschko Georgepauljohnringo Woltmers KrdbotHephaion Andol MerlIwBot Mikered KLBot2 Oguenther Thesurvived99 Herzoeglich Rudschuck Tomaacutes66 Gregou Boshomi Stei-ni77 Isjc99 Derschueler Hans Haase Schwunkel Smallandsimple Ciwd2 Nurax666 Krantnejie Rmcharb Kuschi51 Cimballi Redak-tionPflanze Datenundfakten Ragna314 Fico123456789 Buchbibliothek Blafnu Ferina53Solarous Kritzolina WhistlingBird Budu123Manni Lang HeicoH und Anonyme 686

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bull Fraunhofer ISE Report current edition Originalkuumlnstler Eigenes Werk

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24 15 TEXT- UND BILDQUELLEN AUTOREN UND LIZENZEN

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Page 11: Solar Zelle

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34 Elektrochemische Farbstoff-Solarzelle 11

Schematischer Aufbau einer Konzentratorzelle

32 Konzentratorzellen

Bei Konzentratorzellen (auch Konzentrator-Photovoltaik engl Concentrated PV CPV) wird Halbleiterflaumlche ein-gespart indem das einfallende Sonnenlicht zunaumlchst

auf einen kleineren Bereich konzentriert wird Das er-reicht man durch Konzentratoren wie z B Linsen zu-meist Fresnel-Linsen oder auch Lichtleitkoumlrper die dieTotalreflexion nutzen[39][40] Diese sind im Vergleich zuHalbleitern bezogen auf die Flaumlche preiswerter Es kannsomit zu geringeren Kosten die Sonneneinstrahlung ei-ner groumlszligeren Flaumlche ausgenutzt werden Haumlufig verwen-dete Materialien fuumlr Konzentratorsolarzellen sind III-V-Halbleiter Zumeist werden Mehrfachsolarzellen (siehenaumlchster Abschnitt) verwendet die fuumlr vollflaumlchige So-larzellen unwirtschaftlich waumlren Sie arbeiten noch zu-verlaumlssig bei mehr als dem 500-fachen der Sonneninten-

sitaumlt Konzentratorsolarzellen muumlssen dem Sonnenstandnachgefuumlhrt werden damit ihre Optik die Sonnenstrah-lung auf die Zellen buumlndeln kann Zusaumltzlicher Effekt derLichtkonzentration ist auszligerdem eine Erhoumlhung des Wir-kungsgrades da die Leerlaufspannung ansteigt Die US-Energiebehoumlrde hat mit dieser Technik Wirkungsgradevon uumlber 40 erreicht[41][42]

33 Mehrfachsolarzellen

rarr Hauptartikel Tandem-Solarzelle

Mehrfachsolarzellen bestehen aus zwei oder mehr So-larzellen mit verschiedenem Material die monolithisch

uumlbereinander geschichtet sind Zweck dieser Anord-nung ist es den Wirkungsgrad der gesamten Anordnungzu erhoumlhen Die Wirkungsgrade bei Labormustern vonTandem-Konzentratorsolarzellen erreichten 2008 und2009 uumlber 40 So wurde am Fraunhofer Institut fuumlrSolare Energiesysteme ISE mit einer Mehrfachsolarzel-

le und 454-facher Konzentration ein Wirkungsgrad von411 erzielt[43]

34 Elektrochemische Farbstoff-Solarzelle

rarr Hauptartikel Graumltzel-Zelle

Bei Farbstoffsolarzellen auch bekannt als Graumltzel-Zellenwird der Strom anders als bei den bisher aufgefuumlhrtenZellen uumlber die Lichtabsorption eines Farbstoffes gewon-nen als Halbleiter kommt Titandioxid zum Einsatz Als

Farbstoffe werden hauptsaumlchlich Komplexe des seltenenMetalls Ruthenium verwendet zu Demonstrationszwe-cken koumlnnen aber selbst organische Farbstoffe zum Bei-spiel der Blattfarbstoff Chlorophyll oder Anthocyane (ausBrombeeren) als Lichtakzeptor verwendet werden (die-se besitzen jedoch nur eine geringe Lebensdauer) DieFunktionsweise der Zelle ist noch nicht im Detail geklaumlrtdie kommerzielle Anwendung gilt als recht sicher ist aberproduktionstechnisch noch nicht in Sicht

Konventionelle n-Typ-Farbstoffsolarzellen arbeiten miteiner Photoanode einer positiven Elektrode die mit ei-nem n-Halbleiter zB Titandioxid und einem Farbstoff

beschichtet ist Trifft Licht darauf werden die Farbstoff-molekuumlle angeregt und setzen Elektronen frei Ein Re-doxmediator der als Bestandteil des Elektrolyten zwi-schen den Elektroden frei beweglich ist regeneriert denFarbstoff Beim p-Typ (p-DSC p-dye-sensitized solarcell) laumluft der Prozess genau entgegengesetzt Ein spezi-eller Farbstoff und ein p-Halbleiter befinden sich auf ei-ner Photokathode Der durch Licht angeregte Farbstoffsaugt Elektronen aus dem Valenzband des p-HalbleiterszB Nickeloxid heraus Das uumlblicherweise eingesetz-te System aus Iodid und Tri-Iodid ersetzten Wissen-schaftler der Monash University der Commonwealth Sci-

entific and Industrial Research Organization (Australi-en) und der Universitaumlt Ulm durch den Kobalt-KomplexTris(12-diaminoethan)cobalt(IIIII) bei dem das Ko-balt zwischen den Oxidationsstufen +2 und +3 wech-seln kann Zellen auf dieser Basis erreichen dabei einehoumlhere Energieumwandlungseffizienz Ein weiterer An-satz um die Leistung von photovoltaischen Zellen zusteigern ist die Kombination einer n- und einer p-Typ-Farbstoffsolarzelle zu einer Tandem-Solarzelle[44]

35 Organische Solarzellen

rarr Hauptartikel Organische SolarzelleEine organische Solarzelle ist eine Solarzelle die aus

Werkstoffen der organischen Chemie besteht d h aus

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12 3 ANDERE SOLARZELLENTYPEN

Ein kommerziell erhaumlltliches flexibles Modul einer polymeren or- ganischen Solarzelle

Kohlenwasserstoff-Verbindungen (Kunststoffen) Diese

Verbindungen haben elektrisch halbleitende Eigenschaf-ten Der Wirkungsgrad mit dem Sonnenenergie inelektrische Energie umgewandelt wird liegt mit 120 (Stand Januar 2013)[45] noch unterhalb von dem von So-larzellen aus anorganischem Halbleitermaterial Organi-sche Solarzellen bzw Plastiksolarzellen wie sie auch ge-nannt werden sind aufgrund der Moumlglichkeiten hinsicht-lich guumlnstiger und vielseitiger Herstellungsverfahren einaktuelles Forschungsthema Die von den Herstellern die-ser Zellen auf Kunststoffbasis genannten Vorteile gegen-uumlber herkoumlmmlichen Siliciumsolarzellen sind

bull

Geringe Herstellungskosten aufgrund billiger Pro-duktionstechnologien

bull Hohe Stromausbeuten durch Duumlnnschicht-Groszligflaumlchentechnologien fuumlr Kunststoffe

bull Flexibilitaumlt Transparenz und einfache Handhabung(mechanische Eigenschaften von Kunststoffen)

bull Hohe Umweltvertraumlglichkeit (Kunststoffe auf Koh-lenstoffbasis)

bull Anpassung an das Sonnenspektrum durch gezieltePolymersynthese

bull bdquoBunteldquo Solarzellen fuumlr architektonische Stilele-mente

Im Vergleich zu den ersten organischen Solarzellen wur-den inzwischen viele Fortschritte erzielt

Das Material fuumlr diesen Solarzellentyp basiert auf or-ganischen Kohlenwasserstoffverbindungen mit spezifi-scher elektronischer Struktur dem konjugierten π-Elektronensystem welches den betreffenden Materiali-en die wesentlichen Eigenschaften amorpher Halblei-ter verleihen Typische Vertreter organischer Halbleitersind konjugierte Polymere und Molekuumlle wobei auch

speziell synthetisierte Hybridstrukturen verwendet wer-den Die ersten Kunststoffsolarzellen die aus konju-gierten Polymeren (Elektronendonatoren) und Fullerenen

(Elektronenakzeptoren) hergestellt wurden waren Zwei-Schicht-Solarzellen Diese Zellen bestehen aus einer duumln-nen Schicht des konjugierten Polymers auf die eineweitere duumlnne Schicht von Fullerenen aufgebracht wirdAus technologischer Sicht stellen konjugierte Polyme-re und funktionalisierte Molekuumlle auf Grund ihrer Pro-

zessierbarkeit aus der Fluumlssigphase attraktive Basisma-terialien fuumlr die kostenguumlnstige Massenproduktion flexi-bler PV-Elemente mit vergleichsweise einfacher Strukturdar Molekulare Halbleiter hingegen werden uumlblicherwei-se in vakuumgestuumltzten Aufdampfprozessen zu wohlde-finierten Mehrschichtsystemen verarbeitet und lassen dieHerstellung sequentiell abgeschiedener Halbleiterschich-ten und somit komplexere Zelltypen (z B Tandemzellen)zu

Die organische Photovoltaik (OPV) hat das technologi-sche Potenzial als sogenannte bdquoLow-cost Energy SourceldquoEinzug in die mobile Stromversorgung zu halten Dies

auch aufgrund der kostenguumlnstigen Massenfertigung aufBasis etablierter Druckverfahren Damit koumlnnte mit derorganischen Photovoltaik ein neuer Anwendungsbereicherschlossen werden bei gleichzeitig niedrigen Investiti-onskosten Die Firma Konarka Technologies GmbH inNuumlrnberg hatte 2009 erste organische Kollektoren fuumlrMobilgeraumlte auf den Markt gebracht[46]

36 Hybrid-Solarzelle

Eine Hybridsolarzelle ist eine Solarzelle die organischeund anorganische Bestandteile enthaumllt[47]

37 Fluoreszenz-Zelle

Fluoreszenz-Zellen sind Solarzellen die zunaumlchst in ei-ner Platte durch Fluoreszenz Licht groumlszligerer Wellenlaumlngeerzeugen um dieses an den Plattenkanten zu wandeln

38 Thermische Photovoltaik-Zellen(TPV)

Unter dem Namen Thermische Photovoltaik-Zellen(TPV) werden Zellen auf Basis von InP (fruumlher GaSb)verstanden die nicht Sonnenlicht verwerten sondernWaumlrmestrahlung also Licht wesentlich houmlherer Wel-lenlaumlnge Der Wirkungsgrad wurde dabei durch neuereArbeiten[48] bis auf 12 gesteigert (vorher maximal 9) Eine potentielle Anwendung solcher Zellen waumlre

die Verwertung von Waumlrme wie sie bei groszligtechnischenAnwendungen in groszligen Mengen entsteht und die bishermit zusaumltzlichem Aufwand entsorgt werden muss

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4 Geschichte

rarr Hauptartikel Geschichte der Photovoltaik

Die Nutzung der Sonne zur Gewinnung von elektrischerEnergie kann man grob in das Jahr 1839 datieren DerFranzose Alexandre Edmond Becquerel stellte fest dasseine Batterie wenn man sie dem Sonnenlicht aussetzteine houmlhere Leistung hat als ohne Sonnenlicht Er nutz-te den Potentialunterschied zwischen einer verdunkeltenund einer belichteten Seite einer chemischen Loumlsung indie er zwei Platinelektroden eintauchte Als er nun die-se Konstruktion in die Sonne stellte beobachtete er dassein Strom zwischen den zwei Elektroden entstand So ent-deckte er den photovoltaischen Effekt konnte ihn aller-dings noch nicht erklaumlren Spaumlter wies man nach dassauch andere Materialien wie Kupfer photoleitfaumlhig sind

Die Photoleitfaumlhigkeit wurde bei Selen 1873 nachgewie-sen Zehn Jahre spaumlter wurde die erste bdquoklassischeldquo Pho-tozelle aus Selen gefertigt Wiederum zehn Jahre spaumlter1893 wurde die erste Solarzelle zur Erzeugung von Elek-trizitaumlt gebaut

1904 entdeckte der oumlsterreichisch-ungarische PhysikerPhilipp Lenard dass Lichtstrahlen beim Auftreffen aufbestimmte Metalle Elektronen aus deren Oberflaumlche her-ausloumlsen und lieferte damit die ersten Erklaumlrungen fuumlrdenEffekt der Photovoltaik Ein Jahr spaumlter erhielt er den No-belpreis fuumlr Physik fuumlr die Erforschung des Durchgan-ges von Kathodenstrahlen durch Materie und fuumlr seineElektronentheorie Den endguumlltigen Durchbruch schaffte1905 Albert Einstein als er mit Hilfe der Quantentheo-rie die gleichzeitige Existenz des Lichtes sowohl als Welleals auch als Teilchen erklaumlren konnte Bis dahin glaubteman dass Licht nur als eine Energie mit unterschiedlicherWellenlaumlnge auftritt Doch Einstein stellte in seinen Ver-suchen die Photovoltaik zu erklaumlren fest dass sich Lichtin manchen Situationen genauso wie ein Teilchen verhaumlltund dass die Energie jedes Lichtteilchens oder Photonsnur von der Wellenlaumlnge des Lichts abhaumlngt Er beschriebdas Licht als eine Ansammlung von Geschossen die aufdas Metall treffen Wenn diese Geschosse genuumlgend En-

ergie besitzen wird ein freies Elektron das sich im Me-tall befindet und von einem Photon getroffen wird vomMetall geloumlst Auszligerdem entdeckte er dass die maxima-le kinetische Energie der losgeloumlsten Elektronen von derIntensitaumlt des Lichtes unabhaumlngig ist und nur durch dieEnergie des auftreffenden Photons bestimmt wird DieseEnergie haumlngt wiederum nur von der Wellenlaumlnge (oderder Frequenz) des Lichtes ab Fuumlr seine Arbeit zum pho-toelektrischen Effekt erhielt er 1921 den Nobelpreis fuumlrPhysik

Die Entdeckung des p-n-Uumlbergangs (Kristallgleichrich-ters) im Jahre 1947 durch William B Shockley Walther

H Brattain und John Bardeen war ein weiterer groszligerSchritt zur Solarzelle in ihrer heutigen Form Nach die-sen Entdeckungen stand dem Bau einer Solarzelle in ih-

rer heutigen Form nichts mehr entgegen Es ist jedocheinem gluumlcklichen Zufall zu verdanken dass diese ersteSolarzelle 1954 in den Laboratorien der amerikanischenFirma Bell gebaut wurde Die Mitarbeiter der Firma (un-ter Teamleiter Morton Price) beobachteten als sie einenGleichrichter der mit Hilfe von Silicium arbeitete un-

tersuchten dass dieser mehr Strom lieferte wenn er inder Sonne stand als wenn er zugedeckt war Bei Bell er-kannte man schnell den Nutzen dieser Entdeckung zurVersorgung des Telefonnetzes von laumlndlichen Regionenmit Strom was bis dahin noch mit Batterien geschah DieFirma Bell genauer Daryl Chapin Calvin Souther Fullerund Gerald Pearson entwickelte 1953 die erste mit Arsendotierte Solarzelle auf Siliciumbasis welche einen Wir-kungsgrad von etwa 4 besaszlig Durch den Wechsel desDotierungsmittels konnte der Wirkungsgrad auf etwa 6 erhoumlht werden

Modell von Vanguard 1

Die Raumfahrt erkannte sehr schnell den Nutzen derSolartechnik und ruumlstete 1958 zum ersten Mal einenSatelliten mit Solarzellen aus Vanguard 1 startete am17 Maumlrz 1958 und war erst der vierte Satellit uumlber-haupt Er besaszlig ein Solarpanel welches mit 108 Silicium-Solarzellen ausgestattet war Diese dienten nur als Lade-

station der Akkus und nicht zur direkten Stromversor-gung Dabei wurde errechnet dass die Zellen einen Wir-kungsgrad von 105 besaszligen Die Konstrukteure hatteneine geringere Energieausbeute und eine kuumlrzere Lebens-dauer angenommen so dass man diesen Satelliten nichtmit einem bdquoAusschalterldquo versehen hatte Erst nach achtJahren stellte der Satellit aufgrund von Strahlenschaumldenseinen Betrieb ein

Kurz darauf entstand die CdS-Cu2S-Solarzelle die bisAnfang der 1990er noch in Satelliten eingesetzt wurdenHeutige Satelliten sind zum Vergleich mit Vanguard I mitrund 40000 Solarzellen ausgestattet

Im Weltraum steht der natuumlrlichen Sonnenstrahlung imVergleich zur Erdoberflaumlche nichts entgegen keine Wol-kendecken und keine Strahlung absorbierende und mehr

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14 5 FORMEN UND GROumlszligEN

oder weniger verschmutzte Atmosphaumlre die das Sonnen-licht behindert Andererseits fuumlhren die extremen Strah-lungsverhaumlltnisse im Weltraum zu einer staumlrkeren Degra-dation der Solarzellen als es auf der Erde der Fall ist Seit-her versuchen Industrie und Forschung immer groumlszligereWirkungsgrade zu erreichen und zugleich die Degradati-

on und Strahlungsresistenz zu verbessern

Grafik Juno vor dem Jupiter

Uumlblicherweise werden Raumsonden im inneren Sonnen-system durch Solarzellen mit Strom versorgt Dadurchdass heutige fuumlr Raumfahrtzwecke verwendete Solarzel-len nicht nur 50 effizienter sondern auch strahlungs-resistenter als die noch vor 20 Jahren verwendeten Sili-

ciumzellen sind[49] kann im Jahr 2011 die RaumsondeJuno als erste mit Solarzellen ausgeruumlstete Raumsondezum in Strahlung getauchten Planeten Jupiter starten

Durch die Verwendung reineren Siliciums und bessererDotierungsmoumlglichkeiten wurde der Wirkungsgrad ge-steigert und die Lebensdauer erhoumlht Mandelkorn undLamneck verbesserten die Lebensdauer der Zellen 1972durch eine Reflexion der Minoritaumltsladungstraumlger in demsie ein sogenanntes back surfaces field (BSF) in die p-leitende Schicht einbrachten 1973 stellten Lindmayerund Ellison die sog violette Zelle vor die bereits ei-nen Wirkungsgrad von 14 besaszlig Durch das Reduzie-

ren des Reflexionsvermoumlgens wurde 1975 der Wirkungs-grad auf 16 gesteigert Diese Zellen heiszligen CNR-Solarzellen (englisch Comsat Non Reflection Comsat =Telefonsatellit ) und wurden fuumlr Satelliten entwickelt In-zwischen sind von Green sowie an der Stanford Univer-sitaumlt und bei Telefunken Solarzellen mit Wirkungsgradenum 20 entwickelt worden Der theoretische Wirkungs-grad fuumlr Silicium-Solarzellen liegt bei 29 fuumlr die Strah-lungsverhaumlltnisse in mittleren Breiten Zu den Wirkungs-graden siehe auch technische Merkmale

Maszliggeblicher Anstoszlig fuumlr diese Entwicklung war Anfangder Siebziger die Vervierfachung des Oumllpreises Nach

dieser Preissteigerung rief Richard Nixon 1974 ein For-schungsprogramm ins Leben welches sich mit regenera-tiven Energien auseinandersetzte Bis dahin kostete jedes

Watt 200 Dollar und war somit nicht konkurrenzfaumlhigUm die Akzeptanz und das Vertrauen bei der Bevoumllke-rung zu gewinnen wurden Anfang der 1980er Rennenmit Solarmobilen ausgetragen und im Juli 1981 uumlber-querte ein mit Solarkraft angetriebenes Flugzeug den Aumlr-melkanal

Duumlnnschichtmodule aus amorphenSilicium ermoumlglichtendie autonome Versorgung von Taschenrechnern Uhrenund anderen Kleinverbrauchern

Module mit kristallinen Zellen wurden zunaumlchst fuumlr Insel-Systeme mit 12 V Systemspannung auf der Basis einerBleibatterie genutzt Ab 1990 begann in Deutschland mitdem 1000-Daumlcher-Programm der groszligflaumlchige Einsatz innetzgekopplten Systemen

Bis gegen Ende der 1990er Jahre waren Zellen mit et-wa 100 mm Kantenlaumlnge (im Fachjargon auch Vier-Zoll-Zellen genannt) und 36 Zellen pro Modul fuumlr 12-V-

Systeme die uumlblichste Baugroumlszlige Danach wurden 125-mm-Zellen (5rdquo) verstaumlrkt fuumlr Module mit 72 Zellen fuumlr 24V Systemspannung genutzt und seit etwa 2002 sind 156-mm-Zellen (Kantenlaumlnge 156 mm bzw 6 Zoll) fuumlr Stan-dardmodule mit typisch 60 Zellen die gaumlngige Groumlszlige[50]

Versuche zur Einfuumlhrung von 8-Zellen wurden abge-brochen da die mechanische Stabilitaumlt eine Erhoumlhungder Waferdicke und damit des Materialeinsatzes erfor-dert haumltte

Ab 2007 konnten Duumlnnschichtmodule mit Zellen aus Cd-Te der Firma FirstSolar einen Preisrutsch fuumlr Solarmo-dule ausloumlsen Werke fuumlr Module mit CIS- und CIGS-

Zellen wurden aufgebaut Aber seit 2012 haben Moduleaus kristallinem Silicium gefertigt in China mit ihremKostenvorteil zusammen mit der inzwischen gesichertenVersorgung mit ausreichend Rohsilicium den Markt er-obert

5 Formen und Groumlszligen

Zu Beginn der Kommerzialisierung der Solartechnikwurden haumlufig runde Zellen eingesetzt deren Ursprung

von den meist runden Siliciumstaumlben der Computerin-dustrie herruumlhrt Inzwischen ist diese Zellenform relativselten und es werden quadratische Zellen oder fast qua-dratische mit mehr oder weniger abgeschraumlgten Eckeneingesetzt Als Standardformate werden derzeit Wafermit einer Kantenlaumlnge von 125 und 156 mm prozessiertkuumlnftig sollen aber auch Zellen mit einer Kantenlaumlnge von210 mm Bedeutung erlangen

Durch Saumlgen der fertig prozessierten Zellen entstehen fuumlrspezielle Anwendungen im Kleingeraumltebereich auch Zel-len mit kleineren Kantenlaumlngen Sie liefern annaumlhernd diegleiche Spannung wie die groszligen Zellen jedoch entspre-

chend der kleineren Flaumlche einen kleineren StromIm EFG-Verfahren werden auch Zellen hergestellt beidenen die Seiten des entstehenden Rechtecks nicht die

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61 Thermodynamisches Limit I 15

gleichen Laumlngen haben

6 Wirkungsgrad

Vergleich der praktisch erzielbaren Wirkungsgrade verschie-

dener Solarzellen und deren zeitliche Entwicklung Die vio-letten Kurven im oberen Bereich stellen sogenannte Tandem-Solarzellen eine Kombination verschiedener pn-Uumlbergaumlnge dar

Der Wirkungsgrad η einer Solarzelle ist das Verhaumlltnisder von ihr erzeugten elektrischen Leistung P elektrisch undder Leistung der einfallenden Strahlung P Licht

η = P elektrisch

P Licht

Der maximale Wirkungsgrad η einer Solarzelle ist vom

Bandabstand und der Anzahl der auf verschiedene Spek-tralbereiche optimierten pn-Uumlbergaumlnge abhaumlngig Bei ei-nem pn-Uumlbergang ist bei optimalem Bandabstand unddarauf in der Wellenlaumlnge abgestimmtem Licht theo-retisch ein Wirkungsgrad von bis zu 41 erzielbarIn praktischen Anwendungen liegen tatsaumlchlich erziel-bare Wirkungsgrade um und unter 25 Bei Tandem-Solarzellen welche durch mehrere unterschiedliche pn-Uumlbergaumlnge groumlszligere Spektralbereiche abdecken koumlnnenkoumlnnen die Gesamtwirkungsgrade aller pn-Uumlbergaumlnge inSumme auch uumlber der theoretischen Grenze von 41 liegen

Der Rekord fuumlr im Labor hergestellte Silicium-Solarzellen liegt bei 247 Prozent (University of NewSouth Wales Australien) mit denen Module mit uumlber22 Prozent Wirkungsgrad hergestellt wurden DieDegradation des Wirkungsgrades (Alterungsverhalten)liegt bei ca 10 Prozent in 25 Jahren Hersteller gebenbeispielsweise Garantien auf mindestens 80 Prozent derPeak-Leistung nach 20 Jahren

Im Weltraum ist einerseits die Solarkonstante groumlszliger alsdie Globalstrahlung auf der Erde andererseits altern dieSolarzellen schneller Solarpanele fuumlr Satelliten erreichenzur Zeit (2005) einen Wirkungsgrad von fast 25 [51] bei

einer Betriebszeit von 15 JahrenEin hoher Wirkungsgrad ist erstrebenswert weil er beigleichen Lichtverhaumlltnissen und gleicher Flaumlche zu einer

groumlszligeren Ausbeute an elektrischem Strom fuumlhrt Fuumlr jedeMaschine die auf der Erde aus Sonnenlicht oder auf an-dere Weise mechanische oder elektrische Arbeit erzeugt(z B Aufwindkraftwerke Stirlingmotoren etc) gilt einthermodynamisches Limit

61 Thermodynamisches Limit I

Die groumlbste Abschaumltzung des Wirkungsgrades erhaumllt mandurch den Carnot-Wirkungsgrad Er beschreibt den ma-ximalen Wirkungsgrad den eine beliebige physikalischeMaschine erreichen kann wenn sie ihre Energie aus derTemperaturdifferenz von zwei Waumlrmebaumldern beziehtDer Carnot-Wirkungsgrad ergibt sich aus der Tempera-tur T warm des waumlrmeren Bades und der Temperatur T kalt

des kaumllteren Bades gemaumlszlig

η = 1 minusT kalt

T warm

Im Falle der Solarzelle ist das waumlrmere Energiebaddie Sonnenoberflaumlche mit einer Temperatur von etwa5800 K und das kaumlltere Bad die Solarzelle mit einerTemperatur von 300 K Daraus ergibt sich ein Carnot-Wirkungsgrad von 95 Im Weltraum genutzte Solarzel-len haben infolge der houmlheren Temperaturdifferenz ent-sprechend houmlhere Wirkungsgrade

62 Thermodynamisches Limit II

Die Abschaumltzung im obigen Abschnitt vernachlaumlssigtdass die Energie von der Sonne zur Solarzelle durchStrahlung uumlbertragen wird In einem ausfuumlhrlicheren Mo-dell setzt man vor die Solarzelle einen Absorber Dieserabsorbiert die Strahlung der Sonne und strahlt selber ei-nen kleinen Teil der Waumlrmestrahlung wieder an die Sonneab Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz flieszligt somit ins-gesamt die Waumlrmeleistung

σT 4Sonne minus σT 4Absorber

von der Sonne zum Absorber wobei σ die Stefan-Boltzmann-Konstante ist Nach dem Carnot-Wirkungsgrad kann der Absorber von dieser Waumlrme nurden Anteil

1 minusT Solarzelle

T Absorber

in elektrische Arbeit uumlberfuumlhren Der Wirkungsgrad be-stimmt sich nun aus diesem Anteil und der gesamten vonder Sonne abgestrahlten Leistung σT 4Sonne zu

η =

9830801 minus

T 4Absorber

T 4Sonne

983081 middot

9830801 minus

T Solarzelle

T Absorber

983081

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16 7 TECHNISCHE MERKMALE

Bei einer Temperatur von 5800 K fuumlr die Sonnenober-flaumlche und 300 K Umgebungstemperatur wird der Wir-kungsgrad bei einer Absorbertemperatur von etwa 2500K maximal und betraumlgt 85 [57]

63 Shockley-Queisser-Grenze

0 1 2 30

10

20

30

m a

x

W i r k u n g s g r a d i n

Bandabstand in eV

Maximaler Wirkungsgrad als Funktion des Bandabstandes wiees die Shockley-Queisser-Grenze beschreibt

rarr Hauptartikel Shockley-Queisser-Grenze

Die Shockley-Queisser-Grenze betrachtet den fuumlr Solar-zellen typischen Anregungsprozess von Elektronen in ei-nem Halbleiter In einer Solarzelle wird dadurch Licht in

elektrische Energie umgewandelt dass das Licht Elek-tronen aus dem Valenzband in das Leitungsband anregtNur ein schmaler Ausschnitt des angebotenen Energie-spektrums wird genutzt Der theoretische Grenzwert en-ergieselektiver Zellen ist deshalb kleiner als das thermo-dynamische Limit eines Gesamtsystems

Entscheidend fuumlr die Energie die man pro angeregtemElektron gewinnen kann ist dabei die Groumlszlige der Bandluuml-cke E g des Halbleiters Unabhaumlngig davon wie weit dasElektron uumlber die untere Kante des Leitungsbandes an-geregt wird erhaumllt man pro Elektron maximal die Ener-gie der Bandluumlcke als elektrische Energie Bei der elektri-

schen Leistung die man aus allen angeregten Elektronengewinnt muss man beruumlcksichtigen dass bei einer klei-nen Bandluumlcke mehr Elektronen erzeugt werden Bei ei-ner groszligen Bandluumlcke hat jedes einzelne Elektron dafuumlrmehr Energie Es muss daher ein Kompromiss aus fol-genden Grenzfaumlllen gefunden werden

bull Groszlige Bandluumlcke Nur energiereiches Licht (blauesund ultraviolettes Licht) kann Elektronen erzeugenda laumlngere Wellenlaumlngen nicht absorbiert werdenWegen der groszligen Bandluumlcke besitzt jedes Elektroneine hohe Energie

bull Kleine Bandluumlcke Auch langwelliges Licht kannElektronen anregen so dass insgesamt viele Elektro-

nen ins Leitungsband angeregt werden Diese ver-lieren jedoch durch Stoszligprozesse mit dem Kristall-gitter in wenigen hundert Femtosekunden einen Teilihrer Energie bis sie nur noch die Energie der Band-luumlcke besitzen

Die Shockley-Queisser-Grenze gilt fuumlr den Fall einer Zel-le mit nur einem pn-Uumlbergang Mit sogenanntenTandem-Solarzellen (englisch multi-junction solar cell ) in de-nen mehrere pn-Uumlbergaumlnge mit verschiedenen Band-luumlcken kombiniert sind koumlnnen prinzipiell auch houml-here Wirkungsgrade erreicht werden siehe AbschnittMehrfachsolarzellen

7 Technische Merkmale

Die Kenngroumlszligen einer Solarzelle werden fuumlr normierteBedingungen die Standard-Testbedingungen haumlufig ab-gekuumlrzt STC (englisch Standard Test Conditions ) angege-ben

bull Einstrahlungsstaumlrke von1000 Wmsup2in Modulebene

bull Temperatur der Solarzelle 25 degC konstant

bull Strahlungsspektrum AM 15 global DIN EN 61215IEC 1215 DIN EN 60904 IEC 904

Dabei steht AM 15 global fuumlr den Begriff Air Mass die

15 dafuumlr dass die Sonnenstrahlen das 15-fache der At-mosphaumlrenhoumlhe durchlaufen weil sie schraumlg auftreffenDas entspricht sehr gut den sommerlichen Gegebenhei-ten in Mitteleuropa von Norditalien bis MittelschwedenIm Winter steht die Sonne in unseren Breiten erheblichtiefer und ein Wert von AM 4 bis AM 6 ist hier realisti-scher

Durch die Absorption in der Atmosphaumlre verschiebt sichauch das Spektrum des auf das Modul treffenden Lich-tes bdquoGloballdquo steht fuumlr Globalstrahlung die sich aus demDiffus- und dem Direktstrahlungsanteil der Sonne zusam-mensetzt

Dabei ist zu beachten dass in der Realitaumlt insbesonderedie Zellentemperatur bei einer solchen Einstrahlung diein Deutschland im Sommer zur Mittagszeit erreicht wirdbei normalem Betrieb wesentlich houmlher liegt (je nach An-bringung Windanstroumlmung etc kann sie zwischen etwa30 und 60 degC liegen) Eine erhoumlhte Zellentemperatur be-deutet aber gleichzeitig einen herabgesetzten Wirkungs-grad der Solarzelle Aus diesem Grund wurde auch eineweitere Bezugsgroumlszlige geschaffen PNOCT die Leistungbei normaler Betriebstemperatur (normal operating celltemperature)

Gebraumluchliche Abkuumlrzungen fuumlr die Bezeichnungen sind

bull SC Short Circuit ndash Kurzschluss

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71 Schaltbilder 17

Stromstaumlrke I Leistung P

e r z e u g

t e L e i s

t u n g

Spannung U

o h

n e

B e l e

u c h t u

n g

m i t

B e l e

u c h t u

n g

Kurzschluszligstrom

Leerlaufspannung

Punkt maximaler

Leistung

oc

I

I

mp UU

mp

sc

Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzelle beleuchtet und un-beleuchtet

bull OC Open Circuit ndash Leerlauf

bull MPP Maximum Power Point ndash Betriebspunkt ma-ximaler Leistung

bull PR Performance Ratio Qualitaumltsfaktor der an-gibt welcher Teil des vom Solargenerator erzeug-ten Stromertrages (unter Nennbedingungen) real zurVerfuumlgung steht

Die Kennwerte einer Solarzelle sind

bull Leerlaufspannung U OC (auch V OC )

bull Kurzschlussstrom I SC

bull Spannung im bestmoumlglichen Betriebspunkt U MPP

(auch V MPP )

bull Strom im Betriebspunkt mit maximaler LeistungI MPP

bull Maximale erzielbare Leistung P MPP Solarzellenher-steller geben diese unter standardisierten Bedin-gungen maximal erzielbare Leistung in der Einheit

kWp sprich bdquoKilowatt-Peakldquo an

bull Fuumlllfaktor F F = PMPPU OCmiddotI SC

bull Koeffizient fuumlr die Leistungsaumlnderung mit der Zell-temperatur

bull Zellwirkungsgrad η = P MPPAmiddotE e

mit der bestrahlten Flauml-che A und der Bestrahlungsstaumlrke E e

Solarzellen koumlnnen also eine Leistung von sehr grob 160Wmsup2 abgeben Eingebaut in ein Modul ist die Leistung

pro Flaumlche geringer da zwischen den Zellen und zumModulrand Abstaumlnde vorhanden sind Im Weltraum wirdeine Leistung von 220 Watt pro Quadratmeter erzielt[58]

Schaltsymbol einer Fotodiode

Schaltzeichen und einfaches Ersatzschaltbild einer Solarzelle

71 Schaltbilder

Das Schaltsymbol einer Solarzelle gibt wie das Schalt-symbol einer Diode oder Photodiode mit einem Pfeil

die technische Stromrichtung zur Verschaltung an DerKennlinienverlauf einer realen Solarzelle weicht aller-dings von der einer idealen Fotodiode ab Um die-se Abweichungen zu modellieren existieren mehrereErsatzschaltbilder

711 Vereinfachtes Ersatzschaltbild

Das Schaltbild besteht zunaumlchst nur aus einerStromquelle die parallel zu einer idealen Diode ge-schaltet wird Diese produziert einen Strom der vonder Bestrahlungsstaumlrke abhaumlngt und den Photostrom I ph

modelliert Die Gesamtstromstaumlrke ergibt sich damit mitdem Diodenstrom I D (siehe Diode) zu

I = I ph minus I D = I ph minus I S

983131e

U DnmiddotU T minus 1

983133

712 Erweitertes Ersatzschaltbild (Ein- undZweidiodenmodell)

Das erweiterte Ersatzschaltbild nimmt Ruumlcksicht auf rea-le Faktoren des Bauelementes die durch die Fertigung

entstehen Mit diesen Modellen soll ein moumlglichst rea-listisches Modell der tatsaumlchlichen Solarzelle geschaffenwerden Beim Eindiodenmodell wird so das vereinfach-

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18 9 UMWELTSCHUTZ

Eindiodenmodell einer Solarzelle

te Ersatzschaltbild zunaumlchst nur durch einen parallel undeinen in Reihe geschalteten Widerstand ergaumlnzt

bull Der Parallelwiderstand Rp symbolisiertKristallfehler nichtideale Dotierungsverteilungenund andere Materialdefekte durch dieVerluststroumlme entstehen die den p-n-Uumlberganguumlberbruumlcken Bei Solarzellen aus guter Herstellungist dieser Widerstand relativ groszlig

bull Mit dem Serienwiderstand Rs werden alle Effektezusammengefasst durch die ein houmlherer Gesamtwi-derstand des Bauelementes entsteht Das sind haupt-saumlchlich der Widerstand des Halbleitermaterials derWiderstand an den Kontakten und der ZuleitungenDiese Groumlszlige sollte bei gefertigten Solarzellen moumlg-lichst gering sein

Die Formel fuumlr den Gesamtstrom ist fuumlr dieses Modellbereits eine rekursive Funktion und lautet

I = I phminusI dminusU p

Rp= I phminusI S

983131eU +RsmiddotInmiddotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

Beim Uumlbergang zum Zweidiodenmodell fuumlgt man ei-

Zweidiodenmodell mit spannungsgesteuerter Stromquelle fuumlr denLawinendurchbruch in Sperr-Richtung

ne weitere Diode mit einem anderen Idealitaumltsfaktor nein Normalerweise werden diese uumlber die Werte 1 und2 angesetzt Weiterhin lassen sich alle diese Modellebei Betrieb in Sperr-Richtung durch eine spannungsge-steuerte Stromquelle ergaumlnzen um den Lawinendurch-bruch zu modellieren Die Formeln fuumlr die Stroumlme beim

Zweidiodenmodell lauten dann bei Anpassungsleitwert g Durchbruchspannung U und Lawinendurchbruchex-ponent n

I = I phminusI bminusI S1

983131eU +RsmiddotIn1middotU T minus 1

983133minusI S2

983131eU +RsmiddotIn2middotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

I b = gb middot

(U + Rs middot I )

Rpmiddot983080

1 minus

U + Rs middot I

U b983081minusnb

8 Energetische Amortisation undErntefaktoren

Siehe auch Erntefaktor

Die energetische Amortisationszeit ist der Zeitpunkt zudem die fuumlr die Herstellung einer Photovoltaikanlage auf-gewandte Primaumlrenergie durch selbige wieder erzeugt

wurde Da die bei der Produktion genutzte elektrischeEnergie zu den Sekundaumlrenergien zaumlhlt wird diese mitdem Wirkungsgrad eines fossilen Kraftwerkes in Pri-maumlrenergie umgerechnet Dementsprechend erfolgt dieseUmrechnung auch bei der erzeugten elektrischen Energieder Solarzelle Analog kann man sich vorstellen dass diePhotovoltaikanlage den Strom aus einem konventionellenKraftwerk ersetzt[59]

Die energetische Amortisationszeit von Photovoltaikan-lagen betraumlgt derzeit (Stand 2013) nach einer Studie vonPeng et al global betrachtet zwischen 075 und 35 Jah-ren je nach Standort und verwendeter Photovoltaiktech-

nologie Der Mittelwert schwankt im Bereich von ca15 bis 25 Jahren Dies bedeutet in diesem Zeitraumhat die Photovoltaikanlage wieder die Energie hereinge-spielt die insgesamt waumlhrend ihres gesamten Lebenszy-klus verbraucht wurde Beruumlcksichtigt sind also die Her-stellung der Anlagen ihr Transport die Errichtung Be-trieb und der Ruumlckbau bzw Recycling Die rechnerischenCO2-Emissionen von Photovoltaikanlagen je nach Tech-nik und Standort zwischen 105 und 50 g CO2kWh mitDurchschnitten im Bereich 35 bis 45 g CO2kWh AlsLebensdauer wurde in der Studie 30 Jahre fuumlr Moduleauf Basis kristalliner Siliciumzellen und 20-25 Jahren fuumlr

Duumlnnschichtmodule angenommen fuumlr Lebensdauer derWechselrichter wurden 15 Jahre angenommen[60] Photo-voltaikanlagen liefern demnach waumlhrend ihrer Betriebs-zeit ein Vielfaches der Energie die zu ihrer Herstellungurspruumlnglich aufgewandt wurde

9 Umweltschutz

Die Herstellung photovoltaischer Solarzellen ist ein che-mischer Prozess bei dem gasfoumlrmige fluumlssige und fes-te Chemikalien zum Einsatz kommen die gesundheits-

und umweltschaumldlich sind Aus diesem Grund ist ein ho-her Standard der Prozesssicherheit zentral Unter Ar-beitsschutzaspekten ist eine sichere Ablufterfassung und

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Reinigung zu gewaumlhrleisten Bei dem Einsatz von Nass-waumlschern wird die Abluft durch ein fluumlssiges Absorpti-onsmedium geleitet Wenn dieses aufgebraucht ist ent-steht eine weitere Abwasserquelle neben den Aumltzloumlsun-gen aus der Produktion Diese muumlssen innerbetrieblichwiederaufbereitet oder spezialisierten Entsorgern uumlber-

geben werden Bei der Herstellung von Duumlnnschicht-halbleitern kommt es an den Waumlnden und Aufbautender Prozesskammer zu siliciumhaltigen AblagerungenDie Ruumlckstaumlnde muumlssen regelmaumlszligig entfernt werden dasie den Prozess stoumlren und zu Qualitaumltseinbuszligen fuumlh-ren Zum Entfernen der Ruumlckstaumlnde verwendet manSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid als Reini-gungsgase Beide Gase sind zwar ungiftig gleichwohlaber sehr starke Treibhausgase[61] In der Zellproduk-tion muumlssen die Reinigungsgase mit hoher Volumen-flussrate eingesetzt werden da sie chemisch sehr sta-bil sind und im Plasma zu weniger als 10 in rei-

nigungsaktive Radikale zerfallen Ein Groszligteil des Ga-ses bleibt somit ungenutzt und muss kostenintensiv ent-sorgt werden Zum Teil entweicht es ndash gewollt oder un-gewollt ndash direkt in die Umwelt Hieraus erklaumlrt sichu a auch der kuumlrzlich gemessene starke Anstieg derStickstofftrifluoridkonzentration in der Hochatmosphauml-re besonders uumlber Ost- und Suumldostasien An Stelle vonSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid kann auchdas sehr reaktive Halogen Fluor als Reinigungsgas ver-wendet werden Fluor ist sehr giftig es ist jedoch keinTreibhausgas Auszligerdem laumlsst es sich sehr leicht undruumlckstandsfrei aus Abgasstroumlmen entfernen

Einige Solarzelltypen verwenden anstelle von SiliciumStoffe wie z B toxisches oder karzinogenes CadmiumArsen bzw deren Verbindungen sowie Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid Ein typisches Cadmiumtellurid-Solarmodul enthaumllt zum Beispiel ca 22 g des gefaumlhrli-chen Schwermetalls Cadmium und 25 g Tellur pro msup2Zellflaumlche[62] Bei der Produktion werden beide Sub-stanzen durch Co-Verdampfung auf das Traumlgermaterialaufgebracht Die Co-Verdampfung ist ein ungerichteterProzess bei dem die gesamte Innenoberflaumlche derBeschichtungskammer mit Duumlnnschichten aus TellurCadmiumtellurid Cadmiumsulfid und Antimontelluriduumlberzogen werden Der Materialverbrauch erhoumlht sich

dadurch um mindestens weitere 40

Bei der regelmaumlszligigen Reinigung der Produktionskam-mer mit waumlssriger Saumlure ndash die Reinigung erfolgt ma-nuell ndash werden die Ruumlckstaumlnde in eine waumlssrige Louml-sung uumlberfuumlhrt Neben der eigentlichen Zellprodukti-on stellt also auch die Reinigung der Produktions-anlagen eine Herausforderung an Umweltschutz undArbeitsschutz dar[63][64][65][66][67] Eine neuere Unter-suchung versucht die geringere Gefaumlhrdung die vonCadmiumtellurid-Zellen im Vergleich zur Kohleverbren-nung ausgeht nachzuweisen[36] Produktionsruumlckstaumln-de und Emissionen koumlnnen zu Langzeitschaumlden und

Altlasten fuumlhren Gleiches gilt bei unsachgemaumlszliger Ent-sorgung fuumlr die Altzellen Die Photovoltaik unterschei-

det sich in diesem Aspekt von anderen Technologien zurNutzung regenerativer Energien

10 Sicherheitsbetrachtung

Fuumlr Schutzmaszlignahmen im Brandfall und Blitzeinschlagsiehe Photovoltaikanlage

11 Siehe auch

bull Halbleiterdetektor

bull Sonnensimulator (Photovoltaik)

12 Literatur

bull Christoph Brabec Organic photovoltaics ndash mate-rials device physics and manufacturing technolo-gies Wiley-VCH Weinheim 2008 ISBN 978-3-527-31675-5

bull Guillermo Diaz-Santanilla Technik der Solarzelle ndashphysikalische Grundlagen Eigenschaften und Ap-plikationen Franzis Muumlnchen 1984 ISBN 3-7723-7371-2

bull Heinrich Haumlberlin Photovoltaik Strom aus Son-nenlicht fuumlr Verbundnetz und Inselanlagen 2 we-sentlich erweiterte und aktualisierte Auflage VDE Electrosuisse Berlin Fehraltorf 2010 ISBN 978-3-8007-3205-0 (VDE) ISBN 978-3-905214-62-8(Electrosuisse)

bull Tom Markvart Luis Castantildeer Solar cells ndash mate-rials manufacture and operation Elsevier Oxford2006 ISBN 1-85617-457-3 (englisch)

bull Volker Quaschning Regenerative Energiesysteme 8Auflage Hanser Muumlnchen 2013 ISBN 978-3-446-

43526-1

bull Viktor Wesselak Sebastian Voswinckel Photovol-taik Wie Sonne zu Strom wird Daten FaktenHintergruumlnde Springer Vieweg Berlin 2012 ISBN978-3-642-24296-0 (= Technik im Fokus )

bull Viktor Wesselak Thomas Schabbach ThomasLink Joachim Fischer Regenerative Energietech-nik 2 erweiterte und vollstaumlndig neu bearbeite-te Auflage Springer Vieweg Berlin Heidelberg2013 ISBN 978-3-642-24165-9

bull Peter Wuumlrfel Physik der Solarzellen SpektrumAkademischer Verlag Heidelberg 2000 ISBN 3-8274-0598-X (= Spektrum Hochschultaschenbuch)

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20 14 EINZELNACHWEISE

13 Weblinks

Commons Solarzelle ndash Album mit Bildern Videosund Audiodateien

Wikibooks Herstellung von Solarzellen ndash Lern-

und Lehrmaterialien

bull Die Solarmaus ndash Entstehung der Solarzelle mit Ar-min Maiwald (YouTube-Video)

bull PV-Education ndash detaillierte Online-Vorlesung mitGrundlagen und Anwendungen zur PV (englisch)

bull Photovoltaik ndash Innovationen (BINE Informations-dienst)

14 Einzelnachweise

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[2] anorganisch-organische Hybridzellen mit einfacher Her-stellung

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[13] CIGS DUumlNNSCHICHT-TECHNOLOGIE ERZIELT WELT-REKORDEFFIZIENZ VON 174 Pressemitteilung derFirma Q-Cells vom 29 November 2011 abgerufen am 14Februar 2012

[14] Neuer Weltrekord fuumlr organische Solarzellen Heliatek be-hauptet sich mit 12 Zelleffizienz als Technologiefuumlhrer Pressemitteilung der Firma Heliatek vom 16 Januar 2013

[15] Billig-Solarzellen revolutionieren Strombranche

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[25] Quadrieren und Brikettieren Infoseite der Firma SwissWafers abgerufen am 17 April 2010

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[27] Ziehen oder Saumlgen ndash ein Systemvergleich

[28] Eicke Weber neuer Leiter des Fraunhofer-Instituts fuumlr So-lare Energiesysteme ISE Fraunhofer-Gesellschaft 6 Juli2006 abgerufen am 22 April 2010 (Presseinformation)

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[47] Hybridsolarzellen auf der Basis von anorganischenHalbleiter-Nanopartikeln und leitfaumlhigen Polymeren Carlvon Ossietzky Universitaumlt Oldenburg Institut fuumlr Physik

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[61] Nicole Vormann MurphyampSpitz Studie Nachhaltigkeit und Social Responsibility in der Photovoltaik-Industrie Ja-nuar 2010 abgerufen am 4 Maumlrz 2010 (Studie)

[62] Eine typische CdTe-Solarzelle besteht aus fuumlnf Einzel-schichten Im Einzelnen sind das eine ca 8 μm dickeCdTe-Absorberschicht eine ca 100 nm dicken CdS-Zwischenschicht sowie zwei 20 bzw 100 nm dicken Te-und Antimontellurid (Sb2Te3-Duumlnnschichten)

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22 14 EINZELNACHWEISE

[64] D L Morgan C J Shines S P Jeter M E BlazkaM RElwell R E Wilson S M Ward H C Price PD Moskowitz Comparative Pulmonary Absorption Dis-tribution and Toxicity of Copper Gallium Diselenide Cop-

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147 Nr 2 1997 S 399ndash410[65] V M Fthenakis S C Morris P D Moskowitz D L

Morgan Toxicity of cadmium telluride copper indium di-selenide and copper gallium diselenide In Progress inPhotovoltaics ndash Research and Applications 7 Nr 6 1999S 489ndash497

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23

15 Text- und Bildquellen Autoren und Lizenzen

151 Text

bull Solarzelle Quelle httpdewikipediaorgwikiSolarzelleoldid=138856800 Autoren Fgb RobertLechner Schewek Igelball Aka StefanKuumlhn Lukian Onno Ilja Lorek Head El GNosis Atman Sun Tsor Matthaumlus Wander Seewolf HenrikHolke Honina Pstaudt-fischbachSchusch GDK Migas Paddy Zwobot Kai11 D HaeB ArtMechanic Hadhuey Robbot Pm Anton HaSee Rdb Boehm ZumboDirk33 AndreasB Pietz Soundray Sinn Peter200 Schmiddtchen Fuenfundachtzig Breeze Magadan Fetz Braun Jdiemer StYxXxSebastianWilken Martin-vogel Mnh Ot Aloiswuest MAK Scorpion2211 Gerhardvalentin Jaques AshSert Philipendula STephanKambor Koerpertraining Nicolas PeeCee Duesentrieb AHZ Hendric Stattmann Kristjan Ri st Hafex Norro Cepheiden Christoph-Demmer Fubar Ckeen DasBee Silberchen iexcl0-8-15 1-1111 VanGore Mjk Groer Umaluagr Mkuemmerer Wendelin Cyper QdrDundak Liberatus Juesch Kdkeller Greuer Drap Garak76 MartinThoma Udo T Zaungast Stephantom Pelz ML Thorbjoern Hein-te Diba Blech Zahnstein Renekaemmerer He3nry SchorSch Ion Tauwasser Bobbl Rosa Lux Gerbil Ulfbastel Hubertl MrVVooUebel H2h Liberal Freemason Quirin Leonce49 Blaubahn Flominator RedBot Anhi Dein Freund der Baum Wkw1959 So66 Cle-mensfranz OKoslowski Itti Yahp Miaow Miaow Zaphiro Eneldo Onliner Wahldresdner Darok MovGP0 Muck Uwezi Loh SyrcroZweistein12 Olei Dantor Krischan111 Nize Uwe W Georg Slickers Amtiss Roterraecher RajHid STBR Jackalope Ephraim33JFKCom Andimx Suirenn Hydro Pajz Dktz RobotQuistnix Alanmak Euku Xocolatl Hermannthomas Eynre Savin 2005 AbrevFireball TheTruth Bahnemann Segelmaus Harf Jakob5 Zemy Nyneela Schmitty TobiWanKenobi DerHexer WAH Sesc RolandBerger Schlesinger Staro1 Mo4jolo GeorgHH MutluMan Nightflyer Matzematik PeterFrankfurt Tomreplay PortalBot Ing Schrouml-der Walter LKD Juuml Manecke Quelokee Mons Maenalus JoBa2282 Stepa Giessauf A Cellulesolaire Lemberger HillerD RadlfahrerHelfmann Logograph Mion KaiMeier Sepp Roest FabiBerg Flo422 Degreen Rai42 Rfc GruumlneErde Btr FelixP Wdwd PendulinAdipictures HAH Toumlnjes Kaumlpten Balu Andreas 06 Batosai Rex Akribix D-Kuru UnknownID01 Cramunhao BesondereUmstaende

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Avene DerGraueWolf Martin1978 Wassertraeger Pleonasty HRoestTypo EmausBot Halbarath Muumldigkeit ReinerSpass Mswisi Un-sterblicher TtIiMmOOO ZeacuteroBot Ottomanisch Dsfranzi Didym Striga Cologinux 30wiki04 Karle07 Ne discere cessa Rabax63Waithamai EnergieLabor Cassirer Randolph33 Mukitil Nummer4 Googolplex Flanschko Georgepauljohnringo Woltmers KrdbotHephaion Andol MerlIwBot Mikered KLBot2 Oguenther Thesurvived99 Herzoeglich Rudschuck Tomaacutes66 Gregou Boshomi Stei-ni77 Isjc99 Derschueler Hans Haase Schwunkel Smallandsimple Ciwd2 Nurax666 Krantnejie Rmcharb Kuschi51 Cimballi Redak-tionPflanze Datenundfakten Ragna314 Fico123456789 Buchbibliothek Blafnu Ferina53Solarous Kritzolina WhistlingBird Budu123Manni Lang HeicoH und Anonyme 686

152 Bilder

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bull Fraunhofer ISE Report current edition Originalkuumlnstler Eigenes Werk

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24 15 TEXT- UND BILDQUELLEN AUTOREN UND LIZENZEN

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153 Inhaltslizenz

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Page 12: Solar Zelle

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12 3 ANDERE SOLARZELLENTYPEN

Ein kommerziell erhaumlltliches flexibles Modul einer polymeren or- ganischen Solarzelle

Kohlenwasserstoff-Verbindungen (Kunststoffen) Diese

Verbindungen haben elektrisch halbleitende Eigenschaf-ten Der Wirkungsgrad mit dem Sonnenenergie inelektrische Energie umgewandelt wird liegt mit 120 (Stand Januar 2013)[45] noch unterhalb von dem von So-larzellen aus anorganischem Halbleitermaterial Organi-sche Solarzellen bzw Plastiksolarzellen wie sie auch ge-nannt werden sind aufgrund der Moumlglichkeiten hinsicht-lich guumlnstiger und vielseitiger Herstellungsverfahren einaktuelles Forschungsthema Die von den Herstellern die-ser Zellen auf Kunststoffbasis genannten Vorteile gegen-uumlber herkoumlmmlichen Siliciumsolarzellen sind

bull

Geringe Herstellungskosten aufgrund billiger Pro-duktionstechnologien

bull Hohe Stromausbeuten durch Duumlnnschicht-Groszligflaumlchentechnologien fuumlr Kunststoffe

bull Flexibilitaumlt Transparenz und einfache Handhabung(mechanische Eigenschaften von Kunststoffen)

bull Hohe Umweltvertraumlglichkeit (Kunststoffe auf Koh-lenstoffbasis)

bull Anpassung an das Sonnenspektrum durch gezieltePolymersynthese

bull bdquoBunteldquo Solarzellen fuumlr architektonische Stilele-mente

Im Vergleich zu den ersten organischen Solarzellen wur-den inzwischen viele Fortschritte erzielt

Das Material fuumlr diesen Solarzellentyp basiert auf or-ganischen Kohlenwasserstoffverbindungen mit spezifi-scher elektronischer Struktur dem konjugierten π-Elektronensystem welches den betreffenden Materiali-en die wesentlichen Eigenschaften amorpher Halblei-ter verleihen Typische Vertreter organischer Halbleitersind konjugierte Polymere und Molekuumlle wobei auch

speziell synthetisierte Hybridstrukturen verwendet wer-den Die ersten Kunststoffsolarzellen die aus konju-gierten Polymeren (Elektronendonatoren) und Fullerenen

(Elektronenakzeptoren) hergestellt wurden waren Zwei-Schicht-Solarzellen Diese Zellen bestehen aus einer duumln-nen Schicht des konjugierten Polymers auf die eineweitere duumlnne Schicht von Fullerenen aufgebracht wirdAus technologischer Sicht stellen konjugierte Polyme-re und funktionalisierte Molekuumlle auf Grund ihrer Pro-

zessierbarkeit aus der Fluumlssigphase attraktive Basisma-terialien fuumlr die kostenguumlnstige Massenproduktion flexi-bler PV-Elemente mit vergleichsweise einfacher Strukturdar Molekulare Halbleiter hingegen werden uumlblicherwei-se in vakuumgestuumltzten Aufdampfprozessen zu wohlde-finierten Mehrschichtsystemen verarbeitet und lassen dieHerstellung sequentiell abgeschiedener Halbleiterschich-ten und somit komplexere Zelltypen (z B Tandemzellen)zu

Die organische Photovoltaik (OPV) hat das technologi-sche Potenzial als sogenannte bdquoLow-cost Energy SourceldquoEinzug in die mobile Stromversorgung zu halten Dies

auch aufgrund der kostenguumlnstigen Massenfertigung aufBasis etablierter Druckverfahren Damit koumlnnte mit derorganischen Photovoltaik ein neuer Anwendungsbereicherschlossen werden bei gleichzeitig niedrigen Investiti-onskosten Die Firma Konarka Technologies GmbH inNuumlrnberg hatte 2009 erste organische Kollektoren fuumlrMobilgeraumlte auf den Markt gebracht[46]

36 Hybrid-Solarzelle

Eine Hybridsolarzelle ist eine Solarzelle die organischeund anorganische Bestandteile enthaumllt[47]

37 Fluoreszenz-Zelle

Fluoreszenz-Zellen sind Solarzellen die zunaumlchst in ei-ner Platte durch Fluoreszenz Licht groumlszligerer Wellenlaumlngeerzeugen um dieses an den Plattenkanten zu wandeln

38 Thermische Photovoltaik-Zellen(TPV)

Unter dem Namen Thermische Photovoltaik-Zellen(TPV) werden Zellen auf Basis von InP (fruumlher GaSb)verstanden die nicht Sonnenlicht verwerten sondernWaumlrmestrahlung also Licht wesentlich houmlherer Wel-lenlaumlnge Der Wirkungsgrad wurde dabei durch neuereArbeiten[48] bis auf 12 gesteigert (vorher maximal 9) Eine potentielle Anwendung solcher Zellen waumlre

die Verwertung von Waumlrme wie sie bei groszligtechnischenAnwendungen in groszligen Mengen entsteht und die bishermit zusaumltzlichem Aufwand entsorgt werden muss

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4 Geschichte

rarr Hauptartikel Geschichte der Photovoltaik

Die Nutzung der Sonne zur Gewinnung von elektrischerEnergie kann man grob in das Jahr 1839 datieren DerFranzose Alexandre Edmond Becquerel stellte fest dasseine Batterie wenn man sie dem Sonnenlicht aussetzteine houmlhere Leistung hat als ohne Sonnenlicht Er nutz-te den Potentialunterschied zwischen einer verdunkeltenund einer belichteten Seite einer chemischen Loumlsung indie er zwei Platinelektroden eintauchte Als er nun die-se Konstruktion in die Sonne stellte beobachtete er dassein Strom zwischen den zwei Elektroden entstand So ent-deckte er den photovoltaischen Effekt konnte ihn aller-dings noch nicht erklaumlren Spaumlter wies man nach dassauch andere Materialien wie Kupfer photoleitfaumlhig sind

Die Photoleitfaumlhigkeit wurde bei Selen 1873 nachgewie-sen Zehn Jahre spaumlter wurde die erste bdquoklassischeldquo Pho-tozelle aus Selen gefertigt Wiederum zehn Jahre spaumlter1893 wurde die erste Solarzelle zur Erzeugung von Elek-trizitaumlt gebaut

1904 entdeckte der oumlsterreichisch-ungarische PhysikerPhilipp Lenard dass Lichtstrahlen beim Auftreffen aufbestimmte Metalle Elektronen aus deren Oberflaumlche her-ausloumlsen und lieferte damit die ersten Erklaumlrungen fuumlrdenEffekt der Photovoltaik Ein Jahr spaumlter erhielt er den No-belpreis fuumlr Physik fuumlr die Erforschung des Durchgan-ges von Kathodenstrahlen durch Materie und fuumlr seineElektronentheorie Den endguumlltigen Durchbruch schaffte1905 Albert Einstein als er mit Hilfe der Quantentheo-rie die gleichzeitige Existenz des Lichtes sowohl als Welleals auch als Teilchen erklaumlren konnte Bis dahin glaubteman dass Licht nur als eine Energie mit unterschiedlicherWellenlaumlnge auftritt Doch Einstein stellte in seinen Ver-suchen die Photovoltaik zu erklaumlren fest dass sich Lichtin manchen Situationen genauso wie ein Teilchen verhaumlltund dass die Energie jedes Lichtteilchens oder Photonsnur von der Wellenlaumlnge des Lichts abhaumlngt Er beschriebdas Licht als eine Ansammlung von Geschossen die aufdas Metall treffen Wenn diese Geschosse genuumlgend En-

ergie besitzen wird ein freies Elektron das sich im Me-tall befindet und von einem Photon getroffen wird vomMetall geloumlst Auszligerdem entdeckte er dass die maxima-le kinetische Energie der losgeloumlsten Elektronen von derIntensitaumlt des Lichtes unabhaumlngig ist und nur durch dieEnergie des auftreffenden Photons bestimmt wird DieseEnergie haumlngt wiederum nur von der Wellenlaumlnge (oderder Frequenz) des Lichtes ab Fuumlr seine Arbeit zum pho-toelektrischen Effekt erhielt er 1921 den Nobelpreis fuumlrPhysik

Die Entdeckung des p-n-Uumlbergangs (Kristallgleichrich-ters) im Jahre 1947 durch William B Shockley Walther

H Brattain und John Bardeen war ein weiterer groszligerSchritt zur Solarzelle in ihrer heutigen Form Nach die-sen Entdeckungen stand dem Bau einer Solarzelle in ih-

rer heutigen Form nichts mehr entgegen Es ist jedocheinem gluumlcklichen Zufall zu verdanken dass diese ersteSolarzelle 1954 in den Laboratorien der amerikanischenFirma Bell gebaut wurde Die Mitarbeiter der Firma (un-ter Teamleiter Morton Price) beobachteten als sie einenGleichrichter der mit Hilfe von Silicium arbeitete un-

tersuchten dass dieser mehr Strom lieferte wenn er inder Sonne stand als wenn er zugedeckt war Bei Bell er-kannte man schnell den Nutzen dieser Entdeckung zurVersorgung des Telefonnetzes von laumlndlichen Regionenmit Strom was bis dahin noch mit Batterien geschah DieFirma Bell genauer Daryl Chapin Calvin Souther Fullerund Gerald Pearson entwickelte 1953 die erste mit Arsendotierte Solarzelle auf Siliciumbasis welche einen Wir-kungsgrad von etwa 4 besaszlig Durch den Wechsel desDotierungsmittels konnte der Wirkungsgrad auf etwa 6 erhoumlht werden

Modell von Vanguard 1

Die Raumfahrt erkannte sehr schnell den Nutzen derSolartechnik und ruumlstete 1958 zum ersten Mal einenSatelliten mit Solarzellen aus Vanguard 1 startete am17 Maumlrz 1958 und war erst der vierte Satellit uumlber-haupt Er besaszlig ein Solarpanel welches mit 108 Silicium-Solarzellen ausgestattet war Diese dienten nur als Lade-

station der Akkus und nicht zur direkten Stromversor-gung Dabei wurde errechnet dass die Zellen einen Wir-kungsgrad von 105 besaszligen Die Konstrukteure hatteneine geringere Energieausbeute und eine kuumlrzere Lebens-dauer angenommen so dass man diesen Satelliten nichtmit einem bdquoAusschalterldquo versehen hatte Erst nach achtJahren stellte der Satellit aufgrund von Strahlenschaumldenseinen Betrieb ein

Kurz darauf entstand die CdS-Cu2S-Solarzelle die bisAnfang der 1990er noch in Satelliten eingesetzt wurdenHeutige Satelliten sind zum Vergleich mit Vanguard I mitrund 40000 Solarzellen ausgestattet

Im Weltraum steht der natuumlrlichen Sonnenstrahlung imVergleich zur Erdoberflaumlche nichts entgegen keine Wol-kendecken und keine Strahlung absorbierende und mehr

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14 5 FORMEN UND GROumlszligEN

oder weniger verschmutzte Atmosphaumlre die das Sonnen-licht behindert Andererseits fuumlhren die extremen Strah-lungsverhaumlltnisse im Weltraum zu einer staumlrkeren Degra-dation der Solarzellen als es auf der Erde der Fall ist Seit-her versuchen Industrie und Forschung immer groumlszligereWirkungsgrade zu erreichen und zugleich die Degradati-

on und Strahlungsresistenz zu verbessern

Grafik Juno vor dem Jupiter

Uumlblicherweise werden Raumsonden im inneren Sonnen-system durch Solarzellen mit Strom versorgt Dadurchdass heutige fuumlr Raumfahrtzwecke verwendete Solarzel-len nicht nur 50 effizienter sondern auch strahlungs-resistenter als die noch vor 20 Jahren verwendeten Sili-

ciumzellen sind[49] kann im Jahr 2011 die RaumsondeJuno als erste mit Solarzellen ausgeruumlstete Raumsondezum in Strahlung getauchten Planeten Jupiter starten

Durch die Verwendung reineren Siliciums und bessererDotierungsmoumlglichkeiten wurde der Wirkungsgrad ge-steigert und die Lebensdauer erhoumlht Mandelkorn undLamneck verbesserten die Lebensdauer der Zellen 1972durch eine Reflexion der Minoritaumltsladungstraumlger in demsie ein sogenanntes back surfaces field (BSF) in die p-leitende Schicht einbrachten 1973 stellten Lindmayerund Ellison die sog violette Zelle vor die bereits ei-nen Wirkungsgrad von 14 besaszlig Durch das Reduzie-

ren des Reflexionsvermoumlgens wurde 1975 der Wirkungs-grad auf 16 gesteigert Diese Zellen heiszligen CNR-Solarzellen (englisch Comsat Non Reflection Comsat =Telefonsatellit ) und wurden fuumlr Satelliten entwickelt In-zwischen sind von Green sowie an der Stanford Univer-sitaumlt und bei Telefunken Solarzellen mit Wirkungsgradenum 20 entwickelt worden Der theoretische Wirkungs-grad fuumlr Silicium-Solarzellen liegt bei 29 fuumlr die Strah-lungsverhaumlltnisse in mittleren Breiten Zu den Wirkungs-graden siehe auch technische Merkmale

Maszliggeblicher Anstoszlig fuumlr diese Entwicklung war Anfangder Siebziger die Vervierfachung des Oumllpreises Nach

dieser Preissteigerung rief Richard Nixon 1974 ein For-schungsprogramm ins Leben welches sich mit regenera-tiven Energien auseinandersetzte Bis dahin kostete jedes

Watt 200 Dollar und war somit nicht konkurrenzfaumlhigUm die Akzeptanz und das Vertrauen bei der Bevoumllke-rung zu gewinnen wurden Anfang der 1980er Rennenmit Solarmobilen ausgetragen und im Juli 1981 uumlber-querte ein mit Solarkraft angetriebenes Flugzeug den Aumlr-melkanal

Duumlnnschichtmodule aus amorphenSilicium ermoumlglichtendie autonome Versorgung von Taschenrechnern Uhrenund anderen Kleinverbrauchern

Module mit kristallinen Zellen wurden zunaumlchst fuumlr Insel-Systeme mit 12 V Systemspannung auf der Basis einerBleibatterie genutzt Ab 1990 begann in Deutschland mitdem 1000-Daumlcher-Programm der groszligflaumlchige Einsatz innetzgekopplten Systemen

Bis gegen Ende der 1990er Jahre waren Zellen mit et-wa 100 mm Kantenlaumlnge (im Fachjargon auch Vier-Zoll-Zellen genannt) und 36 Zellen pro Modul fuumlr 12-V-

Systeme die uumlblichste Baugroumlszlige Danach wurden 125-mm-Zellen (5rdquo) verstaumlrkt fuumlr Module mit 72 Zellen fuumlr 24V Systemspannung genutzt und seit etwa 2002 sind 156-mm-Zellen (Kantenlaumlnge 156 mm bzw 6 Zoll) fuumlr Stan-dardmodule mit typisch 60 Zellen die gaumlngige Groumlszlige[50]

Versuche zur Einfuumlhrung von 8-Zellen wurden abge-brochen da die mechanische Stabilitaumlt eine Erhoumlhungder Waferdicke und damit des Materialeinsatzes erfor-dert haumltte

Ab 2007 konnten Duumlnnschichtmodule mit Zellen aus Cd-Te der Firma FirstSolar einen Preisrutsch fuumlr Solarmo-dule ausloumlsen Werke fuumlr Module mit CIS- und CIGS-

Zellen wurden aufgebaut Aber seit 2012 haben Moduleaus kristallinem Silicium gefertigt in China mit ihremKostenvorteil zusammen mit der inzwischen gesichertenVersorgung mit ausreichend Rohsilicium den Markt er-obert

5 Formen und Groumlszligen

Zu Beginn der Kommerzialisierung der Solartechnikwurden haumlufig runde Zellen eingesetzt deren Ursprung

von den meist runden Siliciumstaumlben der Computerin-dustrie herruumlhrt Inzwischen ist diese Zellenform relativselten und es werden quadratische Zellen oder fast qua-dratische mit mehr oder weniger abgeschraumlgten Eckeneingesetzt Als Standardformate werden derzeit Wafermit einer Kantenlaumlnge von 125 und 156 mm prozessiertkuumlnftig sollen aber auch Zellen mit einer Kantenlaumlnge von210 mm Bedeutung erlangen

Durch Saumlgen der fertig prozessierten Zellen entstehen fuumlrspezielle Anwendungen im Kleingeraumltebereich auch Zel-len mit kleineren Kantenlaumlngen Sie liefern annaumlhernd diegleiche Spannung wie die groszligen Zellen jedoch entspre-

chend der kleineren Flaumlche einen kleineren StromIm EFG-Verfahren werden auch Zellen hergestellt beidenen die Seiten des entstehenden Rechtecks nicht die

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61 Thermodynamisches Limit I 15

gleichen Laumlngen haben

6 Wirkungsgrad

Vergleich der praktisch erzielbaren Wirkungsgrade verschie-

dener Solarzellen und deren zeitliche Entwicklung Die vio-letten Kurven im oberen Bereich stellen sogenannte Tandem-Solarzellen eine Kombination verschiedener pn-Uumlbergaumlnge dar

Der Wirkungsgrad η einer Solarzelle ist das Verhaumlltnisder von ihr erzeugten elektrischen Leistung P elektrisch undder Leistung der einfallenden Strahlung P Licht

η = P elektrisch

P Licht

Der maximale Wirkungsgrad η einer Solarzelle ist vom

Bandabstand und der Anzahl der auf verschiedene Spek-tralbereiche optimierten pn-Uumlbergaumlnge abhaumlngig Bei ei-nem pn-Uumlbergang ist bei optimalem Bandabstand unddarauf in der Wellenlaumlnge abgestimmtem Licht theo-retisch ein Wirkungsgrad von bis zu 41 erzielbarIn praktischen Anwendungen liegen tatsaumlchlich erziel-bare Wirkungsgrade um und unter 25 Bei Tandem-Solarzellen welche durch mehrere unterschiedliche pn-Uumlbergaumlnge groumlszligere Spektralbereiche abdecken koumlnnenkoumlnnen die Gesamtwirkungsgrade aller pn-Uumlbergaumlnge inSumme auch uumlber der theoretischen Grenze von 41 liegen

Der Rekord fuumlr im Labor hergestellte Silicium-Solarzellen liegt bei 247 Prozent (University of NewSouth Wales Australien) mit denen Module mit uumlber22 Prozent Wirkungsgrad hergestellt wurden DieDegradation des Wirkungsgrades (Alterungsverhalten)liegt bei ca 10 Prozent in 25 Jahren Hersteller gebenbeispielsweise Garantien auf mindestens 80 Prozent derPeak-Leistung nach 20 Jahren

Im Weltraum ist einerseits die Solarkonstante groumlszliger alsdie Globalstrahlung auf der Erde andererseits altern dieSolarzellen schneller Solarpanele fuumlr Satelliten erreichenzur Zeit (2005) einen Wirkungsgrad von fast 25 [51] bei

einer Betriebszeit von 15 JahrenEin hoher Wirkungsgrad ist erstrebenswert weil er beigleichen Lichtverhaumlltnissen und gleicher Flaumlche zu einer

groumlszligeren Ausbeute an elektrischem Strom fuumlhrt Fuumlr jedeMaschine die auf der Erde aus Sonnenlicht oder auf an-dere Weise mechanische oder elektrische Arbeit erzeugt(z B Aufwindkraftwerke Stirlingmotoren etc) gilt einthermodynamisches Limit

61 Thermodynamisches Limit I

Die groumlbste Abschaumltzung des Wirkungsgrades erhaumllt mandurch den Carnot-Wirkungsgrad Er beschreibt den ma-ximalen Wirkungsgrad den eine beliebige physikalischeMaschine erreichen kann wenn sie ihre Energie aus derTemperaturdifferenz von zwei Waumlrmebaumldern beziehtDer Carnot-Wirkungsgrad ergibt sich aus der Tempera-tur T warm des waumlrmeren Bades und der Temperatur T kalt

des kaumllteren Bades gemaumlszlig

η = 1 minusT kalt

T warm

Im Falle der Solarzelle ist das waumlrmere Energiebaddie Sonnenoberflaumlche mit einer Temperatur von etwa5800 K und das kaumlltere Bad die Solarzelle mit einerTemperatur von 300 K Daraus ergibt sich ein Carnot-Wirkungsgrad von 95 Im Weltraum genutzte Solarzel-len haben infolge der houmlheren Temperaturdifferenz ent-sprechend houmlhere Wirkungsgrade

62 Thermodynamisches Limit II

Die Abschaumltzung im obigen Abschnitt vernachlaumlssigtdass die Energie von der Sonne zur Solarzelle durchStrahlung uumlbertragen wird In einem ausfuumlhrlicheren Mo-dell setzt man vor die Solarzelle einen Absorber Dieserabsorbiert die Strahlung der Sonne und strahlt selber ei-nen kleinen Teil der Waumlrmestrahlung wieder an die Sonneab Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz flieszligt somit ins-gesamt die Waumlrmeleistung

σT 4Sonne minus σT 4Absorber

von der Sonne zum Absorber wobei σ die Stefan-Boltzmann-Konstante ist Nach dem Carnot-Wirkungsgrad kann der Absorber von dieser Waumlrme nurden Anteil

1 minusT Solarzelle

T Absorber

in elektrische Arbeit uumlberfuumlhren Der Wirkungsgrad be-stimmt sich nun aus diesem Anteil und der gesamten vonder Sonne abgestrahlten Leistung σT 4Sonne zu

η =

9830801 minus

T 4Absorber

T 4Sonne

983081 middot

9830801 minus

T Solarzelle

T Absorber

983081

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16 7 TECHNISCHE MERKMALE

Bei einer Temperatur von 5800 K fuumlr die Sonnenober-flaumlche und 300 K Umgebungstemperatur wird der Wir-kungsgrad bei einer Absorbertemperatur von etwa 2500K maximal und betraumlgt 85 [57]

63 Shockley-Queisser-Grenze

0 1 2 30

10

20

30

m a

x

W i r k u n g s g r a d i n

Bandabstand in eV

Maximaler Wirkungsgrad als Funktion des Bandabstandes wiees die Shockley-Queisser-Grenze beschreibt

rarr Hauptartikel Shockley-Queisser-Grenze

Die Shockley-Queisser-Grenze betrachtet den fuumlr Solar-zellen typischen Anregungsprozess von Elektronen in ei-nem Halbleiter In einer Solarzelle wird dadurch Licht in

elektrische Energie umgewandelt dass das Licht Elek-tronen aus dem Valenzband in das Leitungsband anregtNur ein schmaler Ausschnitt des angebotenen Energie-spektrums wird genutzt Der theoretische Grenzwert en-ergieselektiver Zellen ist deshalb kleiner als das thermo-dynamische Limit eines Gesamtsystems

Entscheidend fuumlr die Energie die man pro angeregtemElektron gewinnen kann ist dabei die Groumlszlige der Bandluuml-cke E g des Halbleiters Unabhaumlngig davon wie weit dasElektron uumlber die untere Kante des Leitungsbandes an-geregt wird erhaumllt man pro Elektron maximal die Ener-gie der Bandluumlcke als elektrische Energie Bei der elektri-

schen Leistung die man aus allen angeregten Elektronengewinnt muss man beruumlcksichtigen dass bei einer klei-nen Bandluumlcke mehr Elektronen erzeugt werden Bei ei-ner groszligen Bandluumlcke hat jedes einzelne Elektron dafuumlrmehr Energie Es muss daher ein Kompromiss aus fol-genden Grenzfaumlllen gefunden werden

bull Groszlige Bandluumlcke Nur energiereiches Licht (blauesund ultraviolettes Licht) kann Elektronen erzeugenda laumlngere Wellenlaumlngen nicht absorbiert werdenWegen der groszligen Bandluumlcke besitzt jedes Elektroneine hohe Energie

bull Kleine Bandluumlcke Auch langwelliges Licht kannElektronen anregen so dass insgesamt viele Elektro-

nen ins Leitungsband angeregt werden Diese ver-lieren jedoch durch Stoszligprozesse mit dem Kristall-gitter in wenigen hundert Femtosekunden einen Teilihrer Energie bis sie nur noch die Energie der Band-luumlcke besitzen

Die Shockley-Queisser-Grenze gilt fuumlr den Fall einer Zel-le mit nur einem pn-Uumlbergang Mit sogenanntenTandem-Solarzellen (englisch multi-junction solar cell ) in de-nen mehrere pn-Uumlbergaumlnge mit verschiedenen Band-luumlcken kombiniert sind koumlnnen prinzipiell auch houml-here Wirkungsgrade erreicht werden siehe AbschnittMehrfachsolarzellen

7 Technische Merkmale

Die Kenngroumlszligen einer Solarzelle werden fuumlr normierteBedingungen die Standard-Testbedingungen haumlufig ab-gekuumlrzt STC (englisch Standard Test Conditions ) angege-ben

bull Einstrahlungsstaumlrke von1000 Wmsup2in Modulebene

bull Temperatur der Solarzelle 25 degC konstant

bull Strahlungsspektrum AM 15 global DIN EN 61215IEC 1215 DIN EN 60904 IEC 904

Dabei steht AM 15 global fuumlr den Begriff Air Mass die

15 dafuumlr dass die Sonnenstrahlen das 15-fache der At-mosphaumlrenhoumlhe durchlaufen weil sie schraumlg auftreffenDas entspricht sehr gut den sommerlichen Gegebenhei-ten in Mitteleuropa von Norditalien bis MittelschwedenIm Winter steht die Sonne in unseren Breiten erheblichtiefer und ein Wert von AM 4 bis AM 6 ist hier realisti-scher

Durch die Absorption in der Atmosphaumlre verschiebt sichauch das Spektrum des auf das Modul treffenden Lich-tes bdquoGloballdquo steht fuumlr Globalstrahlung die sich aus demDiffus- und dem Direktstrahlungsanteil der Sonne zusam-mensetzt

Dabei ist zu beachten dass in der Realitaumlt insbesonderedie Zellentemperatur bei einer solchen Einstrahlung diein Deutschland im Sommer zur Mittagszeit erreicht wirdbei normalem Betrieb wesentlich houmlher liegt (je nach An-bringung Windanstroumlmung etc kann sie zwischen etwa30 und 60 degC liegen) Eine erhoumlhte Zellentemperatur be-deutet aber gleichzeitig einen herabgesetzten Wirkungs-grad der Solarzelle Aus diesem Grund wurde auch eineweitere Bezugsgroumlszlige geschaffen PNOCT die Leistungbei normaler Betriebstemperatur (normal operating celltemperature)

Gebraumluchliche Abkuumlrzungen fuumlr die Bezeichnungen sind

bull SC Short Circuit ndash Kurzschluss

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71 Schaltbilder 17

Stromstaumlrke I Leistung P

e r z e u g

t e L e i s

t u n g

Spannung U

o h

n e

B e l e

u c h t u

n g

m i t

B e l e

u c h t u

n g

Kurzschluszligstrom

Leerlaufspannung

Punkt maximaler

Leistung

oc

I

I

mp UU

mp

sc

Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzelle beleuchtet und un-beleuchtet

bull OC Open Circuit ndash Leerlauf

bull MPP Maximum Power Point ndash Betriebspunkt ma-ximaler Leistung

bull PR Performance Ratio Qualitaumltsfaktor der an-gibt welcher Teil des vom Solargenerator erzeug-ten Stromertrages (unter Nennbedingungen) real zurVerfuumlgung steht

Die Kennwerte einer Solarzelle sind

bull Leerlaufspannung U OC (auch V OC )

bull Kurzschlussstrom I SC

bull Spannung im bestmoumlglichen Betriebspunkt U MPP

(auch V MPP )

bull Strom im Betriebspunkt mit maximaler LeistungI MPP

bull Maximale erzielbare Leistung P MPP Solarzellenher-steller geben diese unter standardisierten Bedin-gungen maximal erzielbare Leistung in der Einheit

kWp sprich bdquoKilowatt-Peakldquo an

bull Fuumlllfaktor F F = PMPPU OCmiddotI SC

bull Koeffizient fuumlr die Leistungsaumlnderung mit der Zell-temperatur

bull Zellwirkungsgrad η = P MPPAmiddotE e

mit der bestrahlten Flauml-che A und der Bestrahlungsstaumlrke E e

Solarzellen koumlnnen also eine Leistung von sehr grob 160Wmsup2 abgeben Eingebaut in ein Modul ist die Leistung

pro Flaumlche geringer da zwischen den Zellen und zumModulrand Abstaumlnde vorhanden sind Im Weltraum wirdeine Leistung von 220 Watt pro Quadratmeter erzielt[58]

Schaltsymbol einer Fotodiode

Schaltzeichen und einfaches Ersatzschaltbild einer Solarzelle

71 Schaltbilder

Das Schaltsymbol einer Solarzelle gibt wie das Schalt-symbol einer Diode oder Photodiode mit einem Pfeil

die technische Stromrichtung zur Verschaltung an DerKennlinienverlauf einer realen Solarzelle weicht aller-dings von der einer idealen Fotodiode ab Um die-se Abweichungen zu modellieren existieren mehrereErsatzschaltbilder

711 Vereinfachtes Ersatzschaltbild

Das Schaltbild besteht zunaumlchst nur aus einerStromquelle die parallel zu einer idealen Diode ge-schaltet wird Diese produziert einen Strom der vonder Bestrahlungsstaumlrke abhaumlngt und den Photostrom I ph

modelliert Die Gesamtstromstaumlrke ergibt sich damit mitdem Diodenstrom I D (siehe Diode) zu

I = I ph minus I D = I ph minus I S

983131e

U DnmiddotU T minus 1

983133

712 Erweitertes Ersatzschaltbild (Ein- undZweidiodenmodell)

Das erweiterte Ersatzschaltbild nimmt Ruumlcksicht auf rea-le Faktoren des Bauelementes die durch die Fertigung

entstehen Mit diesen Modellen soll ein moumlglichst rea-listisches Modell der tatsaumlchlichen Solarzelle geschaffenwerden Beim Eindiodenmodell wird so das vereinfach-

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18 9 UMWELTSCHUTZ

Eindiodenmodell einer Solarzelle

te Ersatzschaltbild zunaumlchst nur durch einen parallel undeinen in Reihe geschalteten Widerstand ergaumlnzt

bull Der Parallelwiderstand Rp symbolisiertKristallfehler nichtideale Dotierungsverteilungenund andere Materialdefekte durch dieVerluststroumlme entstehen die den p-n-Uumlberganguumlberbruumlcken Bei Solarzellen aus guter Herstellungist dieser Widerstand relativ groszlig

bull Mit dem Serienwiderstand Rs werden alle Effektezusammengefasst durch die ein houmlherer Gesamtwi-derstand des Bauelementes entsteht Das sind haupt-saumlchlich der Widerstand des Halbleitermaterials derWiderstand an den Kontakten und der ZuleitungenDiese Groumlszlige sollte bei gefertigten Solarzellen moumlg-lichst gering sein

Die Formel fuumlr den Gesamtstrom ist fuumlr dieses Modellbereits eine rekursive Funktion und lautet

I = I phminusI dminusU p

Rp= I phminusI S

983131eU +RsmiddotInmiddotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

Beim Uumlbergang zum Zweidiodenmodell fuumlgt man ei-

Zweidiodenmodell mit spannungsgesteuerter Stromquelle fuumlr denLawinendurchbruch in Sperr-Richtung

ne weitere Diode mit einem anderen Idealitaumltsfaktor nein Normalerweise werden diese uumlber die Werte 1 und2 angesetzt Weiterhin lassen sich alle diese Modellebei Betrieb in Sperr-Richtung durch eine spannungsge-steuerte Stromquelle ergaumlnzen um den Lawinendurch-bruch zu modellieren Die Formeln fuumlr die Stroumlme beim

Zweidiodenmodell lauten dann bei Anpassungsleitwert g Durchbruchspannung U und Lawinendurchbruchex-ponent n

I = I phminusI bminusI S1

983131eU +RsmiddotIn1middotU T minus 1

983133minusI S2

983131eU +RsmiddotIn2middotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

I b = gb middot

(U + Rs middot I )

Rpmiddot983080

1 minus

U + Rs middot I

U b983081minusnb

8 Energetische Amortisation undErntefaktoren

Siehe auch Erntefaktor

Die energetische Amortisationszeit ist der Zeitpunkt zudem die fuumlr die Herstellung einer Photovoltaikanlage auf-gewandte Primaumlrenergie durch selbige wieder erzeugt

wurde Da die bei der Produktion genutzte elektrischeEnergie zu den Sekundaumlrenergien zaumlhlt wird diese mitdem Wirkungsgrad eines fossilen Kraftwerkes in Pri-maumlrenergie umgerechnet Dementsprechend erfolgt dieseUmrechnung auch bei der erzeugten elektrischen Energieder Solarzelle Analog kann man sich vorstellen dass diePhotovoltaikanlage den Strom aus einem konventionellenKraftwerk ersetzt[59]

Die energetische Amortisationszeit von Photovoltaikan-lagen betraumlgt derzeit (Stand 2013) nach einer Studie vonPeng et al global betrachtet zwischen 075 und 35 Jah-ren je nach Standort und verwendeter Photovoltaiktech-

nologie Der Mittelwert schwankt im Bereich von ca15 bis 25 Jahren Dies bedeutet in diesem Zeitraumhat die Photovoltaikanlage wieder die Energie hereinge-spielt die insgesamt waumlhrend ihres gesamten Lebenszy-klus verbraucht wurde Beruumlcksichtigt sind also die Her-stellung der Anlagen ihr Transport die Errichtung Be-trieb und der Ruumlckbau bzw Recycling Die rechnerischenCO2-Emissionen von Photovoltaikanlagen je nach Tech-nik und Standort zwischen 105 und 50 g CO2kWh mitDurchschnitten im Bereich 35 bis 45 g CO2kWh AlsLebensdauer wurde in der Studie 30 Jahre fuumlr Moduleauf Basis kristalliner Siliciumzellen und 20-25 Jahren fuumlr

Duumlnnschichtmodule angenommen fuumlr Lebensdauer derWechselrichter wurden 15 Jahre angenommen[60] Photo-voltaikanlagen liefern demnach waumlhrend ihrer Betriebs-zeit ein Vielfaches der Energie die zu ihrer Herstellungurspruumlnglich aufgewandt wurde

9 Umweltschutz

Die Herstellung photovoltaischer Solarzellen ist ein che-mischer Prozess bei dem gasfoumlrmige fluumlssige und fes-te Chemikalien zum Einsatz kommen die gesundheits-

und umweltschaumldlich sind Aus diesem Grund ist ein ho-her Standard der Prozesssicherheit zentral Unter Ar-beitsschutzaspekten ist eine sichere Ablufterfassung und

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Reinigung zu gewaumlhrleisten Bei dem Einsatz von Nass-waumlschern wird die Abluft durch ein fluumlssiges Absorpti-onsmedium geleitet Wenn dieses aufgebraucht ist ent-steht eine weitere Abwasserquelle neben den Aumltzloumlsun-gen aus der Produktion Diese muumlssen innerbetrieblichwiederaufbereitet oder spezialisierten Entsorgern uumlber-

geben werden Bei der Herstellung von Duumlnnschicht-halbleitern kommt es an den Waumlnden und Aufbautender Prozesskammer zu siliciumhaltigen AblagerungenDie Ruumlckstaumlnde muumlssen regelmaumlszligig entfernt werden dasie den Prozess stoumlren und zu Qualitaumltseinbuszligen fuumlh-ren Zum Entfernen der Ruumlckstaumlnde verwendet manSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid als Reini-gungsgase Beide Gase sind zwar ungiftig gleichwohlaber sehr starke Treibhausgase[61] In der Zellproduk-tion muumlssen die Reinigungsgase mit hoher Volumen-flussrate eingesetzt werden da sie chemisch sehr sta-bil sind und im Plasma zu weniger als 10 in rei-

nigungsaktive Radikale zerfallen Ein Groszligteil des Ga-ses bleibt somit ungenutzt und muss kostenintensiv ent-sorgt werden Zum Teil entweicht es ndash gewollt oder un-gewollt ndash direkt in die Umwelt Hieraus erklaumlrt sichu a auch der kuumlrzlich gemessene starke Anstieg derStickstofftrifluoridkonzentration in der Hochatmosphauml-re besonders uumlber Ost- und Suumldostasien An Stelle vonSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid kann auchdas sehr reaktive Halogen Fluor als Reinigungsgas ver-wendet werden Fluor ist sehr giftig es ist jedoch keinTreibhausgas Auszligerdem laumlsst es sich sehr leicht undruumlckstandsfrei aus Abgasstroumlmen entfernen

Einige Solarzelltypen verwenden anstelle von SiliciumStoffe wie z B toxisches oder karzinogenes CadmiumArsen bzw deren Verbindungen sowie Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid Ein typisches Cadmiumtellurid-Solarmodul enthaumllt zum Beispiel ca 22 g des gefaumlhrli-chen Schwermetalls Cadmium und 25 g Tellur pro msup2Zellflaumlche[62] Bei der Produktion werden beide Sub-stanzen durch Co-Verdampfung auf das Traumlgermaterialaufgebracht Die Co-Verdampfung ist ein ungerichteterProzess bei dem die gesamte Innenoberflaumlche derBeschichtungskammer mit Duumlnnschichten aus TellurCadmiumtellurid Cadmiumsulfid und Antimontelluriduumlberzogen werden Der Materialverbrauch erhoumlht sich

dadurch um mindestens weitere 40

Bei der regelmaumlszligigen Reinigung der Produktionskam-mer mit waumlssriger Saumlure ndash die Reinigung erfolgt ma-nuell ndash werden die Ruumlckstaumlnde in eine waumlssrige Louml-sung uumlberfuumlhrt Neben der eigentlichen Zellprodukti-on stellt also auch die Reinigung der Produktions-anlagen eine Herausforderung an Umweltschutz undArbeitsschutz dar[63][64][65][66][67] Eine neuere Unter-suchung versucht die geringere Gefaumlhrdung die vonCadmiumtellurid-Zellen im Vergleich zur Kohleverbren-nung ausgeht nachzuweisen[36] Produktionsruumlckstaumln-de und Emissionen koumlnnen zu Langzeitschaumlden und

Altlasten fuumlhren Gleiches gilt bei unsachgemaumlszliger Ent-sorgung fuumlr die Altzellen Die Photovoltaik unterschei-

det sich in diesem Aspekt von anderen Technologien zurNutzung regenerativer Energien

10 Sicherheitsbetrachtung

Fuumlr Schutzmaszlignahmen im Brandfall und Blitzeinschlagsiehe Photovoltaikanlage

11 Siehe auch

bull Halbleiterdetektor

bull Sonnensimulator (Photovoltaik)

12 Literatur

bull Christoph Brabec Organic photovoltaics ndash mate-rials device physics and manufacturing technolo-gies Wiley-VCH Weinheim 2008 ISBN 978-3-527-31675-5

bull Guillermo Diaz-Santanilla Technik der Solarzelle ndashphysikalische Grundlagen Eigenschaften und Ap-plikationen Franzis Muumlnchen 1984 ISBN 3-7723-7371-2

bull Heinrich Haumlberlin Photovoltaik Strom aus Son-nenlicht fuumlr Verbundnetz und Inselanlagen 2 we-sentlich erweiterte und aktualisierte Auflage VDE Electrosuisse Berlin Fehraltorf 2010 ISBN 978-3-8007-3205-0 (VDE) ISBN 978-3-905214-62-8(Electrosuisse)

bull Tom Markvart Luis Castantildeer Solar cells ndash mate-rials manufacture and operation Elsevier Oxford2006 ISBN 1-85617-457-3 (englisch)

bull Volker Quaschning Regenerative Energiesysteme 8Auflage Hanser Muumlnchen 2013 ISBN 978-3-446-

43526-1

bull Viktor Wesselak Sebastian Voswinckel Photovol-taik Wie Sonne zu Strom wird Daten FaktenHintergruumlnde Springer Vieweg Berlin 2012 ISBN978-3-642-24296-0 (= Technik im Fokus )

bull Viktor Wesselak Thomas Schabbach ThomasLink Joachim Fischer Regenerative Energietech-nik 2 erweiterte und vollstaumlndig neu bearbeite-te Auflage Springer Vieweg Berlin Heidelberg2013 ISBN 978-3-642-24165-9

bull Peter Wuumlrfel Physik der Solarzellen SpektrumAkademischer Verlag Heidelberg 2000 ISBN 3-8274-0598-X (= Spektrum Hochschultaschenbuch)

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20 14 EINZELNACHWEISE

13 Weblinks

Commons Solarzelle ndash Album mit Bildern Videosund Audiodateien

Wikibooks Herstellung von Solarzellen ndash Lern-

und Lehrmaterialien

bull Die Solarmaus ndash Entstehung der Solarzelle mit Ar-min Maiwald (YouTube-Video)

bull PV-Education ndash detaillierte Online-Vorlesung mitGrundlagen und Anwendungen zur PV (englisch)

bull Photovoltaik ndash Innovationen (BINE Informations-dienst)

14 Einzelnachweise

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[2] anorganisch-organische Hybridzellen mit einfacher Her-stellung

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[13] CIGS DUumlNNSCHICHT-TECHNOLOGIE ERZIELT WELT-REKORDEFFIZIENZ VON 174 Pressemitteilung derFirma Q-Cells vom 29 November 2011 abgerufen am 14Februar 2012

[14] Neuer Weltrekord fuumlr organische Solarzellen Heliatek be-hauptet sich mit 12 Zelleffizienz als Technologiefuumlhrer Pressemitteilung der Firma Heliatek vom 16 Januar 2013

[15] Billig-Solarzellen revolutionieren Strombranche

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[25] Quadrieren und Brikettieren Infoseite der Firma SwissWafers abgerufen am 17 April 2010

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[27] Ziehen oder Saumlgen ndash ein Systemvergleich

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22 14 EINZELNACHWEISE

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Morgan Toxicity of cadmium telluride copper indium di-selenide and copper gallium diselenide In Progress inPhotovoltaics ndash Research and Applications 7 Nr 6 1999S 489ndash497

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23

15 Text- und Bildquellen Autoren und Lizenzen

151 Text

bull Solarzelle Quelle httpdewikipediaorgwikiSolarzelleoldid=138856800 Autoren Fgb RobertLechner Schewek Igelball Aka StefanKuumlhn Lukian Onno Ilja Lorek Head El GNosis Atman Sun Tsor Matthaumlus Wander Seewolf HenrikHolke Honina Pstaudt-fischbachSchusch GDK Migas Paddy Zwobot Kai11 D HaeB ArtMechanic Hadhuey Robbot Pm Anton HaSee Rdb Boehm ZumboDirk33 AndreasB Pietz Soundray Sinn Peter200 Schmiddtchen Fuenfundachtzig Breeze Magadan Fetz Braun Jdiemer StYxXxSebastianWilken Martin-vogel Mnh Ot Aloiswuest MAK Scorpion2211 Gerhardvalentin Jaques AshSert Philipendula STephanKambor Koerpertraining Nicolas PeeCee Duesentrieb AHZ Hendric Stattmann Kristjan Ri st Hafex Norro Cepheiden Christoph-Demmer Fubar Ckeen DasBee Silberchen iexcl0-8-15 1-1111 VanGore Mjk Groer Umaluagr Mkuemmerer Wendelin Cyper QdrDundak Liberatus Juesch Kdkeller Greuer Drap Garak76 MartinThoma Udo T Zaungast Stephantom Pelz ML Thorbjoern Hein-te Diba Blech Zahnstein Renekaemmerer He3nry SchorSch Ion Tauwasser Bobbl Rosa Lux Gerbil Ulfbastel Hubertl MrVVooUebel H2h Liberal Freemason Quirin Leonce49 Blaubahn Flominator RedBot Anhi Dein Freund der Baum Wkw1959 So66 Cle-mensfranz OKoslowski Itti Yahp Miaow Miaow Zaphiro Eneldo Onliner Wahldresdner Darok MovGP0 Muck Uwezi Loh SyrcroZweistein12 Olei Dantor Krischan111 Nize Uwe W Georg Slickers Amtiss Roterraecher RajHid STBR Jackalope Ephraim33JFKCom Andimx Suirenn Hydro Pajz Dktz RobotQuistnix Alanmak Euku Xocolatl Hermannthomas Eynre Savin 2005 AbrevFireball TheTruth Bahnemann Segelmaus Harf Jakob5 Zemy Nyneela Schmitty TobiWanKenobi DerHexer WAH Sesc RolandBerger Schlesinger Staro1 Mo4jolo GeorgHH MutluMan Nightflyer Matzematik PeterFrankfurt Tomreplay PortalBot Ing Schrouml-der Walter LKD Juuml Manecke Quelokee Mons Maenalus JoBa2282 Stepa Giessauf A Cellulesolaire Lemberger HillerD RadlfahrerHelfmann Logograph Mion KaiMeier Sepp Roest FabiBerg Flo422 Degreen Rai42 Rfc GruumlneErde Btr FelixP Wdwd PendulinAdipictures HAH Toumlnjes Kaumlpten Balu Andreas 06 Batosai Rex Akribix D-Kuru UnknownID01 Cramunhao BesondereUmstaende

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Avene DerGraueWolf Martin1978 Wassertraeger Pleonasty HRoestTypo EmausBot Halbarath Muumldigkeit ReinerSpass Mswisi Un-sterblicher TtIiMmOOO ZeacuteroBot Ottomanisch Dsfranzi Didym Striga Cologinux 30wiki04 Karle07 Ne discere cessa Rabax63Waithamai EnergieLabor Cassirer Randolph33 Mukitil Nummer4 Googolplex Flanschko Georgepauljohnringo Woltmers KrdbotHephaion Andol MerlIwBot Mikered KLBot2 Oguenther Thesurvived99 Herzoeglich Rudschuck Tomaacutes66 Gregou Boshomi Stei-ni77 Isjc99 Derschueler Hans Haase Schwunkel Smallandsimple Ciwd2 Nurax666 Krantnejie Rmcharb Kuschi51 Cimballi Redak-tionPflanze Datenundfakten Ragna314 Fico123456789 Buchbibliothek Blafnu Ferina53Solarous Kritzolina WhistlingBird Budu123Manni Lang HeicoH und Anonyme 686

152 Bilder

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24 15 TEXT- UND BILDQUELLEN AUTOREN UND LIZENZEN

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153 Inhaltslizenz

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Page 13: Solar Zelle

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4 Geschichte

rarr Hauptartikel Geschichte der Photovoltaik

Die Nutzung der Sonne zur Gewinnung von elektrischerEnergie kann man grob in das Jahr 1839 datieren DerFranzose Alexandre Edmond Becquerel stellte fest dasseine Batterie wenn man sie dem Sonnenlicht aussetzteine houmlhere Leistung hat als ohne Sonnenlicht Er nutz-te den Potentialunterschied zwischen einer verdunkeltenund einer belichteten Seite einer chemischen Loumlsung indie er zwei Platinelektroden eintauchte Als er nun die-se Konstruktion in die Sonne stellte beobachtete er dassein Strom zwischen den zwei Elektroden entstand So ent-deckte er den photovoltaischen Effekt konnte ihn aller-dings noch nicht erklaumlren Spaumlter wies man nach dassauch andere Materialien wie Kupfer photoleitfaumlhig sind

Die Photoleitfaumlhigkeit wurde bei Selen 1873 nachgewie-sen Zehn Jahre spaumlter wurde die erste bdquoklassischeldquo Pho-tozelle aus Selen gefertigt Wiederum zehn Jahre spaumlter1893 wurde die erste Solarzelle zur Erzeugung von Elek-trizitaumlt gebaut

1904 entdeckte der oumlsterreichisch-ungarische PhysikerPhilipp Lenard dass Lichtstrahlen beim Auftreffen aufbestimmte Metalle Elektronen aus deren Oberflaumlche her-ausloumlsen und lieferte damit die ersten Erklaumlrungen fuumlrdenEffekt der Photovoltaik Ein Jahr spaumlter erhielt er den No-belpreis fuumlr Physik fuumlr die Erforschung des Durchgan-ges von Kathodenstrahlen durch Materie und fuumlr seineElektronentheorie Den endguumlltigen Durchbruch schaffte1905 Albert Einstein als er mit Hilfe der Quantentheo-rie die gleichzeitige Existenz des Lichtes sowohl als Welleals auch als Teilchen erklaumlren konnte Bis dahin glaubteman dass Licht nur als eine Energie mit unterschiedlicherWellenlaumlnge auftritt Doch Einstein stellte in seinen Ver-suchen die Photovoltaik zu erklaumlren fest dass sich Lichtin manchen Situationen genauso wie ein Teilchen verhaumlltund dass die Energie jedes Lichtteilchens oder Photonsnur von der Wellenlaumlnge des Lichts abhaumlngt Er beschriebdas Licht als eine Ansammlung von Geschossen die aufdas Metall treffen Wenn diese Geschosse genuumlgend En-

ergie besitzen wird ein freies Elektron das sich im Me-tall befindet und von einem Photon getroffen wird vomMetall geloumlst Auszligerdem entdeckte er dass die maxima-le kinetische Energie der losgeloumlsten Elektronen von derIntensitaumlt des Lichtes unabhaumlngig ist und nur durch dieEnergie des auftreffenden Photons bestimmt wird DieseEnergie haumlngt wiederum nur von der Wellenlaumlnge (oderder Frequenz) des Lichtes ab Fuumlr seine Arbeit zum pho-toelektrischen Effekt erhielt er 1921 den Nobelpreis fuumlrPhysik

Die Entdeckung des p-n-Uumlbergangs (Kristallgleichrich-ters) im Jahre 1947 durch William B Shockley Walther

H Brattain und John Bardeen war ein weiterer groszligerSchritt zur Solarzelle in ihrer heutigen Form Nach die-sen Entdeckungen stand dem Bau einer Solarzelle in ih-

rer heutigen Form nichts mehr entgegen Es ist jedocheinem gluumlcklichen Zufall zu verdanken dass diese ersteSolarzelle 1954 in den Laboratorien der amerikanischenFirma Bell gebaut wurde Die Mitarbeiter der Firma (un-ter Teamleiter Morton Price) beobachteten als sie einenGleichrichter der mit Hilfe von Silicium arbeitete un-

tersuchten dass dieser mehr Strom lieferte wenn er inder Sonne stand als wenn er zugedeckt war Bei Bell er-kannte man schnell den Nutzen dieser Entdeckung zurVersorgung des Telefonnetzes von laumlndlichen Regionenmit Strom was bis dahin noch mit Batterien geschah DieFirma Bell genauer Daryl Chapin Calvin Souther Fullerund Gerald Pearson entwickelte 1953 die erste mit Arsendotierte Solarzelle auf Siliciumbasis welche einen Wir-kungsgrad von etwa 4 besaszlig Durch den Wechsel desDotierungsmittels konnte der Wirkungsgrad auf etwa 6 erhoumlht werden

Modell von Vanguard 1

Die Raumfahrt erkannte sehr schnell den Nutzen derSolartechnik und ruumlstete 1958 zum ersten Mal einenSatelliten mit Solarzellen aus Vanguard 1 startete am17 Maumlrz 1958 und war erst der vierte Satellit uumlber-haupt Er besaszlig ein Solarpanel welches mit 108 Silicium-Solarzellen ausgestattet war Diese dienten nur als Lade-

station der Akkus und nicht zur direkten Stromversor-gung Dabei wurde errechnet dass die Zellen einen Wir-kungsgrad von 105 besaszligen Die Konstrukteure hatteneine geringere Energieausbeute und eine kuumlrzere Lebens-dauer angenommen so dass man diesen Satelliten nichtmit einem bdquoAusschalterldquo versehen hatte Erst nach achtJahren stellte der Satellit aufgrund von Strahlenschaumldenseinen Betrieb ein

Kurz darauf entstand die CdS-Cu2S-Solarzelle die bisAnfang der 1990er noch in Satelliten eingesetzt wurdenHeutige Satelliten sind zum Vergleich mit Vanguard I mitrund 40000 Solarzellen ausgestattet

Im Weltraum steht der natuumlrlichen Sonnenstrahlung imVergleich zur Erdoberflaumlche nichts entgegen keine Wol-kendecken und keine Strahlung absorbierende und mehr

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14 5 FORMEN UND GROumlszligEN

oder weniger verschmutzte Atmosphaumlre die das Sonnen-licht behindert Andererseits fuumlhren die extremen Strah-lungsverhaumlltnisse im Weltraum zu einer staumlrkeren Degra-dation der Solarzellen als es auf der Erde der Fall ist Seit-her versuchen Industrie und Forschung immer groumlszligereWirkungsgrade zu erreichen und zugleich die Degradati-

on und Strahlungsresistenz zu verbessern

Grafik Juno vor dem Jupiter

Uumlblicherweise werden Raumsonden im inneren Sonnen-system durch Solarzellen mit Strom versorgt Dadurchdass heutige fuumlr Raumfahrtzwecke verwendete Solarzel-len nicht nur 50 effizienter sondern auch strahlungs-resistenter als die noch vor 20 Jahren verwendeten Sili-

ciumzellen sind[49] kann im Jahr 2011 die RaumsondeJuno als erste mit Solarzellen ausgeruumlstete Raumsondezum in Strahlung getauchten Planeten Jupiter starten

Durch die Verwendung reineren Siliciums und bessererDotierungsmoumlglichkeiten wurde der Wirkungsgrad ge-steigert und die Lebensdauer erhoumlht Mandelkorn undLamneck verbesserten die Lebensdauer der Zellen 1972durch eine Reflexion der Minoritaumltsladungstraumlger in demsie ein sogenanntes back surfaces field (BSF) in die p-leitende Schicht einbrachten 1973 stellten Lindmayerund Ellison die sog violette Zelle vor die bereits ei-nen Wirkungsgrad von 14 besaszlig Durch das Reduzie-

ren des Reflexionsvermoumlgens wurde 1975 der Wirkungs-grad auf 16 gesteigert Diese Zellen heiszligen CNR-Solarzellen (englisch Comsat Non Reflection Comsat =Telefonsatellit ) und wurden fuumlr Satelliten entwickelt In-zwischen sind von Green sowie an der Stanford Univer-sitaumlt und bei Telefunken Solarzellen mit Wirkungsgradenum 20 entwickelt worden Der theoretische Wirkungs-grad fuumlr Silicium-Solarzellen liegt bei 29 fuumlr die Strah-lungsverhaumlltnisse in mittleren Breiten Zu den Wirkungs-graden siehe auch technische Merkmale

Maszliggeblicher Anstoszlig fuumlr diese Entwicklung war Anfangder Siebziger die Vervierfachung des Oumllpreises Nach

dieser Preissteigerung rief Richard Nixon 1974 ein For-schungsprogramm ins Leben welches sich mit regenera-tiven Energien auseinandersetzte Bis dahin kostete jedes

Watt 200 Dollar und war somit nicht konkurrenzfaumlhigUm die Akzeptanz und das Vertrauen bei der Bevoumllke-rung zu gewinnen wurden Anfang der 1980er Rennenmit Solarmobilen ausgetragen und im Juli 1981 uumlber-querte ein mit Solarkraft angetriebenes Flugzeug den Aumlr-melkanal

Duumlnnschichtmodule aus amorphenSilicium ermoumlglichtendie autonome Versorgung von Taschenrechnern Uhrenund anderen Kleinverbrauchern

Module mit kristallinen Zellen wurden zunaumlchst fuumlr Insel-Systeme mit 12 V Systemspannung auf der Basis einerBleibatterie genutzt Ab 1990 begann in Deutschland mitdem 1000-Daumlcher-Programm der groszligflaumlchige Einsatz innetzgekopplten Systemen

Bis gegen Ende der 1990er Jahre waren Zellen mit et-wa 100 mm Kantenlaumlnge (im Fachjargon auch Vier-Zoll-Zellen genannt) und 36 Zellen pro Modul fuumlr 12-V-

Systeme die uumlblichste Baugroumlszlige Danach wurden 125-mm-Zellen (5rdquo) verstaumlrkt fuumlr Module mit 72 Zellen fuumlr 24V Systemspannung genutzt und seit etwa 2002 sind 156-mm-Zellen (Kantenlaumlnge 156 mm bzw 6 Zoll) fuumlr Stan-dardmodule mit typisch 60 Zellen die gaumlngige Groumlszlige[50]

Versuche zur Einfuumlhrung von 8-Zellen wurden abge-brochen da die mechanische Stabilitaumlt eine Erhoumlhungder Waferdicke und damit des Materialeinsatzes erfor-dert haumltte

Ab 2007 konnten Duumlnnschichtmodule mit Zellen aus Cd-Te der Firma FirstSolar einen Preisrutsch fuumlr Solarmo-dule ausloumlsen Werke fuumlr Module mit CIS- und CIGS-

Zellen wurden aufgebaut Aber seit 2012 haben Moduleaus kristallinem Silicium gefertigt in China mit ihremKostenvorteil zusammen mit der inzwischen gesichertenVersorgung mit ausreichend Rohsilicium den Markt er-obert

5 Formen und Groumlszligen

Zu Beginn der Kommerzialisierung der Solartechnikwurden haumlufig runde Zellen eingesetzt deren Ursprung

von den meist runden Siliciumstaumlben der Computerin-dustrie herruumlhrt Inzwischen ist diese Zellenform relativselten und es werden quadratische Zellen oder fast qua-dratische mit mehr oder weniger abgeschraumlgten Eckeneingesetzt Als Standardformate werden derzeit Wafermit einer Kantenlaumlnge von 125 und 156 mm prozessiertkuumlnftig sollen aber auch Zellen mit einer Kantenlaumlnge von210 mm Bedeutung erlangen

Durch Saumlgen der fertig prozessierten Zellen entstehen fuumlrspezielle Anwendungen im Kleingeraumltebereich auch Zel-len mit kleineren Kantenlaumlngen Sie liefern annaumlhernd diegleiche Spannung wie die groszligen Zellen jedoch entspre-

chend der kleineren Flaumlche einen kleineren StromIm EFG-Verfahren werden auch Zellen hergestellt beidenen die Seiten des entstehenden Rechtecks nicht die

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61 Thermodynamisches Limit I 15

gleichen Laumlngen haben

6 Wirkungsgrad

Vergleich der praktisch erzielbaren Wirkungsgrade verschie-

dener Solarzellen und deren zeitliche Entwicklung Die vio-letten Kurven im oberen Bereich stellen sogenannte Tandem-Solarzellen eine Kombination verschiedener pn-Uumlbergaumlnge dar

Der Wirkungsgrad η einer Solarzelle ist das Verhaumlltnisder von ihr erzeugten elektrischen Leistung P elektrisch undder Leistung der einfallenden Strahlung P Licht

η = P elektrisch

P Licht

Der maximale Wirkungsgrad η einer Solarzelle ist vom

Bandabstand und der Anzahl der auf verschiedene Spek-tralbereiche optimierten pn-Uumlbergaumlnge abhaumlngig Bei ei-nem pn-Uumlbergang ist bei optimalem Bandabstand unddarauf in der Wellenlaumlnge abgestimmtem Licht theo-retisch ein Wirkungsgrad von bis zu 41 erzielbarIn praktischen Anwendungen liegen tatsaumlchlich erziel-bare Wirkungsgrade um und unter 25 Bei Tandem-Solarzellen welche durch mehrere unterschiedliche pn-Uumlbergaumlnge groumlszligere Spektralbereiche abdecken koumlnnenkoumlnnen die Gesamtwirkungsgrade aller pn-Uumlbergaumlnge inSumme auch uumlber der theoretischen Grenze von 41 liegen

Der Rekord fuumlr im Labor hergestellte Silicium-Solarzellen liegt bei 247 Prozent (University of NewSouth Wales Australien) mit denen Module mit uumlber22 Prozent Wirkungsgrad hergestellt wurden DieDegradation des Wirkungsgrades (Alterungsverhalten)liegt bei ca 10 Prozent in 25 Jahren Hersteller gebenbeispielsweise Garantien auf mindestens 80 Prozent derPeak-Leistung nach 20 Jahren

Im Weltraum ist einerseits die Solarkonstante groumlszliger alsdie Globalstrahlung auf der Erde andererseits altern dieSolarzellen schneller Solarpanele fuumlr Satelliten erreichenzur Zeit (2005) einen Wirkungsgrad von fast 25 [51] bei

einer Betriebszeit von 15 JahrenEin hoher Wirkungsgrad ist erstrebenswert weil er beigleichen Lichtverhaumlltnissen und gleicher Flaumlche zu einer

groumlszligeren Ausbeute an elektrischem Strom fuumlhrt Fuumlr jedeMaschine die auf der Erde aus Sonnenlicht oder auf an-dere Weise mechanische oder elektrische Arbeit erzeugt(z B Aufwindkraftwerke Stirlingmotoren etc) gilt einthermodynamisches Limit

61 Thermodynamisches Limit I

Die groumlbste Abschaumltzung des Wirkungsgrades erhaumllt mandurch den Carnot-Wirkungsgrad Er beschreibt den ma-ximalen Wirkungsgrad den eine beliebige physikalischeMaschine erreichen kann wenn sie ihre Energie aus derTemperaturdifferenz von zwei Waumlrmebaumldern beziehtDer Carnot-Wirkungsgrad ergibt sich aus der Tempera-tur T warm des waumlrmeren Bades und der Temperatur T kalt

des kaumllteren Bades gemaumlszlig

η = 1 minusT kalt

T warm

Im Falle der Solarzelle ist das waumlrmere Energiebaddie Sonnenoberflaumlche mit einer Temperatur von etwa5800 K und das kaumlltere Bad die Solarzelle mit einerTemperatur von 300 K Daraus ergibt sich ein Carnot-Wirkungsgrad von 95 Im Weltraum genutzte Solarzel-len haben infolge der houmlheren Temperaturdifferenz ent-sprechend houmlhere Wirkungsgrade

62 Thermodynamisches Limit II

Die Abschaumltzung im obigen Abschnitt vernachlaumlssigtdass die Energie von der Sonne zur Solarzelle durchStrahlung uumlbertragen wird In einem ausfuumlhrlicheren Mo-dell setzt man vor die Solarzelle einen Absorber Dieserabsorbiert die Strahlung der Sonne und strahlt selber ei-nen kleinen Teil der Waumlrmestrahlung wieder an die Sonneab Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz flieszligt somit ins-gesamt die Waumlrmeleistung

σT 4Sonne minus σT 4Absorber

von der Sonne zum Absorber wobei σ die Stefan-Boltzmann-Konstante ist Nach dem Carnot-Wirkungsgrad kann der Absorber von dieser Waumlrme nurden Anteil

1 minusT Solarzelle

T Absorber

in elektrische Arbeit uumlberfuumlhren Der Wirkungsgrad be-stimmt sich nun aus diesem Anteil und der gesamten vonder Sonne abgestrahlten Leistung σT 4Sonne zu

η =

9830801 minus

T 4Absorber

T 4Sonne

983081 middot

9830801 minus

T Solarzelle

T Absorber

983081

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16 7 TECHNISCHE MERKMALE

Bei einer Temperatur von 5800 K fuumlr die Sonnenober-flaumlche und 300 K Umgebungstemperatur wird der Wir-kungsgrad bei einer Absorbertemperatur von etwa 2500K maximal und betraumlgt 85 [57]

63 Shockley-Queisser-Grenze

0 1 2 30

10

20

30

m a

x

W i r k u n g s g r a d i n

Bandabstand in eV

Maximaler Wirkungsgrad als Funktion des Bandabstandes wiees die Shockley-Queisser-Grenze beschreibt

rarr Hauptartikel Shockley-Queisser-Grenze

Die Shockley-Queisser-Grenze betrachtet den fuumlr Solar-zellen typischen Anregungsprozess von Elektronen in ei-nem Halbleiter In einer Solarzelle wird dadurch Licht in

elektrische Energie umgewandelt dass das Licht Elek-tronen aus dem Valenzband in das Leitungsband anregtNur ein schmaler Ausschnitt des angebotenen Energie-spektrums wird genutzt Der theoretische Grenzwert en-ergieselektiver Zellen ist deshalb kleiner als das thermo-dynamische Limit eines Gesamtsystems

Entscheidend fuumlr die Energie die man pro angeregtemElektron gewinnen kann ist dabei die Groumlszlige der Bandluuml-cke E g des Halbleiters Unabhaumlngig davon wie weit dasElektron uumlber die untere Kante des Leitungsbandes an-geregt wird erhaumllt man pro Elektron maximal die Ener-gie der Bandluumlcke als elektrische Energie Bei der elektri-

schen Leistung die man aus allen angeregten Elektronengewinnt muss man beruumlcksichtigen dass bei einer klei-nen Bandluumlcke mehr Elektronen erzeugt werden Bei ei-ner groszligen Bandluumlcke hat jedes einzelne Elektron dafuumlrmehr Energie Es muss daher ein Kompromiss aus fol-genden Grenzfaumlllen gefunden werden

bull Groszlige Bandluumlcke Nur energiereiches Licht (blauesund ultraviolettes Licht) kann Elektronen erzeugenda laumlngere Wellenlaumlngen nicht absorbiert werdenWegen der groszligen Bandluumlcke besitzt jedes Elektroneine hohe Energie

bull Kleine Bandluumlcke Auch langwelliges Licht kannElektronen anregen so dass insgesamt viele Elektro-

nen ins Leitungsband angeregt werden Diese ver-lieren jedoch durch Stoszligprozesse mit dem Kristall-gitter in wenigen hundert Femtosekunden einen Teilihrer Energie bis sie nur noch die Energie der Band-luumlcke besitzen

Die Shockley-Queisser-Grenze gilt fuumlr den Fall einer Zel-le mit nur einem pn-Uumlbergang Mit sogenanntenTandem-Solarzellen (englisch multi-junction solar cell ) in de-nen mehrere pn-Uumlbergaumlnge mit verschiedenen Band-luumlcken kombiniert sind koumlnnen prinzipiell auch houml-here Wirkungsgrade erreicht werden siehe AbschnittMehrfachsolarzellen

7 Technische Merkmale

Die Kenngroumlszligen einer Solarzelle werden fuumlr normierteBedingungen die Standard-Testbedingungen haumlufig ab-gekuumlrzt STC (englisch Standard Test Conditions ) angege-ben

bull Einstrahlungsstaumlrke von1000 Wmsup2in Modulebene

bull Temperatur der Solarzelle 25 degC konstant

bull Strahlungsspektrum AM 15 global DIN EN 61215IEC 1215 DIN EN 60904 IEC 904

Dabei steht AM 15 global fuumlr den Begriff Air Mass die

15 dafuumlr dass die Sonnenstrahlen das 15-fache der At-mosphaumlrenhoumlhe durchlaufen weil sie schraumlg auftreffenDas entspricht sehr gut den sommerlichen Gegebenhei-ten in Mitteleuropa von Norditalien bis MittelschwedenIm Winter steht die Sonne in unseren Breiten erheblichtiefer und ein Wert von AM 4 bis AM 6 ist hier realisti-scher

Durch die Absorption in der Atmosphaumlre verschiebt sichauch das Spektrum des auf das Modul treffenden Lich-tes bdquoGloballdquo steht fuumlr Globalstrahlung die sich aus demDiffus- und dem Direktstrahlungsanteil der Sonne zusam-mensetzt

Dabei ist zu beachten dass in der Realitaumlt insbesonderedie Zellentemperatur bei einer solchen Einstrahlung diein Deutschland im Sommer zur Mittagszeit erreicht wirdbei normalem Betrieb wesentlich houmlher liegt (je nach An-bringung Windanstroumlmung etc kann sie zwischen etwa30 und 60 degC liegen) Eine erhoumlhte Zellentemperatur be-deutet aber gleichzeitig einen herabgesetzten Wirkungs-grad der Solarzelle Aus diesem Grund wurde auch eineweitere Bezugsgroumlszlige geschaffen PNOCT die Leistungbei normaler Betriebstemperatur (normal operating celltemperature)

Gebraumluchliche Abkuumlrzungen fuumlr die Bezeichnungen sind

bull SC Short Circuit ndash Kurzschluss

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71 Schaltbilder 17

Stromstaumlrke I Leistung P

e r z e u g

t e L e i s

t u n g

Spannung U

o h

n e

B e l e

u c h t u

n g

m i t

B e l e

u c h t u

n g

Kurzschluszligstrom

Leerlaufspannung

Punkt maximaler

Leistung

oc

I

I

mp UU

mp

sc

Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzelle beleuchtet und un-beleuchtet

bull OC Open Circuit ndash Leerlauf

bull MPP Maximum Power Point ndash Betriebspunkt ma-ximaler Leistung

bull PR Performance Ratio Qualitaumltsfaktor der an-gibt welcher Teil des vom Solargenerator erzeug-ten Stromertrages (unter Nennbedingungen) real zurVerfuumlgung steht

Die Kennwerte einer Solarzelle sind

bull Leerlaufspannung U OC (auch V OC )

bull Kurzschlussstrom I SC

bull Spannung im bestmoumlglichen Betriebspunkt U MPP

(auch V MPP )

bull Strom im Betriebspunkt mit maximaler LeistungI MPP

bull Maximale erzielbare Leistung P MPP Solarzellenher-steller geben diese unter standardisierten Bedin-gungen maximal erzielbare Leistung in der Einheit

kWp sprich bdquoKilowatt-Peakldquo an

bull Fuumlllfaktor F F = PMPPU OCmiddotI SC

bull Koeffizient fuumlr die Leistungsaumlnderung mit der Zell-temperatur

bull Zellwirkungsgrad η = P MPPAmiddotE e

mit der bestrahlten Flauml-che A und der Bestrahlungsstaumlrke E e

Solarzellen koumlnnen also eine Leistung von sehr grob 160Wmsup2 abgeben Eingebaut in ein Modul ist die Leistung

pro Flaumlche geringer da zwischen den Zellen und zumModulrand Abstaumlnde vorhanden sind Im Weltraum wirdeine Leistung von 220 Watt pro Quadratmeter erzielt[58]

Schaltsymbol einer Fotodiode

Schaltzeichen und einfaches Ersatzschaltbild einer Solarzelle

71 Schaltbilder

Das Schaltsymbol einer Solarzelle gibt wie das Schalt-symbol einer Diode oder Photodiode mit einem Pfeil

die technische Stromrichtung zur Verschaltung an DerKennlinienverlauf einer realen Solarzelle weicht aller-dings von der einer idealen Fotodiode ab Um die-se Abweichungen zu modellieren existieren mehrereErsatzschaltbilder

711 Vereinfachtes Ersatzschaltbild

Das Schaltbild besteht zunaumlchst nur aus einerStromquelle die parallel zu einer idealen Diode ge-schaltet wird Diese produziert einen Strom der vonder Bestrahlungsstaumlrke abhaumlngt und den Photostrom I ph

modelliert Die Gesamtstromstaumlrke ergibt sich damit mitdem Diodenstrom I D (siehe Diode) zu

I = I ph minus I D = I ph minus I S

983131e

U DnmiddotU T minus 1

983133

712 Erweitertes Ersatzschaltbild (Ein- undZweidiodenmodell)

Das erweiterte Ersatzschaltbild nimmt Ruumlcksicht auf rea-le Faktoren des Bauelementes die durch die Fertigung

entstehen Mit diesen Modellen soll ein moumlglichst rea-listisches Modell der tatsaumlchlichen Solarzelle geschaffenwerden Beim Eindiodenmodell wird so das vereinfach-

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18 9 UMWELTSCHUTZ

Eindiodenmodell einer Solarzelle

te Ersatzschaltbild zunaumlchst nur durch einen parallel undeinen in Reihe geschalteten Widerstand ergaumlnzt

bull Der Parallelwiderstand Rp symbolisiertKristallfehler nichtideale Dotierungsverteilungenund andere Materialdefekte durch dieVerluststroumlme entstehen die den p-n-Uumlberganguumlberbruumlcken Bei Solarzellen aus guter Herstellungist dieser Widerstand relativ groszlig

bull Mit dem Serienwiderstand Rs werden alle Effektezusammengefasst durch die ein houmlherer Gesamtwi-derstand des Bauelementes entsteht Das sind haupt-saumlchlich der Widerstand des Halbleitermaterials derWiderstand an den Kontakten und der ZuleitungenDiese Groumlszlige sollte bei gefertigten Solarzellen moumlg-lichst gering sein

Die Formel fuumlr den Gesamtstrom ist fuumlr dieses Modellbereits eine rekursive Funktion und lautet

I = I phminusI dminusU p

Rp= I phminusI S

983131eU +RsmiddotInmiddotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

Beim Uumlbergang zum Zweidiodenmodell fuumlgt man ei-

Zweidiodenmodell mit spannungsgesteuerter Stromquelle fuumlr denLawinendurchbruch in Sperr-Richtung

ne weitere Diode mit einem anderen Idealitaumltsfaktor nein Normalerweise werden diese uumlber die Werte 1 und2 angesetzt Weiterhin lassen sich alle diese Modellebei Betrieb in Sperr-Richtung durch eine spannungsge-steuerte Stromquelle ergaumlnzen um den Lawinendurch-bruch zu modellieren Die Formeln fuumlr die Stroumlme beim

Zweidiodenmodell lauten dann bei Anpassungsleitwert g Durchbruchspannung U und Lawinendurchbruchex-ponent n

I = I phminusI bminusI S1

983131eU +RsmiddotIn1middotU T minus 1

983133minusI S2

983131eU +RsmiddotIn2middotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

I b = gb middot

(U + Rs middot I )

Rpmiddot983080

1 minus

U + Rs middot I

U b983081minusnb

8 Energetische Amortisation undErntefaktoren

Siehe auch Erntefaktor

Die energetische Amortisationszeit ist der Zeitpunkt zudem die fuumlr die Herstellung einer Photovoltaikanlage auf-gewandte Primaumlrenergie durch selbige wieder erzeugt

wurde Da die bei der Produktion genutzte elektrischeEnergie zu den Sekundaumlrenergien zaumlhlt wird diese mitdem Wirkungsgrad eines fossilen Kraftwerkes in Pri-maumlrenergie umgerechnet Dementsprechend erfolgt dieseUmrechnung auch bei der erzeugten elektrischen Energieder Solarzelle Analog kann man sich vorstellen dass diePhotovoltaikanlage den Strom aus einem konventionellenKraftwerk ersetzt[59]

Die energetische Amortisationszeit von Photovoltaikan-lagen betraumlgt derzeit (Stand 2013) nach einer Studie vonPeng et al global betrachtet zwischen 075 und 35 Jah-ren je nach Standort und verwendeter Photovoltaiktech-

nologie Der Mittelwert schwankt im Bereich von ca15 bis 25 Jahren Dies bedeutet in diesem Zeitraumhat die Photovoltaikanlage wieder die Energie hereinge-spielt die insgesamt waumlhrend ihres gesamten Lebenszy-klus verbraucht wurde Beruumlcksichtigt sind also die Her-stellung der Anlagen ihr Transport die Errichtung Be-trieb und der Ruumlckbau bzw Recycling Die rechnerischenCO2-Emissionen von Photovoltaikanlagen je nach Tech-nik und Standort zwischen 105 und 50 g CO2kWh mitDurchschnitten im Bereich 35 bis 45 g CO2kWh AlsLebensdauer wurde in der Studie 30 Jahre fuumlr Moduleauf Basis kristalliner Siliciumzellen und 20-25 Jahren fuumlr

Duumlnnschichtmodule angenommen fuumlr Lebensdauer derWechselrichter wurden 15 Jahre angenommen[60] Photo-voltaikanlagen liefern demnach waumlhrend ihrer Betriebs-zeit ein Vielfaches der Energie die zu ihrer Herstellungurspruumlnglich aufgewandt wurde

9 Umweltschutz

Die Herstellung photovoltaischer Solarzellen ist ein che-mischer Prozess bei dem gasfoumlrmige fluumlssige und fes-te Chemikalien zum Einsatz kommen die gesundheits-

und umweltschaumldlich sind Aus diesem Grund ist ein ho-her Standard der Prozesssicherheit zentral Unter Ar-beitsschutzaspekten ist eine sichere Ablufterfassung und

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19

Reinigung zu gewaumlhrleisten Bei dem Einsatz von Nass-waumlschern wird die Abluft durch ein fluumlssiges Absorpti-onsmedium geleitet Wenn dieses aufgebraucht ist ent-steht eine weitere Abwasserquelle neben den Aumltzloumlsun-gen aus der Produktion Diese muumlssen innerbetrieblichwiederaufbereitet oder spezialisierten Entsorgern uumlber-

geben werden Bei der Herstellung von Duumlnnschicht-halbleitern kommt es an den Waumlnden und Aufbautender Prozesskammer zu siliciumhaltigen AblagerungenDie Ruumlckstaumlnde muumlssen regelmaumlszligig entfernt werden dasie den Prozess stoumlren und zu Qualitaumltseinbuszligen fuumlh-ren Zum Entfernen der Ruumlckstaumlnde verwendet manSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid als Reini-gungsgase Beide Gase sind zwar ungiftig gleichwohlaber sehr starke Treibhausgase[61] In der Zellproduk-tion muumlssen die Reinigungsgase mit hoher Volumen-flussrate eingesetzt werden da sie chemisch sehr sta-bil sind und im Plasma zu weniger als 10 in rei-

nigungsaktive Radikale zerfallen Ein Groszligteil des Ga-ses bleibt somit ungenutzt und muss kostenintensiv ent-sorgt werden Zum Teil entweicht es ndash gewollt oder un-gewollt ndash direkt in die Umwelt Hieraus erklaumlrt sichu a auch der kuumlrzlich gemessene starke Anstieg derStickstofftrifluoridkonzentration in der Hochatmosphauml-re besonders uumlber Ost- und Suumldostasien An Stelle vonSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid kann auchdas sehr reaktive Halogen Fluor als Reinigungsgas ver-wendet werden Fluor ist sehr giftig es ist jedoch keinTreibhausgas Auszligerdem laumlsst es sich sehr leicht undruumlckstandsfrei aus Abgasstroumlmen entfernen

Einige Solarzelltypen verwenden anstelle von SiliciumStoffe wie z B toxisches oder karzinogenes CadmiumArsen bzw deren Verbindungen sowie Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid Ein typisches Cadmiumtellurid-Solarmodul enthaumllt zum Beispiel ca 22 g des gefaumlhrli-chen Schwermetalls Cadmium und 25 g Tellur pro msup2Zellflaumlche[62] Bei der Produktion werden beide Sub-stanzen durch Co-Verdampfung auf das Traumlgermaterialaufgebracht Die Co-Verdampfung ist ein ungerichteterProzess bei dem die gesamte Innenoberflaumlche derBeschichtungskammer mit Duumlnnschichten aus TellurCadmiumtellurid Cadmiumsulfid und Antimontelluriduumlberzogen werden Der Materialverbrauch erhoumlht sich

dadurch um mindestens weitere 40

Bei der regelmaumlszligigen Reinigung der Produktionskam-mer mit waumlssriger Saumlure ndash die Reinigung erfolgt ma-nuell ndash werden die Ruumlckstaumlnde in eine waumlssrige Louml-sung uumlberfuumlhrt Neben der eigentlichen Zellprodukti-on stellt also auch die Reinigung der Produktions-anlagen eine Herausforderung an Umweltschutz undArbeitsschutz dar[63][64][65][66][67] Eine neuere Unter-suchung versucht die geringere Gefaumlhrdung die vonCadmiumtellurid-Zellen im Vergleich zur Kohleverbren-nung ausgeht nachzuweisen[36] Produktionsruumlckstaumln-de und Emissionen koumlnnen zu Langzeitschaumlden und

Altlasten fuumlhren Gleiches gilt bei unsachgemaumlszliger Ent-sorgung fuumlr die Altzellen Die Photovoltaik unterschei-

det sich in diesem Aspekt von anderen Technologien zurNutzung regenerativer Energien

10 Sicherheitsbetrachtung

Fuumlr Schutzmaszlignahmen im Brandfall und Blitzeinschlagsiehe Photovoltaikanlage

11 Siehe auch

bull Halbleiterdetektor

bull Sonnensimulator (Photovoltaik)

12 Literatur

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bull Volker Quaschning Regenerative Energiesysteme 8Auflage Hanser Muumlnchen 2013 ISBN 978-3-446-

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bull Viktor Wesselak Thomas Schabbach ThomasLink Joachim Fischer Regenerative Energietech-nik 2 erweiterte und vollstaumlndig neu bearbeite-te Auflage Springer Vieweg Berlin Heidelberg2013 ISBN 978-3-642-24165-9

bull Peter Wuumlrfel Physik der Solarzellen SpektrumAkademischer Verlag Heidelberg 2000 ISBN 3-8274-0598-X (= Spektrum Hochschultaschenbuch)

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20 14 EINZELNACHWEISE

13 Weblinks

Commons Solarzelle ndash Album mit Bildern Videosund Audiodateien

Wikibooks Herstellung von Solarzellen ndash Lern-

und Lehrmaterialien

bull Die Solarmaus ndash Entstehung der Solarzelle mit Ar-min Maiwald (YouTube-Video)

bull PV-Education ndash detaillierte Online-Vorlesung mitGrundlagen und Anwendungen zur PV (englisch)

bull Photovoltaik ndash Innovationen (BINE Informations-dienst)

14 Einzelnachweise

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22 14 EINZELNACHWEISE

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15 Text- und Bildquellen Autoren und Lizenzen

151 Text

bull Solarzelle Quelle httpdewikipediaorgwikiSolarzelleoldid=138856800 Autoren Fgb RobertLechner Schewek Igelball Aka StefanKuumlhn Lukian Onno Ilja Lorek Head El GNosis Atman Sun Tsor Matthaumlus Wander Seewolf HenrikHolke Honina Pstaudt-fischbachSchusch GDK Migas Paddy Zwobot Kai11 D HaeB ArtMechanic Hadhuey Robbot Pm Anton HaSee Rdb Boehm ZumboDirk33 AndreasB Pietz Soundray Sinn Peter200 Schmiddtchen Fuenfundachtzig Breeze Magadan Fetz Braun Jdiemer StYxXxSebastianWilken Martin-vogel Mnh Ot Aloiswuest MAK Scorpion2211 Gerhardvalentin Jaques AshSert Philipendula STephanKambor Koerpertraining Nicolas PeeCee Duesentrieb AHZ Hendric Stattmann Kristjan Ri st Hafex Norro Cepheiden Christoph-Demmer Fubar Ckeen DasBee Silberchen iexcl0-8-15 1-1111 VanGore Mjk Groer Umaluagr Mkuemmerer Wendelin Cyper QdrDundak Liberatus Juesch Kdkeller Greuer Drap Garak76 MartinThoma Udo T Zaungast Stephantom Pelz ML Thorbjoern Hein-te Diba Blech Zahnstein Renekaemmerer He3nry SchorSch Ion Tauwasser Bobbl Rosa Lux Gerbil Ulfbastel Hubertl MrVVooUebel H2h Liberal Freemason Quirin Leonce49 Blaubahn Flominator RedBot Anhi Dein Freund der Baum Wkw1959 So66 Cle-mensfranz OKoslowski Itti Yahp Miaow Miaow Zaphiro Eneldo Onliner Wahldresdner Darok MovGP0 Muck Uwezi Loh SyrcroZweistein12 Olei Dantor Krischan111 Nize Uwe W Georg Slickers Amtiss Roterraecher RajHid STBR Jackalope Ephraim33JFKCom Andimx Suirenn Hydro Pajz Dktz RobotQuistnix Alanmak Euku Xocolatl Hermannthomas Eynre Savin 2005 AbrevFireball TheTruth Bahnemann Segelmaus Harf Jakob5 Zemy Nyneela Schmitty TobiWanKenobi DerHexer WAH Sesc RolandBerger Schlesinger Staro1 Mo4jolo GeorgHH MutluMan Nightflyer Matzematik PeterFrankfurt Tomreplay PortalBot Ing Schrouml-der Walter LKD Juuml Manecke Quelokee Mons Maenalus JoBa2282 Stepa Giessauf A Cellulesolaire Lemberger HillerD RadlfahrerHelfmann Logograph Mion KaiMeier Sepp Roest FabiBerg Flo422 Degreen Rai42 Rfc GruumlneErde Btr FelixP Wdwd PendulinAdipictures HAH Toumlnjes Kaumlpten Balu Andreas 06 Batosai Rex Akribix D-Kuru UnknownID01 Cramunhao BesondereUmstaende

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Avene DerGraueWolf Martin1978 Wassertraeger Pleonasty HRoestTypo EmausBot Halbarath Muumldigkeit ReinerSpass Mswisi Un-sterblicher TtIiMmOOO ZeacuteroBot Ottomanisch Dsfranzi Didym Striga Cologinux 30wiki04 Karle07 Ne discere cessa Rabax63Waithamai EnergieLabor Cassirer Randolph33 Mukitil Nummer4 Googolplex Flanschko Georgepauljohnringo Woltmers KrdbotHephaion Andol MerlIwBot Mikered KLBot2 Oguenther Thesurvived99 Herzoeglich Rudschuck Tomaacutes66 Gregou Boshomi Stei-ni77 Isjc99 Derschueler Hans Haase Schwunkel Smallandsimple Ciwd2 Nurax666 Krantnejie Rmcharb Kuschi51 Cimballi Redak-tionPflanze Datenundfakten Ragna314 Fico123456789 Buchbibliothek Blafnu Ferina53Solarous Kritzolina WhistlingBird Budu123Manni Lang HeicoH und Anonyme 686

152 Bilder

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24 15 TEXT- UND BILDQUELLEN AUTOREN UND LIZENZEN

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Page 14: Solar Zelle

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14 5 FORMEN UND GROumlszligEN

oder weniger verschmutzte Atmosphaumlre die das Sonnen-licht behindert Andererseits fuumlhren die extremen Strah-lungsverhaumlltnisse im Weltraum zu einer staumlrkeren Degra-dation der Solarzellen als es auf der Erde der Fall ist Seit-her versuchen Industrie und Forschung immer groumlszligereWirkungsgrade zu erreichen und zugleich die Degradati-

on und Strahlungsresistenz zu verbessern

Grafik Juno vor dem Jupiter

Uumlblicherweise werden Raumsonden im inneren Sonnen-system durch Solarzellen mit Strom versorgt Dadurchdass heutige fuumlr Raumfahrtzwecke verwendete Solarzel-len nicht nur 50 effizienter sondern auch strahlungs-resistenter als die noch vor 20 Jahren verwendeten Sili-

ciumzellen sind[49] kann im Jahr 2011 die RaumsondeJuno als erste mit Solarzellen ausgeruumlstete Raumsondezum in Strahlung getauchten Planeten Jupiter starten

Durch die Verwendung reineren Siliciums und bessererDotierungsmoumlglichkeiten wurde der Wirkungsgrad ge-steigert und die Lebensdauer erhoumlht Mandelkorn undLamneck verbesserten die Lebensdauer der Zellen 1972durch eine Reflexion der Minoritaumltsladungstraumlger in demsie ein sogenanntes back surfaces field (BSF) in die p-leitende Schicht einbrachten 1973 stellten Lindmayerund Ellison die sog violette Zelle vor die bereits ei-nen Wirkungsgrad von 14 besaszlig Durch das Reduzie-

ren des Reflexionsvermoumlgens wurde 1975 der Wirkungs-grad auf 16 gesteigert Diese Zellen heiszligen CNR-Solarzellen (englisch Comsat Non Reflection Comsat =Telefonsatellit ) und wurden fuumlr Satelliten entwickelt In-zwischen sind von Green sowie an der Stanford Univer-sitaumlt und bei Telefunken Solarzellen mit Wirkungsgradenum 20 entwickelt worden Der theoretische Wirkungs-grad fuumlr Silicium-Solarzellen liegt bei 29 fuumlr die Strah-lungsverhaumlltnisse in mittleren Breiten Zu den Wirkungs-graden siehe auch technische Merkmale

Maszliggeblicher Anstoszlig fuumlr diese Entwicklung war Anfangder Siebziger die Vervierfachung des Oumllpreises Nach

dieser Preissteigerung rief Richard Nixon 1974 ein For-schungsprogramm ins Leben welches sich mit regenera-tiven Energien auseinandersetzte Bis dahin kostete jedes

Watt 200 Dollar und war somit nicht konkurrenzfaumlhigUm die Akzeptanz und das Vertrauen bei der Bevoumllke-rung zu gewinnen wurden Anfang der 1980er Rennenmit Solarmobilen ausgetragen und im Juli 1981 uumlber-querte ein mit Solarkraft angetriebenes Flugzeug den Aumlr-melkanal

Duumlnnschichtmodule aus amorphenSilicium ermoumlglichtendie autonome Versorgung von Taschenrechnern Uhrenund anderen Kleinverbrauchern

Module mit kristallinen Zellen wurden zunaumlchst fuumlr Insel-Systeme mit 12 V Systemspannung auf der Basis einerBleibatterie genutzt Ab 1990 begann in Deutschland mitdem 1000-Daumlcher-Programm der groszligflaumlchige Einsatz innetzgekopplten Systemen

Bis gegen Ende der 1990er Jahre waren Zellen mit et-wa 100 mm Kantenlaumlnge (im Fachjargon auch Vier-Zoll-Zellen genannt) und 36 Zellen pro Modul fuumlr 12-V-

Systeme die uumlblichste Baugroumlszlige Danach wurden 125-mm-Zellen (5rdquo) verstaumlrkt fuumlr Module mit 72 Zellen fuumlr 24V Systemspannung genutzt und seit etwa 2002 sind 156-mm-Zellen (Kantenlaumlnge 156 mm bzw 6 Zoll) fuumlr Stan-dardmodule mit typisch 60 Zellen die gaumlngige Groumlszlige[50]

Versuche zur Einfuumlhrung von 8-Zellen wurden abge-brochen da die mechanische Stabilitaumlt eine Erhoumlhungder Waferdicke und damit des Materialeinsatzes erfor-dert haumltte

Ab 2007 konnten Duumlnnschichtmodule mit Zellen aus Cd-Te der Firma FirstSolar einen Preisrutsch fuumlr Solarmo-dule ausloumlsen Werke fuumlr Module mit CIS- und CIGS-

Zellen wurden aufgebaut Aber seit 2012 haben Moduleaus kristallinem Silicium gefertigt in China mit ihremKostenvorteil zusammen mit der inzwischen gesichertenVersorgung mit ausreichend Rohsilicium den Markt er-obert

5 Formen und Groumlszligen

Zu Beginn der Kommerzialisierung der Solartechnikwurden haumlufig runde Zellen eingesetzt deren Ursprung

von den meist runden Siliciumstaumlben der Computerin-dustrie herruumlhrt Inzwischen ist diese Zellenform relativselten und es werden quadratische Zellen oder fast qua-dratische mit mehr oder weniger abgeschraumlgten Eckeneingesetzt Als Standardformate werden derzeit Wafermit einer Kantenlaumlnge von 125 und 156 mm prozessiertkuumlnftig sollen aber auch Zellen mit einer Kantenlaumlnge von210 mm Bedeutung erlangen

Durch Saumlgen der fertig prozessierten Zellen entstehen fuumlrspezielle Anwendungen im Kleingeraumltebereich auch Zel-len mit kleineren Kantenlaumlngen Sie liefern annaumlhernd diegleiche Spannung wie die groszligen Zellen jedoch entspre-

chend der kleineren Flaumlche einen kleineren StromIm EFG-Verfahren werden auch Zellen hergestellt beidenen die Seiten des entstehenden Rechtecks nicht die

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61 Thermodynamisches Limit I 15

gleichen Laumlngen haben

6 Wirkungsgrad

Vergleich der praktisch erzielbaren Wirkungsgrade verschie-

dener Solarzellen und deren zeitliche Entwicklung Die vio-letten Kurven im oberen Bereich stellen sogenannte Tandem-Solarzellen eine Kombination verschiedener pn-Uumlbergaumlnge dar

Der Wirkungsgrad η einer Solarzelle ist das Verhaumlltnisder von ihr erzeugten elektrischen Leistung P elektrisch undder Leistung der einfallenden Strahlung P Licht

η = P elektrisch

P Licht

Der maximale Wirkungsgrad η einer Solarzelle ist vom

Bandabstand und der Anzahl der auf verschiedene Spek-tralbereiche optimierten pn-Uumlbergaumlnge abhaumlngig Bei ei-nem pn-Uumlbergang ist bei optimalem Bandabstand unddarauf in der Wellenlaumlnge abgestimmtem Licht theo-retisch ein Wirkungsgrad von bis zu 41 erzielbarIn praktischen Anwendungen liegen tatsaumlchlich erziel-bare Wirkungsgrade um und unter 25 Bei Tandem-Solarzellen welche durch mehrere unterschiedliche pn-Uumlbergaumlnge groumlszligere Spektralbereiche abdecken koumlnnenkoumlnnen die Gesamtwirkungsgrade aller pn-Uumlbergaumlnge inSumme auch uumlber der theoretischen Grenze von 41 liegen

Der Rekord fuumlr im Labor hergestellte Silicium-Solarzellen liegt bei 247 Prozent (University of NewSouth Wales Australien) mit denen Module mit uumlber22 Prozent Wirkungsgrad hergestellt wurden DieDegradation des Wirkungsgrades (Alterungsverhalten)liegt bei ca 10 Prozent in 25 Jahren Hersteller gebenbeispielsweise Garantien auf mindestens 80 Prozent derPeak-Leistung nach 20 Jahren

Im Weltraum ist einerseits die Solarkonstante groumlszliger alsdie Globalstrahlung auf der Erde andererseits altern dieSolarzellen schneller Solarpanele fuumlr Satelliten erreichenzur Zeit (2005) einen Wirkungsgrad von fast 25 [51] bei

einer Betriebszeit von 15 JahrenEin hoher Wirkungsgrad ist erstrebenswert weil er beigleichen Lichtverhaumlltnissen und gleicher Flaumlche zu einer

groumlszligeren Ausbeute an elektrischem Strom fuumlhrt Fuumlr jedeMaschine die auf der Erde aus Sonnenlicht oder auf an-dere Weise mechanische oder elektrische Arbeit erzeugt(z B Aufwindkraftwerke Stirlingmotoren etc) gilt einthermodynamisches Limit

61 Thermodynamisches Limit I

Die groumlbste Abschaumltzung des Wirkungsgrades erhaumllt mandurch den Carnot-Wirkungsgrad Er beschreibt den ma-ximalen Wirkungsgrad den eine beliebige physikalischeMaschine erreichen kann wenn sie ihre Energie aus derTemperaturdifferenz von zwei Waumlrmebaumldern beziehtDer Carnot-Wirkungsgrad ergibt sich aus der Tempera-tur T warm des waumlrmeren Bades und der Temperatur T kalt

des kaumllteren Bades gemaumlszlig

η = 1 minusT kalt

T warm

Im Falle der Solarzelle ist das waumlrmere Energiebaddie Sonnenoberflaumlche mit einer Temperatur von etwa5800 K und das kaumlltere Bad die Solarzelle mit einerTemperatur von 300 K Daraus ergibt sich ein Carnot-Wirkungsgrad von 95 Im Weltraum genutzte Solarzel-len haben infolge der houmlheren Temperaturdifferenz ent-sprechend houmlhere Wirkungsgrade

62 Thermodynamisches Limit II

Die Abschaumltzung im obigen Abschnitt vernachlaumlssigtdass die Energie von der Sonne zur Solarzelle durchStrahlung uumlbertragen wird In einem ausfuumlhrlicheren Mo-dell setzt man vor die Solarzelle einen Absorber Dieserabsorbiert die Strahlung der Sonne und strahlt selber ei-nen kleinen Teil der Waumlrmestrahlung wieder an die Sonneab Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz flieszligt somit ins-gesamt die Waumlrmeleistung

σT 4Sonne minus σT 4Absorber

von der Sonne zum Absorber wobei σ die Stefan-Boltzmann-Konstante ist Nach dem Carnot-Wirkungsgrad kann der Absorber von dieser Waumlrme nurden Anteil

1 minusT Solarzelle

T Absorber

in elektrische Arbeit uumlberfuumlhren Der Wirkungsgrad be-stimmt sich nun aus diesem Anteil und der gesamten vonder Sonne abgestrahlten Leistung σT 4Sonne zu

η =

9830801 minus

T 4Absorber

T 4Sonne

983081 middot

9830801 minus

T Solarzelle

T Absorber

983081

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16 7 TECHNISCHE MERKMALE

Bei einer Temperatur von 5800 K fuumlr die Sonnenober-flaumlche und 300 K Umgebungstemperatur wird der Wir-kungsgrad bei einer Absorbertemperatur von etwa 2500K maximal und betraumlgt 85 [57]

63 Shockley-Queisser-Grenze

0 1 2 30

10

20

30

m a

x

W i r k u n g s g r a d i n

Bandabstand in eV

Maximaler Wirkungsgrad als Funktion des Bandabstandes wiees die Shockley-Queisser-Grenze beschreibt

rarr Hauptartikel Shockley-Queisser-Grenze

Die Shockley-Queisser-Grenze betrachtet den fuumlr Solar-zellen typischen Anregungsprozess von Elektronen in ei-nem Halbleiter In einer Solarzelle wird dadurch Licht in

elektrische Energie umgewandelt dass das Licht Elek-tronen aus dem Valenzband in das Leitungsband anregtNur ein schmaler Ausschnitt des angebotenen Energie-spektrums wird genutzt Der theoretische Grenzwert en-ergieselektiver Zellen ist deshalb kleiner als das thermo-dynamische Limit eines Gesamtsystems

Entscheidend fuumlr die Energie die man pro angeregtemElektron gewinnen kann ist dabei die Groumlszlige der Bandluuml-cke E g des Halbleiters Unabhaumlngig davon wie weit dasElektron uumlber die untere Kante des Leitungsbandes an-geregt wird erhaumllt man pro Elektron maximal die Ener-gie der Bandluumlcke als elektrische Energie Bei der elektri-

schen Leistung die man aus allen angeregten Elektronengewinnt muss man beruumlcksichtigen dass bei einer klei-nen Bandluumlcke mehr Elektronen erzeugt werden Bei ei-ner groszligen Bandluumlcke hat jedes einzelne Elektron dafuumlrmehr Energie Es muss daher ein Kompromiss aus fol-genden Grenzfaumlllen gefunden werden

bull Groszlige Bandluumlcke Nur energiereiches Licht (blauesund ultraviolettes Licht) kann Elektronen erzeugenda laumlngere Wellenlaumlngen nicht absorbiert werdenWegen der groszligen Bandluumlcke besitzt jedes Elektroneine hohe Energie

bull Kleine Bandluumlcke Auch langwelliges Licht kannElektronen anregen so dass insgesamt viele Elektro-

nen ins Leitungsband angeregt werden Diese ver-lieren jedoch durch Stoszligprozesse mit dem Kristall-gitter in wenigen hundert Femtosekunden einen Teilihrer Energie bis sie nur noch die Energie der Band-luumlcke besitzen

Die Shockley-Queisser-Grenze gilt fuumlr den Fall einer Zel-le mit nur einem pn-Uumlbergang Mit sogenanntenTandem-Solarzellen (englisch multi-junction solar cell ) in de-nen mehrere pn-Uumlbergaumlnge mit verschiedenen Band-luumlcken kombiniert sind koumlnnen prinzipiell auch houml-here Wirkungsgrade erreicht werden siehe AbschnittMehrfachsolarzellen

7 Technische Merkmale

Die Kenngroumlszligen einer Solarzelle werden fuumlr normierteBedingungen die Standard-Testbedingungen haumlufig ab-gekuumlrzt STC (englisch Standard Test Conditions ) angege-ben

bull Einstrahlungsstaumlrke von1000 Wmsup2in Modulebene

bull Temperatur der Solarzelle 25 degC konstant

bull Strahlungsspektrum AM 15 global DIN EN 61215IEC 1215 DIN EN 60904 IEC 904

Dabei steht AM 15 global fuumlr den Begriff Air Mass die

15 dafuumlr dass die Sonnenstrahlen das 15-fache der At-mosphaumlrenhoumlhe durchlaufen weil sie schraumlg auftreffenDas entspricht sehr gut den sommerlichen Gegebenhei-ten in Mitteleuropa von Norditalien bis MittelschwedenIm Winter steht die Sonne in unseren Breiten erheblichtiefer und ein Wert von AM 4 bis AM 6 ist hier realisti-scher

Durch die Absorption in der Atmosphaumlre verschiebt sichauch das Spektrum des auf das Modul treffenden Lich-tes bdquoGloballdquo steht fuumlr Globalstrahlung die sich aus demDiffus- und dem Direktstrahlungsanteil der Sonne zusam-mensetzt

Dabei ist zu beachten dass in der Realitaumlt insbesonderedie Zellentemperatur bei einer solchen Einstrahlung diein Deutschland im Sommer zur Mittagszeit erreicht wirdbei normalem Betrieb wesentlich houmlher liegt (je nach An-bringung Windanstroumlmung etc kann sie zwischen etwa30 und 60 degC liegen) Eine erhoumlhte Zellentemperatur be-deutet aber gleichzeitig einen herabgesetzten Wirkungs-grad der Solarzelle Aus diesem Grund wurde auch eineweitere Bezugsgroumlszlige geschaffen PNOCT die Leistungbei normaler Betriebstemperatur (normal operating celltemperature)

Gebraumluchliche Abkuumlrzungen fuumlr die Bezeichnungen sind

bull SC Short Circuit ndash Kurzschluss

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71 Schaltbilder 17

Stromstaumlrke I Leistung P

e r z e u g

t e L e i s

t u n g

Spannung U

o h

n e

B e l e

u c h t u

n g

m i t

B e l e

u c h t u

n g

Kurzschluszligstrom

Leerlaufspannung

Punkt maximaler

Leistung

oc

I

I

mp UU

mp

sc

Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzelle beleuchtet und un-beleuchtet

bull OC Open Circuit ndash Leerlauf

bull MPP Maximum Power Point ndash Betriebspunkt ma-ximaler Leistung

bull PR Performance Ratio Qualitaumltsfaktor der an-gibt welcher Teil des vom Solargenerator erzeug-ten Stromertrages (unter Nennbedingungen) real zurVerfuumlgung steht

Die Kennwerte einer Solarzelle sind

bull Leerlaufspannung U OC (auch V OC )

bull Kurzschlussstrom I SC

bull Spannung im bestmoumlglichen Betriebspunkt U MPP

(auch V MPP )

bull Strom im Betriebspunkt mit maximaler LeistungI MPP

bull Maximale erzielbare Leistung P MPP Solarzellenher-steller geben diese unter standardisierten Bedin-gungen maximal erzielbare Leistung in der Einheit

kWp sprich bdquoKilowatt-Peakldquo an

bull Fuumlllfaktor F F = PMPPU OCmiddotI SC

bull Koeffizient fuumlr die Leistungsaumlnderung mit der Zell-temperatur

bull Zellwirkungsgrad η = P MPPAmiddotE e

mit der bestrahlten Flauml-che A und der Bestrahlungsstaumlrke E e

Solarzellen koumlnnen also eine Leistung von sehr grob 160Wmsup2 abgeben Eingebaut in ein Modul ist die Leistung

pro Flaumlche geringer da zwischen den Zellen und zumModulrand Abstaumlnde vorhanden sind Im Weltraum wirdeine Leistung von 220 Watt pro Quadratmeter erzielt[58]

Schaltsymbol einer Fotodiode

Schaltzeichen und einfaches Ersatzschaltbild einer Solarzelle

71 Schaltbilder

Das Schaltsymbol einer Solarzelle gibt wie das Schalt-symbol einer Diode oder Photodiode mit einem Pfeil

die technische Stromrichtung zur Verschaltung an DerKennlinienverlauf einer realen Solarzelle weicht aller-dings von der einer idealen Fotodiode ab Um die-se Abweichungen zu modellieren existieren mehrereErsatzschaltbilder

711 Vereinfachtes Ersatzschaltbild

Das Schaltbild besteht zunaumlchst nur aus einerStromquelle die parallel zu einer idealen Diode ge-schaltet wird Diese produziert einen Strom der vonder Bestrahlungsstaumlrke abhaumlngt und den Photostrom I ph

modelliert Die Gesamtstromstaumlrke ergibt sich damit mitdem Diodenstrom I D (siehe Diode) zu

I = I ph minus I D = I ph minus I S

983131e

U DnmiddotU T minus 1

983133

712 Erweitertes Ersatzschaltbild (Ein- undZweidiodenmodell)

Das erweiterte Ersatzschaltbild nimmt Ruumlcksicht auf rea-le Faktoren des Bauelementes die durch die Fertigung

entstehen Mit diesen Modellen soll ein moumlglichst rea-listisches Modell der tatsaumlchlichen Solarzelle geschaffenwerden Beim Eindiodenmodell wird so das vereinfach-

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18 9 UMWELTSCHUTZ

Eindiodenmodell einer Solarzelle

te Ersatzschaltbild zunaumlchst nur durch einen parallel undeinen in Reihe geschalteten Widerstand ergaumlnzt

bull Der Parallelwiderstand Rp symbolisiertKristallfehler nichtideale Dotierungsverteilungenund andere Materialdefekte durch dieVerluststroumlme entstehen die den p-n-Uumlberganguumlberbruumlcken Bei Solarzellen aus guter Herstellungist dieser Widerstand relativ groszlig

bull Mit dem Serienwiderstand Rs werden alle Effektezusammengefasst durch die ein houmlherer Gesamtwi-derstand des Bauelementes entsteht Das sind haupt-saumlchlich der Widerstand des Halbleitermaterials derWiderstand an den Kontakten und der ZuleitungenDiese Groumlszlige sollte bei gefertigten Solarzellen moumlg-lichst gering sein

Die Formel fuumlr den Gesamtstrom ist fuumlr dieses Modellbereits eine rekursive Funktion und lautet

I = I phminusI dminusU p

Rp= I phminusI S

983131eU +RsmiddotInmiddotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

Beim Uumlbergang zum Zweidiodenmodell fuumlgt man ei-

Zweidiodenmodell mit spannungsgesteuerter Stromquelle fuumlr denLawinendurchbruch in Sperr-Richtung

ne weitere Diode mit einem anderen Idealitaumltsfaktor nein Normalerweise werden diese uumlber die Werte 1 und2 angesetzt Weiterhin lassen sich alle diese Modellebei Betrieb in Sperr-Richtung durch eine spannungsge-steuerte Stromquelle ergaumlnzen um den Lawinendurch-bruch zu modellieren Die Formeln fuumlr die Stroumlme beim

Zweidiodenmodell lauten dann bei Anpassungsleitwert g Durchbruchspannung U und Lawinendurchbruchex-ponent n

I = I phminusI bminusI S1

983131eU +RsmiddotIn1middotU T minus 1

983133minusI S2

983131eU +RsmiddotIn2middotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

I b = gb middot

(U + Rs middot I )

Rpmiddot983080

1 minus

U + Rs middot I

U b983081minusnb

8 Energetische Amortisation undErntefaktoren

Siehe auch Erntefaktor

Die energetische Amortisationszeit ist der Zeitpunkt zudem die fuumlr die Herstellung einer Photovoltaikanlage auf-gewandte Primaumlrenergie durch selbige wieder erzeugt

wurde Da die bei der Produktion genutzte elektrischeEnergie zu den Sekundaumlrenergien zaumlhlt wird diese mitdem Wirkungsgrad eines fossilen Kraftwerkes in Pri-maumlrenergie umgerechnet Dementsprechend erfolgt dieseUmrechnung auch bei der erzeugten elektrischen Energieder Solarzelle Analog kann man sich vorstellen dass diePhotovoltaikanlage den Strom aus einem konventionellenKraftwerk ersetzt[59]

Die energetische Amortisationszeit von Photovoltaikan-lagen betraumlgt derzeit (Stand 2013) nach einer Studie vonPeng et al global betrachtet zwischen 075 und 35 Jah-ren je nach Standort und verwendeter Photovoltaiktech-

nologie Der Mittelwert schwankt im Bereich von ca15 bis 25 Jahren Dies bedeutet in diesem Zeitraumhat die Photovoltaikanlage wieder die Energie hereinge-spielt die insgesamt waumlhrend ihres gesamten Lebenszy-klus verbraucht wurde Beruumlcksichtigt sind also die Her-stellung der Anlagen ihr Transport die Errichtung Be-trieb und der Ruumlckbau bzw Recycling Die rechnerischenCO2-Emissionen von Photovoltaikanlagen je nach Tech-nik und Standort zwischen 105 und 50 g CO2kWh mitDurchschnitten im Bereich 35 bis 45 g CO2kWh AlsLebensdauer wurde in der Studie 30 Jahre fuumlr Moduleauf Basis kristalliner Siliciumzellen und 20-25 Jahren fuumlr

Duumlnnschichtmodule angenommen fuumlr Lebensdauer derWechselrichter wurden 15 Jahre angenommen[60] Photo-voltaikanlagen liefern demnach waumlhrend ihrer Betriebs-zeit ein Vielfaches der Energie die zu ihrer Herstellungurspruumlnglich aufgewandt wurde

9 Umweltschutz

Die Herstellung photovoltaischer Solarzellen ist ein che-mischer Prozess bei dem gasfoumlrmige fluumlssige und fes-te Chemikalien zum Einsatz kommen die gesundheits-

und umweltschaumldlich sind Aus diesem Grund ist ein ho-her Standard der Prozesssicherheit zentral Unter Ar-beitsschutzaspekten ist eine sichere Ablufterfassung und

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Reinigung zu gewaumlhrleisten Bei dem Einsatz von Nass-waumlschern wird die Abluft durch ein fluumlssiges Absorpti-onsmedium geleitet Wenn dieses aufgebraucht ist ent-steht eine weitere Abwasserquelle neben den Aumltzloumlsun-gen aus der Produktion Diese muumlssen innerbetrieblichwiederaufbereitet oder spezialisierten Entsorgern uumlber-

geben werden Bei der Herstellung von Duumlnnschicht-halbleitern kommt es an den Waumlnden und Aufbautender Prozesskammer zu siliciumhaltigen AblagerungenDie Ruumlckstaumlnde muumlssen regelmaumlszligig entfernt werden dasie den Prozess stoumlren und zu Qualitaumltseinbuszligen fuumlh-ren Zum Entfernen der Ruumlckstaumlnde verwendet manSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid als Reini-gungsgase Beide Gase sind zwar ungiftig gleichwohlaber sehr starke Treibhausgase[61] In der Zellproduk-tion muumlssen die Reinigungsgase mit hoher Volumen-flussrate eingesetzt werden da sie chemisch sehr sta-bil sind und im Plasma zu weniger als 10 in rei-

nigungsaktive Radikale zerfallen Ein Groszligteil des Ga-ses bleibt somit ungenutzt und muss kostenintensiv ent-sorgt werden Zum Teil entweicht es ndash gewollt oder un-gewollt ndash direkt in die Umwelt Hieraus erklaumlrt sichu a auch der kuumlrzlich gemessene starke Anstieg derStickstofftrifluoridkonzentration in der Hochatmosphauml-re besonders uumlber Ost- und Suumldostasien An Stelle vonSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid kann auchdas sehr reaktive Halogen Fluor als Reinigungsgas ver-wendet werden Fluor ist sehr giftig es ist jedoch keinTreibhausgas Auszligerdem laumlsst es sich sehr leicht undruumlckstandsfrei aus Abgasstroumlmen entfernen

Einige Solarzelltypen verwenden anstelle von SiliciumStoffe wie z B toxisches oder karzinogenes CadmiumArsen bzw deren Verbindungen sowie Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid Ein typisches Cadmiumtellurid-Solarmodul enthaumllt zum Beispiel ca 22 g des gefaumlhrli-chen Schwermetalls Cadmium und 25 g Tellur pro msup2Zellflaumlche[62] Bei der Produktion werden beide Sub-stanzen durch Co-Verdampfung auf das Traumlgermaterialaufgebracht Die Co-Verdampfung ist ein ungerichteterProzess bei dem die gesamte Innenoberflaumlche derBeschichtungskammer mit Duumlnnschichten aus TellurCadmiumtellurid Cadmiumsulfid und Antimontelluriduumlberzogen werden Der Materialverbrauch erhoumlht sich

dadurch um mindestens weitere 40

Bei der regelmaumlszligigen Reinigung der Produktionskam-mer mit waumlssriger Saumlure ndash die Reinigung erfolgt ma-nuell ndash werden die Ruumlckstaumlnde in eine waumlssrige Louml-sung uumlberfuumlhrt Neben der eigentlichen Zellprodukti-on stellt also auch die Reinigung der Produktions-anlagen eine Herausforderung an Umweltschutz undArbeitsschutz dar[63][64][65][66][67] Eine neuere Unter-suchung versucht die geringere Gefaumlhrdung die vonCadmiumtellurid-Zellen im Vergleich zur Kohleverbren-nung ausgeht nachzuweisen[36] Produktionsruumlckstaumln-de und Emissionen koumlnnen zu Langzeitschaumlden und

Altlasten fuumlhren Gleiches gilt bei unsachgemaumlszliger Ent-sorgung fuumlr die Altzellen Die Photovoltaik unterschei-

det sich in diesem Aspekt von anderen Technologien zurNutzung regenerativer Energien

10 Sicherheitsbetrachtung

Fuumlr Schutzmaszlignahmen im Brandfall und Blitzeinschlagsiehe Photovoltaikanlage

11 Siehe auch

bull Halbleiterdetektor

bull Sonnensimulator (Photovoltaik)

12 Literatur

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bull Volker Quaschning Regenerative Energiesysteme 8Auflage Hanser Muumlnchen 2013 ISBN 978-3-446-

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bull Viktor Wesselak Sebastian Voswinckel Photovol-taik Wie Sonne zu Strom wird Daten FaktenHintergruumlnde Springer Vieweg Berlin 2012 ISBN978-3-642-24296-0 (= Technik im Fokus )

bull Viktor Wesselak Thomas Schabbach ThomasLink Joachim Fischer Regenerative Energietech-nik 2 erweiterte und vollstaumlndig neu bearbeite-te Auflage Springer Vieweg Berlin Heidelberg2013 ISBN 978-3-642-24165-9

bull Peter Wuumlrfel Physik der Solarzellen SpektrumAkademischer Verlag Heidelberg 2000 ISBN 3-8274-0598-X (= Spektrum Hochschultaschenbuch)

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20 14 EINZELNACHWEISE

13 Weblinks

Commons Solarzelle ndash Album mit Bildern Videosund Audiodateien

Wikibooks Herstellung von Solarzellen ndash Lern-

und Lehrmaterialien

bull Die Solarmaus ndash Entstehung der Solarzelle mit Ar-min Maiwald (YouTube-Video)

bull PV-Education ndash detaillierte Online-Vorlesung mitGrundlagen und Anwendungen zur PV (englisch)

bull Photovoltaik ndash Innovationen (BINE Informations-dienst)

14 Einzelnachweise

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15 Text- und Bildquellen Autoren und Lizenzen

151 Text

bull Solarzelle Quelle httpdewikipediaorgwikiSolarzelleoldid=138856800 Autoren Fgb RobertLechner Schewek Igelball Aka StefanKuumlhn Lukian Onno Ilja Lorek Head El GNosis Atman Sun Tsor Matthaumlus Wander Seewolf HenrikHolke Honina Pstaudt-fischbachSchusch GDK Migas Paddy Zwobot Kai11 D HaeB ArtMechanic Hadhuey Robbot Pm Anton HaSee Rdb Boehm ZumboDirk33 AndreasB Pietz Soundray Sinn Peter200 Schmiddtchen Fuenfundachtzig Breeze Magadan Fetz Braun Jdiemer StYxXxSebastianWilken Martin-vogel Mnh Ot Aloiswuest MAK Scorpion2211 Gerhardvalentin Jaques AshSert Philipendula STephanKambor Koerpertraining Nicolas PeeCee Duesentrieb AHZ Hendric Stattmann Kristjan Ri st Hafex Norro Cepheiden Christoph-Demmer Fubar Ckeen DasBee Silberchen iexcl0-8-15 1-1111 VanGore Mjk Groer Umaluagr Mkuemmerer Wendelin Cyper QdrDundak Liberatus Juesch Kdkeller Greuer Drap Garak76 MartinThoma Udo T Zaungast Stephantom Pelz ML Thorbjoern Hein-te Diba Blech Zahnstein Renekaemmerer He3nry SchorSch Ion Tauwasser Bobbl Rosa Lux Gerbil Ulfbastel Hubertl MrVVooUebel H2h Liberal Freemason Quirin Leonce49 Blaubahn Flominator RedBot Anhi Dein Freund der Baum Wkw1959 So66 Cle-mensfranz OKoslowski Itti Yahp Miaow Miaow Zaphiro Eneldo Onliner Wahldresdner Darok MovGP0 Muck Uwezi Loh SyrcroZweistein12 Olei Dantor Krischan111 Nize Uwe W Georg Slickers Amtiss Roterraecher RajHid STBR Jackalope Ephraim33JFKCom Andimx Suirenn Hydro Pajz Dktz RobotQuistnix Alanmak Euku Xocolatl Hermannthomas Eynre Savin 2005 AbrevFireball TheTruth Bahnemann Segelmaus Harf Jakob5 Zemy Nyneela Schmitty TobiWanKenobi DerHexer WAH Sesc RolandBerger Schlesinger Staro1 Mo4jolo GeorgHH MutluMan Nightflyer Matzematik PeterFrankfurt Tomreplay PortalBot Ing Schrouml-der Walter LKD Juuml Manecke Quelokee Mons Maenalus JoBa2282 Stepa Giessauf A Cellulesolaire Lemberger HillerD RadlfahrerHelfmann Logograph Mion KaiMeier Sepp Roest FabiBerg Flo422 Degreen Rai42 Rfc GruumlneErde Btr FelixP Wdwd PendulinAdipictures HAH Toumlnjes Kaumlpten Balu Andreas 06 Batosai Rex Akribix D-Kuru UnknownID01 Cramunhao BesondereUmstaende

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Avene DerGraueWolf Martin1978 Wassertraeger Pleonasty HRoestTypo EmausBot Halbarath Muumldigkeit ReinerSpass Mswisi Un-sterblicher TtIiMmOOO ZeacuteroBot Ottomanisch Dsfranzi Didym Striga Cologinux 30wiki04 Karle07 Ne discere cessa Rabax63Waithamai EnergieLabor Cassirer Randolph33 Mukitil Nummer4 Googolplex Flanschko Georgepauljohnringo Woltmers KrdbotHephaion Andol MerlIwBot Mikered KLBot2 Oguenther Thesurvived99 Herzoeglich Rudschuck Tomaacutes66 Gregou Boshomi Stei-ni77 Isjc99 Derschueler Hans Haase Schwunkel Smallandsimple Ciwd2 Nurax666 Krantnejie Rmcharb Kuschi51 Cimballi Redak-tionPflanze Datenundfakten Ragna314 Fico123456789 Buchbibliothek Blafnu Ferina53Solarous Kritzolina WhistlingBird Budu123Manni Lang HeicoH und Anonyme 686

152 Bilder

bull DateiBest_Research-Cell_Efficienciespng Quelle httpuploadwikimediaorgwikipediacommons335Best_Research-Cell_Efficienciespng Lizenz Public domain Autoren National Renewable Energy Laboratory (NREL) Golden CO minus United StatesDepartment of Energy Originalkuumlnstler National Renewable Energy Laboratory (NREL)

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of_Dawns_solar_cellsjpg Lizenz Public domain Autoren httpmediaarchivekscnasagovdetailcfmmediaid=32161 Originalkuumlnstler Photo credit NASAGeorge Shelton

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bull Fraunhofer ISE Report current edition Originalkuumlnstler Eigenes Werk

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30 Autoren Eigenes Werk Originalkuumlnstler DonatelloXXbull DateiMonocrystalline_polycrystalline_silicon_solarcelljpg Quelle httpuploadwikimediaorgwikipediacommons99d

Monocrystalline_polycrystalline_silicon_solarcelljpg Lizenz CC BY 30 Autoren Eigenes Werk Originalkuumlnstler Klaus Mueller

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24 15 TEXT- UND BILDQUELLEN AUTOREN UND LIZENZEN

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153 Inhaltslizenz

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Page 15: Solar Zelle

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61 Thermodynamisches Limit I 15

gleichen Laumlngen haben

6 Wirkungsgrad

Vergleich der praktisch erzielbaren Wirkungsgrade verschie-

dener Solarzellen und deren zeitliche Entwicklung Die vio-letten Kurven im oberen Bereich stellen sogenannte Tandem-Solarzellen eine Kombination verschiedener pn-Uumlbergaumlnge dar

Der Wirkungsgrad η einer Solarzelle ist das Verhaumlltnisder von ihr erzeugten elektrischen Leistung P elektrisch undder Leistung der einfallenden Strahlung P Licht

η = P elektrisch

P Licht

Der maximale Wirkungsgrad η einer Solarzelle ist vom

Bandabstand und der Anzahl der auf verschiedene Spek-tralbereiche optimierten pn-Uumlbergaumlnge abhaumlngig Bei ei-nem pn-Uumlbergang ist bei optimalem Bandabstand unddarauf in der Wellenlaumlnge abgestimmtem Licht theo-retisch ein Wirkungsgrad von bis zu 41 erzielbarIn praktischen Anwendungen liegen tatsaumlchlich erziel-bare Wirkungsgrade um und unter 25 Bei Tandem-Solarzellen welche durch mehrere unterschiedliche pn-Uumlbergaumlnge groumlszligere Spektralbereiche abdecken koumlnnenkoumlnnen die Gesamtwirkungsgrade aller pn-Uumlbergaumlnge inSumme auch uumlber der theoretischen Grenze von 41 liegen

Der Rekord fuumlr im Labor hergestellte Silicium-Solarzellen liegt bei 247 Prozent (University of NewSouth Wales Australien) mit denen Module mit uumlber22 Prozent Wirkungsgrad hergestellt wurden DieDegradation des Wirkungsgrades (Alterungsverhalten)liegt bei ca 10 Prozent in 25 Jahren Hersteller gebenbeispielsweise Garantien auf mindestens 80 Prozent derPeak-Leistung nach 20 Jahren

Im Weltraum ist einerseits die Solarkonstante groumlszliger alsdie Globalstrahlung auf der Erde andererseits altern dieSolarzellen schneller Solarpanele fuumlr Satelliten erreichenzur Zeit (2005) einen Wirkungsgrad von fast 25 [51] bei

einer Betriebszeit von 15 JahrenEin hoher Wirkungsgrad ist erstrebenswert weil er beigleichen Lichtverhaumlltnissen und gleicher Flaumlche zu einer

groumlszligeren Ausbeute an elektrischem Strom fuumlhrt Fuumlr jedeMaschine die auf der Erde aus Sonnenlicht oder auf an-dere Weise mechanische oder elektrische Arbeit erzeugt(z B Aufwindkraftwerke Stirlingmotoren etc) gilt einthermodynamisches Limit

61 Thermodynamisches Limit I

Die groumlbste Abschaumltzung des Wirkungsgrades erhaumllt mandurch den Carnot-Wirkungsgrad Er beschreibt den ma-ximalen Wirkungsgrad den eine beliebige physikalischeMaschine erreichen kann wenn sie ihre Energie aus derTemperaturdifferenz von zwei Waumlrmebaumldern beziehtDer Carnot-Wirkungsgrad ergibt sich aus der Tempera-tur T warm des waumlrmeren Bades und der Temperatur T kalt

des kaumllteren Bades gemaumlszlig

η = 1 minusT kalt

T warm

Im Falle der Solarzelle ist das waumlrmere Energiebaddie Sonnenoberflaumlche mit einer Temperatur von etwa5800 K und das kaumlltere Bad die Solarzelle mit einerTemperatur von 300 K Daraus ergibt sich ein Carnot-Wirkungsgrad von 95 Im Weltraum genutzte Solarzel-len haben infolge der houmlheren Temperaturdifferenz ent-sprechend houmlhere Wirkungsgrade

62 Thermodynamisches Limit II

Die Abschaumltzung im obigen Abschnitt vernachlaumlssigtdass die Energie von der Sonne zur Solarzelle durchStrahlung uumlbertragen wird In einem ausfuumlhrlicheren Mo-dell setzt man vor die Solarzelle einen Absorber Dieserabsorbiert die Strahlung der Sonne und strahlt selber ei-nen kleinen Teil der Waumlrmestrahlung wieder an die Sonneab Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz flieszligt somit ins-gesamt die Waumlrmeleistung

σT 4Sonne minus σT 4Absorber

von der Sonne zum Absorber wobei σ die Stefan-Boltzmann-Konstante ist Nach dem Carnot-Wirkungsgrad kann der Absorber von dieser Waumlrme nurden Anteil

1 minusT Solarzelle

T Absorber

in elektrische Arbeit uumlberfuumlhren Der Wirkungsgrad be-stimmt sich nun aus diesem Anteil und der gesamten vonder Sonne abgestrahlten Leistung σT 4Sonne zu

η =

9830801 minus

T 4Absorber

T 4Sonne

983081 middot

9830801 minus

T Solarzelle

T Absorber

983081

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16 7 TECHNISCHE MERKMALE

Bei einer Temperatur von 5800 K fuumlr die Sonnenober-flaumlche und 300 K Umgebungstemperatur wird der Wir-kungsgrad bei einer Absorbertemperatur von etwa 2500K maximal und betraumlgt 85 [57]

63 Shockley-Queisser-Grenze

0 1 2 30

10

20

30

m a

x

W i r k u n g s g r a d i n

Bandabstand in eV

Maximaler Wirkungsgrad als Funktion des Bandabstandes wiees die Shockley-Queisser-Grenze beschreibt

rarr Hauptartikel Shockley-Queisser-Grenze

Die Shockley-Queisser-Grenze betrachtet den fuumlr Solar-zellen typischen Anregungsprozess von Elektronen in ei-nem Halbleiter In einer Solarzelle wird dadurch Licht in

elektrische Energie umgewandelt dass das Licht Elek-tronen aus dem Valenzband in das Leitungsband anregtNur ein schmaler Ausschnitt des angebotenen Energie-spektrums wird genutzt Der theoretische Grenzwert en-ergieselektiver Zellen ist deshalb kleiner als das thermo-dynamische Limit eines Gesamtsystems

Entscheidend fuumlr die Energie die man pro angeregtemElektron gewinnen kann ist dabei die Groumlszlige der Bandluuml-cke E g des Halbleiters Unabhaumlngig davon wie weit dasElektron uumlber die untere Kante des Leitungsbandes an-geregt wird erhaumllt man pro Elektron maximal die Ener-gie der Bandluumlcke als elektrische Energie Bei der elektri-

schen Leistung die man aus allen angeregten Elektronengewinnt muss man beruumlcksichtigen dass bei einer klei-nen Bandluumlcke mehr Elektronen erzeugt werden Bei ei-ner groszligen Bandluumlcke hat jedes einzelne Elektron dafuumlrmehr Energie Es muss daher ein Kompromiss aus fol-genden Grenzfaumlllen gefunden werden

bull Groszlige Bandluumlcke Nur energiereiches Licht (blauesund ultraviolettes Licht) kann Elektronen erzeugenda laumlngere Wellenlaumlngen nicht absorbiert werdenWegen der groszligen Bandluumlcke besitzt jedes Elektroneine hohe Energie

bull Kleine Bandluumlcke Auch langwelliges Licht kannElektronen anregen so dass insgesamt viele Elektro-

nen ins Leitungsband angeregt werden Diese ver-lieren jedoch durch Stoszligprozesse mit dem Kristall-gitter in wenigen hundert Femtosekunden einen Teilihrer Energie bis sie nur noch die Energie der Band-luumlcke besitzen

Die Shockley-Queisser-Grenze gilt fuumlr den Fall einer Zel-le mit nur einem pn-Uumlbergang Mit sogenanntenTandem-Solarzellen (englisch multi-junction solar cell ) in de-nen mehrere pn-Uumlbergaumlnge mit verschiedenen Band-luumlcken kombiniert sind koumlnnen prinzipiell auch houml-here Wirkungsgrade erreicht werden siehe AbschnittMehrfachsolarzellen

7 Technische Merkmale

Die Kenngroumlszligen einer Solarzelle werden fuumlr normierteBedingungen die Standard-Testbedingungen haumlufig ab-gekuumlrzt STC (englisch Standard Test Conditions ) angege-ben

bull Einstrahlungsstaumlrke von1000 Wmsup2in Modulebene

bull Temperatur der Solarzelle 25 degC konstant

bull Strahlungsspektrum AM 15 global DIN EN 61215IEC 1215 DIN EN 60904 IEC 904

Dabei steht AM 15 global fuumlr den Begriff Air Mass die

15 dafuumlr dass die Sonnenstrahlen das 15-fache der At-mosphaumlrenhoumlhe durchlaufen weil sie schraumlg auftreffenDas entspricht sehr gut den sommerlichen Gegebenhei-ten in Mitteleuropa von Norditalien bis MittelschwedenIm Winter steht die Sonne in unseren Breiten erheblichtiefer und ein Wert von AM 4 bis AM 6 ist hier realisti-scher

Durch die Absorption in der Atmosphaumlre verschiebt sichauch das Spektrum des auf das Modul treffenden Lich-tes bdquoGloballdquo steht fuumlr Globalstrahlung die sich aus demDiffus- und dem Direktstrahlungsanteil der Sonne zusam-mensetzt

Dabei ist zu beachten dass in der Realitaumlt insbesonderedie Zellentemperatur bei einer solchen Einstrahlung diein Deutschland im Sommer zur Mittagszeit erreicht wirdbei normalem Betrieb wesentlich houmlher liegt (je nach An-bringung Windanstroumlmung etc kann sie zwischen etwa30 und 60 degC liegen) Eine erhoumlhte Zellentemperatur be-deutet aber gleichzeitig einen herabgesetzten Wirkungs-grad der Solarzelle Aus diesem Grund wurde auch eineweitere Bezugsgroumlszlige geschaffen PNOCT die Leistungbei normaler Betriebstemperatur (normal operating celltemperature)

Gebraumluchliche Abkuumlrzungen fuumlr die Bezeichnungen sind

bull SC Short Circuit ndash Kurzschluss

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71 Schaltbilder 17

Stromstaumlrke I Leistung P

e r z e u g

t e L e i s

t u n g

Spannung U

o h

n e

B e l e

u c h t u

n g

m i t

B e l e

u c h t u

n g

Kurzschluszligstrom

Leerlaufspannung

Punkt maximaler

Leistung

oc

I

I

mp UU

mp

sc

Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzelle beleuchtet und un-beleuchtet

bull OC Open Circuit ndash Leerlauf

bull MPP Maximum Power Point ndash Betriebspunkt ma-ximaler Leistung

bull PR Performance Ratio Qualitaumltsfaktor der an-gibt welcher Teil des vom Solargenerator erzeug-ten Stromertrages (unter Nennbedingungen) real zurVerfuumlgung steht

Die Kennwerte einer Solarzelle sind

bull Leerlaufspannung U OC (auch V OC )

bull Kurzschlussstrom I SC

bull Spannung im bestmoumlglichen Betriebspunkt U MPP

(auch V MPP )

bull Strom im Betriebspunkt mit maximaler LeistungI MPP

bull Maximale erzielbare Leistung P MPP Solarzellenher-steller geben diese unter standardisierten Bedin-gungen maximal erzielbare Leistung in der Einheit

kWp sprich bdquoKilowatt-Peakldquo an

bull Fuumlllfaktor F F = PMPPU OCmiddotI SC

bull Koeffizient fuumlr die Leistungsaumlnderung mit der Zell-temperatur

bull Zellwirkungsgrad η = P MPPAmiddotE e

mit der bestrahlten Flauml-che A und der Bestrahlungsstaumlrke E e

Solarzellen koumlnnen also eine Leistung von sehr grob 160Wmsup2 abgeben Eingebaut in ein Modul ist die Leistung

pro Flaumlche geringer da zwischen den Zellen und zumModulrand Abstaumlnde vorhanden sind Im Weltraum wirdeine Leistung von 220 Watt pro Quadratmeter erzielt[58]

Schaltsymbol einer Fotodiode

Schaltzeichen und einfaches Ersatzschaltbild einer Solarzelle

71 Schaltbilder

Das Schaltsymbol einer Solarzelle gibt wie das Schalt-symbol einer Diode oder Photodiode mit einem Pfeil

die technische Stromrichtung zur Verschaltung an DerKennlinienverlauf einer realen Solarzelle weicht aller-dings von der einer idealen Fotodiode ab Um die-se Abweichungen zu modellieren existieren mehrereErsatzschaltbilder

711 Vereinfachtes Ersatzschaltbild

Das Schaltbild besteht zunaumlchst nur aus einerStromquelle die parallel zu einer idealen Diode ge-schaltet wird Diese produziert einen Strom der vonder Bestrahlungsstaumlrke abhaumlngt und den Photostrom I ph

modelliert Die Gesamtstromstaumlrke ergibt sich damit mitdem Diodenstrom I D (siehe Diode) zu

I = I ph minus I D = I ph minus I S

983131e

U DnmiddotU T minus 1

983133

712 Erweitertes Ersatzschaltbild (Ein- undZweidiodenmodell)

Das erweiterte Ersatzschaltbild nimmt Ruumlcksicht auf rea-le Faktoren des Bauelementes die durch die Fertigung

entstehen Mit diesen Modellen soll ein moumlglichst rea-listisches Modell der tatsaumlchlichen Solarzelle geschaffenwerden Beim Eindiodenmodell wird so das vereinfach-

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18 9 UMWELTSCHUTZ

Eindiodenmodell einer Solarzelle

te Ersatzschaltbild zunaumlchst nur durch einen parallel undeinen in Reihe geschalteten Widerstand ergaumlnzt

bull Der Parallelwiderstand Rp symbolisiertKristallfehler nichtideale Dotierungsverteilungenund andere Materialdefekte durch dieVerluststroumlme entstehen die den p-n-Uumlberganguumlberbruumlcken Bei Solarzellen aus guter Herstellungist dieser Widerstand relativ groszlig

bull Mit dem Serienwiderstand Rs werden alle Effektezusammengefasst durch die ein houmlherer Gesamtwi-derstand des Bauelementes entsteht Das sind haupt-saumlchlich der Widerstand des Halbleitermaterials derWiderstand an den Kontakten und der ZuleitungenDiese Groumlszlige sollte bei gefertigten Solarzellen moumlg-lichst gering sein

Die Formel fuumlr den Gesamtstrom ist fuumlr dieses Modellbereits eine rekursive Funktion und lautet

I = I phminusI dminusU p

Rp= I phminusI S

983131eU +RsmiddotInmiddotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

Beim Uumlbergang zum Zweidiodenmodell fuumlgt man ei-

Zweidiodenmodell mit spannungsgesteuerter Stromquelle fuumlr denLawinendurchbruch in Sperr-Richtung

ne weitere Diode mit einem anderen Idealitaumltsfaktor nein Normalerweise werden diese uumlber die Werte 1 und2 angesetzt Weiterhin lassen sich alle diese Modellebei Betrieb in Sperr-Richtung durch eine spannungsge-steuerte Stromquelle ergaumlnzen um den Lawinendurch-bruch zu modellieren Die Formeln fuumlr die Stroumlme beim

Zweidiodenmodell lauten dann bei Anpassungsleitwert g Durchbruchspannung U und Lawinendurchbruchex-ponent n

I = I phminusI bminusI S1

983131eU +RsmiddotIn1middotU T minus 1

983133minusI S2

983131eU +RsmiddotIn2middotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

I b = gb middot

(U + Rs middot I )

Rpmiddot983080

1 minus

U + Rs middot I

U b983081minusnb

8 Energetische Amortisation undErntefaktoren

Siehe auch Erntefaktor

Die energetische Amortisationszeit ist der Zeitpunkt zudem die fuumlr die Herstellung einer Photovoltaikanlage auf-gewandte Primaumlrenergie durch selbige wieder erzeugt

wurde Da die bei der Produktion genutzte elektrischeEnergie zu den Sekundaumlrenergien zaumlhlt wird diese mitdem Wirkungsgrad eines fossilen Kraftwerkes in Pri-maumlrenergie umgerechnet Dementsprechend erfolgt dieseUmrechnung auch bei der erzeugten elektrischen Energieder Solarzelle Analog kann man sich vorstellen dass diePhotovoltaikanlage den Strom aus einem konventionellenKraftwerk ersetzt[59]

Die energetische Amortisationszeit von Photovoltaikan-lagen betraumlgt derzeit (Stand 2013) nach einer Studie vonPeng et al global betrachtet zwischen 075 und 35 Jah-ren je nach Standort und verwendeter Photovoltaiktech-

nologie Der Mittelwert schwankt im Bereich von ca15 bis 25 Jahren Dies bedeutet in diesem Zeitraumhat die Photovoltaikanlage wieder die Energie hereinge-spielt die insgesamt waumlhrend ihres gesamten Lebenszy-klus verbraucht wurde Beruumlcksichtigt sind also die Her-stellung der Anlagen ihr Transport die Errichtung Be-trieb und der Ruumlckbau bzw Recycling Die rechnerischenCO2-Emissionen von Photovoltaikanlagen je nach Tech-nik und Standort zwischen 105 und 50 g CO2kWh mitDurchschnitten im Bereich 35 bis 45 g CO2kWh AlsLebensdauer wurde in der Studie 30 Jahre fuumlr Moduleauf Basis kristalliner Siliciumzellen und 20-25 Jahren fuumlr

Duumlnnschichtmodule angenommen fuumlr Lebensdauer derWechselrichter wurden 15 Jahre angenommen[60] Photo-voltaikanlagen liefern demnach waumlhrend ihrer Betriebs-zeit ein Vielfaches der Energie die zu ihrer Herstellungurspruumlnglich aufgewandt wurde

9 Umweltschutz

Die Herstellung photovoltaischer Solarzellen ist ein che-mischer Prozess bei dem gasfoumlrmige fluumlssige und fes-te Chemikalien zum Einsatz kommen die gesundheits-

und umweltschaumldlich sind Aus diesem Grund ist ein ho-her Standard der Prozesssicherheit zentral Unter Ar-beitsschutzaspekten ist eine sichere Ablufterfassung und

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19

Reinigung zu gewaumlhrleisten Bei dem Einsatz von Nass-waumlschern wird die Abluft durch ein fluumlssiges Absorpti-onsmedium geleitet Wenn dieses aufgebraucht ist ent-steht eine weitere Abwasserquelle neben den Aumltzloumlsun-gen aus der Produktion Diese muumlssen innerbetrieblichwiederaufbereitet oder spezialisierten Entsorgern uumlber-

geben werden Bei der Herstellung von Duumlnnschicht-halbleitern kommt es an den Waumlnden und Aufbautender Prozesskammer zu siliciumhaltigen AblagerungenDie Ruumlckstaumlnde muumlssen regelmaumlszligig entfernt werden dasie den Prozess stoumlren und zu Qualitaumltseinbuszligen fuumlh-ren Zum Entfernen der Ruumlckstaumlnde verwendet manSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid als Reini-gungsgase Beide Gase sind zwar ungiftig gleichwohlaber sehr starke Treibhausgase[61] In der Zellproduk-tion muumlssen die Reinigungsgase mit hoher Volumen-flussrate eingesetzt werden da sie chemisch sehr sta-bil sind und im Plasma zu weniger als 10 in rei-

nigungsaktive Radikale zerfallen Ein Groszligteil des Ga-ses bleibt somit ungenutzt und muss kostenintensiv ent-sorgt werden Zum Teil entweicht es ndash gewollt oder un-gewollt ndash direkt in die Umwelt Hieraus erklaumlrt sichu a auch der kuumlrzlich gemessene starke Anstieg derStickstofftrifluoridkonzentration in der Hochatmosphauml-re besonders uumlber Ost- und Suumldostasien An Stelle vonSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid kann auchdas sehr reaktive Halogen Fluor als Reinigungsgas ver-wendet werden Fluor ist sehr giftig es ist jedoch keinTreibhausgas Auszligerdem laumlsst es sich sehr leicht undruumlckstandsfrei aus Abgasstroumlmen entfernen

Einige Solarzelltypen verwenden anstelle von SiliciumStoffe wie z B toxisches oder karzinogenes CadmiumArsen bzw deren Verbindungen sowie Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid Ein typisches Cadmiumtellurid-Solarmodul enthaumllt zum Beispiel ca 22 g des gefaumlhrli-chen Schwermetalls Cadmium und 25 g Tellur pro msup2Zellflaumlche[62] Bei der Produktion werden beide Sub-stanzen durch Co-Verdampfung auf das Traumlgermaterialaufgebracht Die Co-Verdampfung ist ein ungerichteterProzess bei dem die gesamte Innenoberflaumlche derBeschichtungskammer mit Duumlnnschichten aus TellurCadmiumtellurid Cadmiumsulfid und Antimontelluriduumlberzogen werden Der Materialverbrauch erhoumlht sich

dadurch um mindestens weitere 40

Bei der regelmaumlszligigen Reinigung der Produktionskam-mer mit waumlssriger Saumlure ndash die Reinigung erfolgt ma-nuell ndash werden die Ruumlckstaumlnde in eine waumlssrige Louml-sung uumlberfuumlhrt Neben der eigentlichen Zellprodukti-on stellt also auch die Reinigung der Produktions-anlagen eine Herausforderung an Umweltschutz undArbeitsschutz dar[63][64][65][66][67] Eine neuere Unter-suchung versucht die geringere Gefaumlhrdung die vonCadmiumtellurid-Zellen im Vergleich zur Kohleverbren-nung ausgeht nachzuweisen[36] Produktionsruumlckstaumln-de und Emissionen koumlnnen zu Langzeitschaumlden und

Altlasten fuumlhren Gleiches gilt bei unsachgemaumlszliger Ent-sorgung fuumlr die Altzellen Die Photovoltaik unterschei-

det sich in diesem Aspekt von anderen Technologien zurNutzung regenerativer Energien

10 Sicherheitsbetrachtung

Fuumlr Schutzmaszlignahmen im Brandfall und Blitzeinschlagsiehe Photovoltaikanlage

11 Siehe auch

bull Halbleiterdetektor

bull Sonnensimulator (Photovoltaik)

12 Literatur

bull Christoph Brabec Organic photovoltaics ndash mate-rials device physics and manufacturing technolo-gies Wiley-VCH Weinheim 2008 ISBN 978-3-527-31675-5

bull Guillermo Diaz-Santanilla Technik der Solarzelle ndashphysikalische Grundlagen Eigenschaften und Ap-plikationen Franzis Muumlnchen 1984 ISBN 3-7723-7371-2

bull Heinrich Haumlberlin Photovoltaik Strom aus Son-nenlicht fuumlr Verbundnetz und Inselanlagen 2 we-sentlich erweiterte und aktualisierte Auflage VDE Electrosuisse Berlin Fehraltorf 2010 ISBN 978-3-8007-3205-0 (VDE) ISBN 978-3-905214-62-8(Electrosuisse)

bull Tom Markvart Luis Castantildeer Solar cells ndash mate-rials manufacture and operation Elsevier Oxford2006 ISBN 1-85617-457-3 (englisch)

bull Volker Quaschning Regenerative Energiesysteme 8Auflage Hanser Muumlnchen 2013 ISBN 978-3-446-

43526-1

bull Viktor Wesselak Sebastian Voswinckel Photovol-taik Wie Sonne zu Strom wird Daten FaktenHintergruumlnde Springer Vieweg Berlin 2012 ISBN978-3-642-24296-0 (= Technik im Fokus )

bull Viktor Wesselak Thomas Schabbach ThomasLink Joachim Fischer Regenerative Energietech-nik 2 erweiterte und vollstaumlndig neu bearbeite-te Auflage Springer Vieweg Berlin Heidelberg2013 ISBN 978-3-642-24165-9

bull Peter Wuumlrfel Physik der Solarzellen SpektrumAkademischer Verlag Heidelberg 2000 ISBN 3-8274-0598-X (= Spektrum Hochschultaschenbuch)

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20 14 EINZELNACHWEISE

13 Weblinks

Commons Solarzelle ndash Album mit Bildern Videosund Audiodateien

Wikibooks Herstellung von Solarzellen ndash Lern-

und Lehrmaterialien

bull Die Solarmaus ndash Entstehung der Solarzelle mit Ar-min Maiwald (YouTube-Video)

bull PV-Education ndash detaillierte Online-Vorlesung mitGrundlagen und Anwendungen zur PV (englisch)

bull Photovoltaik ndash Innovationen (BINE Informations-dienst)

14 Einzelnachweise

[1] Orbital Sciences Corporation (Hrsg) Dawn Investigatingthe ldquoDawnrdquo of Our Solar System (fact sheet) (PDF 14MB) 2009 (englisch)

[2] anorganisch-organische Hybridzellen mit einfacher Her-stellung

[3] Rolf Hug Mitsubishi Electric entwickelt anwendungsreifeSilicium-Solarzelle mit 186 Wirkungsgrad In Der So-larserver 25 Maumlrz 2008 Abgerufen am 9 August 2009

[4] httpwwwhelmholtz-berlindeforschungenmasi-pvarbeitsgebieteduennschichtsolarzellenindex_dehtml

[5] M A Green K Emery D L King Y Hishika-wa W Warta Solar Cell Efficiency Tables (Version28) In Prog Photovolt Res Appl 14 2006 S 455ndash461 doi101002pip720 (PDF abgerufen am 22 April2010)

[6] Michael D Kelzenberg Shannon W Boettcher Jan APetykiewicz Daniel B Turner-Evans Morgan C Put-nam Emily L Warren Joshua M Spurgeon Ryan MBriggs Nathan S Lewis Harry A Atwater Enhanced ab-

sorption and carrier collection in Si wire arrays for photo-voltaic applications In Nat Mater 9 Nr 3 Februar 2010S 239ndash244 doi101038nmat2635

[7] Sonnenpower light Bild der Wissenschaft 15 Februar2010 (Nachrichtenmeldung)

[8] SolarServer Photovoltaik-Forschung Caltech entwickelt flexible Solarzellen mit Siliciumdraht-Reihen und hoher Absorption abgerufen am 31 Mai 2012

[9] Weltrekord 411 Wirkungsgrad fuumlr Mehrfachsolarzel-len In pro-physikde Fraunhofer-Institut fuumlr Solare En-ergiesysteme ISE abgerufen am 9 August 2009

[10] heise 282 Wirkungsgrad erreicht (abgerufen am 24Juni 2011)

[11] Martin A Green Keith Emery Yoshihiro HishikawaWilhelm Warta Ewan D Dunlop Solar cell efficien-cy tables (version 43) In Progress in PhotovoltaicsResearch and Applications 22 Nr 1 2014 S 1ndash9doi101002pip2452

[12] Wirkungsgrad-Rekorde in der Photovoltaik Solaranlagen-

Portalde

[13] CIGS DUumlNNSCHICHT-TECHNOLOGIE ERZIELT WELT-REKORDEFFIZIENZ VON 174 Pressemitteilung derFirma Q-Cells vom 29 November 2011 abgerufen am 14Februar 2012

[14] Neuer Weltrekord fuumlr organische Solarzellen Heliatek be-hauptet sich mit 12 Zelleffizienz als Technologiefuumlhrer Pressemitteilung der Firma Heliatek vom 16 Januar 2013

[15] Billig-Solarzellen revolutionieren Strombranche

[16] USGS Minerals Information

[17] Lars Fischer Rohstoffe Die Rohstoffkrisen der Zukunft spektrum-direkt 29 Maumlrz 2011 Zugriff am 12 Septem-ber 2011

[18] Indium Vorraumlte laut USGS Mineral Commodity Summa-ries (2006) (PDF 74 kB)

[19] httpwwwall-electronicsdemediafile7182

[20] Indium and Gallium Supply Sustainability September2007 Update 22nd EU PV Conference Milan Italy 16Februar 2009

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15 Text- und Bildquellen Autoren und Lizenzen

151 Text

bull Solarzelle Quelle httpdewikipediaorgwikiSolarzelleoldid=138856800 Autoren Fgb RobertLechner Schewek Igelball Aka StefanKuumlhn Lukian Onno Ilja Lorek Head El GNosis Atman Sun Tsor Matthaumlus Wander Seewolf HenrikHolke Honina Pstaudt-fischbachSchusch GDK Migas Paddy Zwobot Kai11 D HaeB ArtMechanic Hadhuey Robbot Pm Anton HaSee Rdb Boehm ZumboDirk33 AndreasB Pietz Soundray Sinn Peter200 Schmiddtchen Fuenfundachtzig Breeze Magadan Fetz Braun Jdiemer StYxXxSebastianWilken Martin-vogel Mnh Ot Aloiswuest MAK Scorpion2211 Gerhardvalentin Jaques AshSert Philipendula STephanKambor Koerpertraining Nicolas PeeCee Duesentrieb AHZ Hendric Stattmann Kristjan Ri st Hafex Norro Cepheiden Christoph-Demmer Fubar Ckeen DasBee Silberchen iexcl0-8-15 1-1111 VanGore Mjk Groer Umaluagr Mkuemmerer Wendelin Cyper QdrDundak Liberatus Juesch Kdkeller Greuer Drap Garak76 MartinThoma Udo T Zaungast Stephantom Pelz ML Thorbjoern Hein-te Diba Blech Zahnstein Renekaemmerer He3nry SchorSch Ion Tauwasser Bobbl Rosa Lux Gerbil Ulfbastel Hubertl MrVVooUebel H2h Liberal Freemason Quirin Leonce49 Blaubahn Flominator RedBot Anhi Dein Freund der Baum Wkw1959 So66 Cle-mensfranz OKoslowski Itti Yahp Miaow Miaow Zaphiro Eneldo Onliner Wahldresdner Darok MovGP0 Muck Uwezi Loh SyrcroZweistein12 Olei Dantor Krischan111 Nize Uwe W Georg Slickers Amtiss Roterraecher RajHid STBR Jackalope Ephraim33JFKCom Andimx Suirenn Hydro Pajz Dktz RobotQuistnix Alanmak Euku Xocolatl Hermannthomas Eynre Savin 2005 AbrevFireball TheTruth Bahnemann Segelmaus Harf Jakob5 Zemy Nyneela Schmitty TobiWanKenobi DerHexer WAH Sesc RolandBerger Schlesinger Staro1 Mo4jolo GeorgHH MutluMan Nightflyer Matzematik PeterFrankfurt Tomreplay PortalBot Ing Schrouml-der Walter LKD Juuml Manecke Quelokee Mons Maenalus JoBa2282 Stepa Giessauf A Cellulesolaire Lemberger HillerD RadlfahrerHelfmann Logograph Mion KaiMeier Sepp Roest FabiBerg Flo422 Degreen Rai42 Rfc GruumlneErde Btr FelixP Wdwd PendulinAdipictures HAH Toumlnjes Kaumlpten Balu Andreas 06 Batosai Rex Akribix D-Kuru UnknownID01 Cramunhao BesondereUmstaende

Tetris L MichaelFrey Jaellee Moumlchtegern Rufus46 Tillniermann TobiasKlaus Spuk968 Thijsbot Hpt Drcueppers Styxcr Wiki-murmeltier XenonX3 YMS Jobu0101 Leider Mschachinger Taratonga Horst Graumlbner WasserFreund Gustav von Aschenbach TobiB Muck31 Dandelo Simon-Martin Hedwig in Washington JAnDbot Nicolas G Gratisaktie Mrdaemon YourEyesOnly MarkujaIqRS M0nsterxxl Frankee 67 Cspan64 IRiedel Qkaz Jbergner Septembermorgen Gerhard wien CommonsDelinker Phriedrich Kue-bi Leuni Alchemist-hp Radunze Giftmischer Blaufisch Don Magnifico Axl Rose ABF Diwas RacoonyRE Sundar1 Complex TarfulAnjaM Lmmrs Zeitan Reaper35 VolkovBot Gravitophoton ldblquote Michileo Hjortron TXiKiBoT Kockmeyer Cactus26 Bazoo-kabill Rei-bot Petuschki Regi51 Claude J Idioma-bot Zwoumllfvolt Angerdan Martinhei ChrisHamburg Benutzer20070331 KrawiIshbane Entlinkt Taschna Der kleine gruumlne Schornstein DerTraeumer Tubas Juri S Worfo Engie Funkruf K41f1r Rotkaeppchen68Truthlobby Snoopy1964 Avoided Josal69 Aktionsbot Dudemaster23 Bengor Succu DonatelloXX Alnilam Kh555 TorwartfehlerPickhj Wispanow Pittimann Matthiasberlin Bullvolkar Se4598 Emergency doc Querverplaumlnkler Wizard of Oz(wald) Kein EinsteinHoltzhammer Blusky Halis Jelges Inkowik Fish-guts DumZiBoT SchroedingersKatze Grey Geezer Steinbeisser Horvath08 Gi-nosbot Simonste Philipp Wetzlar CaZeRillo Amirobot Luckas-bot KamikazeBot GrouchoBot Wiki4you Spookie1302 Small AxeHarald Lordick Shisha-Tom Yonidebot CSGSolarAT Xqbot ArthurBot Howwi Cubjek Morten Haan Astrobeamer Brodkey65 Pv42Pentachlorphenol Geierkraumlchz TB42 CactusBot Sunrydz Quartl Sindopower Rr2000 Norbirt Fredric Qniemiec Simey00wiki Ko-piersperre Jivee Blau Roentgenium111 Sebaacutestian San Diego MorbZ-Bot ShithappensbyTuE MondalorBot Jashuah Nothere Rubbles-by Ein kleiner Physiker Dermartinrockt Antonsusi Wurmkraut Mabschaaf Alraunenstern SolarFuture Aund M Weitzer Helium4

Avene DerGraueWolf Martin1978 Wassertraeger Pleonasty HRoestTypo EmausBot Halbarath Muumldigkeit ReinerSpass Mswisi Un-sterblicher TtIiMmOOO ZeacuteroBot Ottomanisch Dsfranzi Didym Striga Cologinux 30wiki04 Karle07 Ne discere cessa Rabax63Waithamai EnergieLabor Cassirer Randolph33 Mukitil Nummer4 Googolplex Flanschko Georgepauljohnringo Woltmers KrdbotHephaion Andol MerlIwBot Mikered KLBot2 Oguenther Thesurvived99 Herzoeglich Rudschuck Tomaacutes66 Gregou Boshomi Stei-ni77 Isjc99 Derschueler Hans Haase Schwunkel Smallandsimple Ciwd2 Nurax666 Krantnejie Rmcharb Kuschi51 Cimballi Redak-tionPflanze Datenundfakten Ragna314 Fico123456789 Buchbibliothek Blafnu Ferina53Solarous Kritzolina WhistlingBird Budu123Manni Lang HeicoH und Anonyme 686

152 Bilder

bull DateiBest_Research-Cell_Efficienciespng Quelle httpuploadwikimediaorgwikipediacommons335Best_Research-Cell_Efficienciespng Lizenz Public domain Autoren National Renewable Energy Laboratory (NREL) Golden CO minus United StatesDepartment of Energy Originalkuumlnstler National Renewable Energy Laboratory (NREL)

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bull Fraunhofer ISE Report current edition Originalkuumlnstler Eigenes Werk

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Monocrystalline_polycrystalline_silicon_solarcelljpg Lizenz CC BY 30 Autoren Eigenes Werk Originalkuumlnstler Klaus Mueller

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24 15 TEXT- UND BILDQUELLEN AUTOREN UND LIZENZEN

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bull ShockleyQueisserFullCurvesvg Originalkuumlnstler ShockleyQueisserFullCurvesvg Sbyrnes321

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153 Inhaltslizenz

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Page 16: Solar Zelle

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16 7 TECHNISCHE MERKMALE

Bei einer Temperatur von 5800 K fuumlr die Sonnenober-flaumlche und 300 K Umgebungstemperatur wird der Wir-kungsgrad bei einer Absorbertemperatur von etwa 2500K maximal und betraumlgt 85 [57]

63 Shockley-Queisser-Grenze

0 1 2 30

10

20

30

m a

x

W i r k u n g s g r a d i n

Bandabstand in eV

Maximaler Wirkungsgrad als Funktion des Bandabstandes wiees die Shockley-Queisser-Grenze beschreibt

rarr Hauptartikel Shockley-Queisser-Grenze

Die Shockley-Queisser-Grenze betrachtet den fuumlr Solar-zellen typischen Anregungsprozess von Elektronen in ei-nem Halbleiter In einer Solarzelle wird dadurch Licht in

elektrische Energie umgewandelt dass das Licht Elek-tronen aus dem Valenzband in das Leitungsband anregtNur ein schmaler Ausschnitt des angebotenen Energie-spektrums wird genutzt Der theoretische Grenzwert en-ergieselektiver Zellen ist deshalb kleiner als das thermo-dynamische Limit eines Gesamtsystems

Entscheidend fuumlr die Energie die man pro angeregtemElektron gewinnen kann ist dabei die Groumlszlige der Bandluuml-cke E g des Halbleiters Unabhaumlngig davon wie weit dasElektron uumlber die untere Kante des Leitungsbandes an-geregt wird erhaumllt man pro Elektron maximal die Ener-gie der Bandluumlcke als elektrische Energie Bei der elektri-

schen Leistung die man aus allen angeregten Elektronengewinnt muss man beruumlcksichtigen dass bei einer klei-nen Bandluumlcke mehr Elektronen erzeugt werden Bei ei-ner groszligen Bandluumlcke hat jedes einzelne Elektron dafuumlrmehr Energie Es muss daher ein Kompromiss aus fol-genden Grenzfaumlllen gefunden werden

bull Groszlige Bandluumlcke Nur energiereiches Licht (blauesund ultraviolettes Licht) kann Elektronen erzeugenda laumlngere Wellenlaumlngen nicht absorbiert werdenWegen der groszligen Bandluumlcke besitzt jedes Elektroneine hohe Energie

bull Kleine Bandluumlcke Auch langwelliges Licht kannElektronen anregen so dass insgesamt viele Elektro-

nen ins Leitungsband angeregt werden Diese ver-lieren jedoch durch Stoszligprozesse mit dem Kristall-gitter in wenigen hundert Femtosekunden einen Teilihrer Energie bis sie nur noch die Energie der Band-luumlcke besitzen

Die Shockley-Queisser-Grenze gilt fuumlr den Fall einer Zel-le mit nur einem pn-Uumlbergang Mit sogenanntenTandem-Solarzellen (englisch multi-junction solar cell ) in de-nen mehrere pn-Uumlbergaumlnge mit verschiedenen Band-luumlcken kombiniert sind koumlnnen prinzipiell auch houml-here Wirkungsgrade erreicht werden siehe AbschnittMehrfachsolarzellen

7 Technische Merkmale

Die Kenngroumlszligen einer Solarzelle werden fuumlr normierteBedingungen die Standard-Testbedingungen haumlufig ab-gekuumlrzt STC (englisch Standard Test Conditions ) angege-ben

bull Einstrahlungsstaumlrke von1000 Wmsup2in Modulebene

bull Temperatur der Solarzelle 25 degC konstant

bull Strahlungsspektrum AM 15 global DIN EN 61215IEC 1215 DIN EN 60904 IEC 904

Dabei steht AM 15 global fuumlr den Begriff Air Mass die

15 dafuumlr dass die Sonnenstrahlen das 15-fache der At-mosphaumlrenhoumlhe durchlaufen weil sie schraumlg auftreffenDas entspricht sehr gut den sommerlichen Gegebenhei-ten in Mitteleuropa von Norditalien bis MittelschwedenIm Winter steht die Sonne in unseren Breiten erheblichtiefer und ein Wert von AM 4 bis AM 6 ist hier realisti-scher

Durch die Absorption in der Atmosphaumlre verschiebt sichauch das Spektrum des auf das Modul treffenden Lich-tes bdquoGloballdquo steht fuumlr Globalstrahlung die sich aus demDiffus- und dem Direktstrahlungsanteil der Sonne zusam-mensetzt

Dabei ist zu beachten dass in der Realitaumlt insbesonderedie Zellentemperatur bei einer solchen Einstrahlung diein Deutschland im Sommer zur Mittagszeit erreicht wirdbei normalem Betrieb wesentlich houmlher liegt (je nach An-bringung Windanstroumlmung etc kann sie zwischen etwa30 und 60 degC liegen) Eine erhoumlhte Zellentemperatur be-deutet aber gleichzeitig einen herabgesetzten Wirkungs-grad der Solarzelle Aus diesem Grund wurde auch eineweitere Bezugsgroumlszlige geschaffen PNOCT die Leistungbei normaler Betriebstemperatur (normal operating celltemperature)

Gebraumluchliche Abkuumlrzungen fuumlr die Bezeichnungen sind

bull SC Short Circuit ndash Kurzschluss

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71 Schaltbilder 17

Stromstaumlrke I Leistung P

e r z e u g

t e L e i s

t u n g

Spannung U

o h

n e

B e l e

u c h t u

n g

m i t

B e l e

u c h t u

n g

Kurzschluszligstrom

Leerlaufspannung

Punkt maximaler

Leistung

oc

I

I

mp UU

mp

sc

Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzelle beleuchtet und un-beleuchtet

bull OC Open Circuit ndash Leerlauf

bull MPP Maximum Power Point ndash Betriebspunkt ma-ximaler Leistung

bull PR Performance Ratio Qualitaumltsfaktor der an-gibt welcher Teil des vom Solargenerator erzeug-ten Stromertrages (unter Nennbedingungen) real zurVerfuumlgung steht

Die Kennwerte einer Solarzelle sind

bull Leerlaufspannung U OC (auch V OC )

bull Kurzschlussstrom I SC

bull Spannung im bestmoumlglichen Betriebspunkt U MPP

(auch V MPP )

bull Strom im Betriebspunkt mit maximaler LeistungI MPP

bull Maximale erzielbare Leistung P MPP Solarzellenher-steller geben diese unter standardisierten Bedin-gungen maximal erzielbare Leistung in der Einheit

kWp sprich bdquoKilowatt-Peakldquo an

bull Fuumlllfaktor F F = PMPPU OCmiddotI SC

bull Koeffizient fuumlr die Leistungsaumlnderung mit der Zell-temperatur

bull Zellwirkungsgrad η = P MPPAmiddotE e

mit der bestrahlten Flauml-che A und der Bestrahlungsstaumlrke E e

Solarzellen koumlnnen also eine Leistung von sehr grob 160Wmsup2 abgeben Eingebaut in ein Modul ist die Leistung

pro Flaumlche geringer da zwischen den Zellen und zumModulrand Abstaumlnde vorhanden sind Im Weltraum wirdeine Leistung von 220 Watt pro Quadratmeter erzielt[58]

Schaltsymbol einer Fotodiode

Schaltzeichen und einfaches Ersatzschaltbild einer Solarzelle

71 Schaltbilder

Das Schaltsymbol einer Solarzelle gibt wie das Schalt-symbol einer Diode oder Photodiode mit einem Pfeil

die technische Stromrichtung zur Verschaltung an DerKennlinienverlauf einer realen Solarzelle weicht aller-dings von der einer idealen Fotodiode ab Um die-se Abweichungen zu modellieren existieren mehrereErsatzschaltbilder

711 Vereinfachtes Ersatzschaltbild

Das Schaltbild besteht zunaumlchst nur aus einerStromquelle die parallel zu einer idealen Diode ge-schaltet wird Diese produziert einen Strom der vonder Bestrahlungsstaumlrke abhaumlngt und den Photostrom I ph

modelliert Die Gesamtstromstaumlrke ergibt sich damit mitdem Diodenstrom I D (siehe Diode) zu

I = I ph minus I D = I ph minus I S

983131e

U DnmiddotU T minus 1

983133

712 Erweitertes Ersatzschaltbild (Ein- undZweidiodenmodell)

Das erweiterte Ersatzschaltbild nimmt Ruumlcksicht auf rea-le Faktoren des Bauelementes die durch die Fertigung

entstehen Mit diesen Modellen soll ein moumlglichst rea-listisches Modell der tatsaumlchlichen Solarzelle geschaffenwerden Beim Eindiodenmodell wird so das vereinfach-

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18 9 UMWELTSCHUTZ

Eindiodenmodell einer Solarzelle

te Ersatzschaltbild zunaumlchst nur durch einen parallel undeinen in Reihe geschalteten Widerstand ergaumlnzt

bull Der Parallelwiderstand Rp symbolisiertKristallfehler nichtideale Dotierungsverteilungenund andere Materialdefekte durch dieVerluststroumlme entstehen die den p-n-Uumlberganguumlberbruumlcken Bei Solarzellen aus guter Herstellungist dieser Widerstand relativ groszlig

bull Mit dem Serienwiderstand Rs werden alle Effektezusammengefasst durch die ein houmlherer Gesamtwi-derstand des Bauelementes entsteht Das sind haupt-saumlchlich der Widerstand des Halbleitermaterials derWiderstand an den Kontakten und der ZuleitungenDiese Groumlszlige sollte bei gefertigten Solarzellen moumlg-lichst gering sein

Die Formel fuumlr den Gesamtstrom ist fuumlr dieses Modellbereits eine rekursive Funktion und lautet

I = I phminusI dminusU p

Rp= I phminusI S

983131eU +RsmiddotInmiddotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

Beim Uumlbergang zum Zweidiodenmodell fuumlgt man ei-

Zweidiodenmodell mit spannungsgesteuerter Stromquelle fuumlr denLawinendurchbruch in Sperr-Richtung

ne weitere Diode mit einem anderen Idealitaumltsfaktor nein Normalerweise werden diese uumlber die Werte 1 und2 angesetzt Weiterhin lassen sich alle diese Modellebei Betrieb in Sperr-Richtung durch eine spannungsge-steuerte Stromquelle ergaumlnzen um den Lawinendurch-bruch zu modellieren Die Formeln fuumlr die Stroumlme beim

Zweidiodenmodell lauten dann bei Anpassungsleitwert g Durchbruchspannung U und Lawinendurchbruchex-ponent n

I = I phminusI bminusI S1

983131eU +RsmiddotIn1middotU T minus 1

983133minusI S2

983131eU +RsmiddotIn2middotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

I b = gb middot

(U + Rs middot I )

Rpmiddot983080

1 minus

U + Rs middot I

U b983081minusnb

8 Energetische Amortisation undErntefaktoren

Siehe auch Erntefaktor

Die energetische Amortisationszeit ist der Zeitpunkt zudem die fuumlr die Herstellung einer Photovoltaikanlage auf-gewandte Primaumlrenergie durch selbige wieder erzeugt

wurde Da die bei der Produktion genutzte elektrischeEnergie zu den Sekundaumlrenergien zaumlhlt wird diese mitdem Wirkungsgrad eines fossilen Kraftwerkes in Pri-maumlrenergie umgerechnet Dementsprechend erfolgt dieseUmrechnung auch bei der erzeugten elektrischen Energieder Solarzelle Analog kann man sich vorstellen dass diePhotovoltaikanlage den Strom aus einem konventionellenKraftwerk ersetzt[59]

Die energetische Amortisationszeit von Photovoltaikan-lagen betraumlgt derzeit (Stand 2013) nach einer Studie vonPeng et al global betrachtet zwischen 075 und 35 Jah-ren je nach Standort und verwendeter Photovoltaiktech-

nologie Der Mittelwert schwankt im Bereich von ca15 bis 25 Jahren Dies bedeutet in diesem Zeitraumhat die Photovoltaikanlage wieder die Energie hereinge-spielt die insgesamt waumlhrend ihres gesamten Lebenszy-klus verbraucht wurde Beruumlcksichtigt sind also die Her-stellung der Anlagen ihr Transport die Errichtung Be-trieb und der Ruumlckbau bzw Recycling Die rechnerischenCO2-Emissionen von Photovoltaikanlagen je nach Tech-nik und Standort zwischen 105 und 50 g CO2kWh mitDurchschnitten im Bereich 35 bis 45 g CO2kWh AlsLebensdauer wurde in der Studie 30 Jahre fuumlr Moduleauf Basis kristalliner Siliciumzellen und 20-25 Jahren fuumlr

Duumlnnschichtmodule angenommen fuumlr Lebensdauer derWechselrichter wurden 15 Jahre angenommen[60] Photo-voltaikanlagen liefern demnach waumlhrend ihrer Betriebs-zeit ein Vielfaches der Energie die zu ihrer Herstellungurspruumlnglich aufgewandt wurde

9 Umweltschutz

Die Herstellung photovoltaischer Solarzellen ist ein che-mischer Prozess bei dem gasfoumlrmige fluumlssige und fes-te Chemikalien zum Einsatz kommen die gesundheits-

und umweltschaumldlich sind Aus diesem Grund ist ein ho-her Standard der Prozesssicherheit zentral Unter Ar-beitsschutzaspekten ist eine sichere Ablufterfassung und

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Reinigung zu gewaumlhrleisten Bei dem Einsatz von Nass-waumlschern wird die Abluft durch ein fluumlssiges Absorpti-onsmedium geleitet Wenn dieses aufgebraucht ist ent-steht eine weitere Abwasserquelle neben den Aumltzloumlsun-gen aus der Produktion Diese muumlssen innerbetrieblichwiederaufbereitet oder spezialisierten Entsorgern uumlber-

geben werden Bei der Herstellung von Duumlnnschicht-halbleitern kommt es an den Waumlnden und Aufbautender Prozesskammer zu siliciumhaltigen AblagerungenDie Ruumlckstaumlnde muumlssen regelmaumlszligig entfernt werden dasie den Prozess stoumlren und zu Qualitaumltseinbuszligen fuumlh-ren Zum Entfernen der Ruumlckstaumlnde verwendet manSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid als Reini-gungsgase Beide Gase sind zwar ungiftig gleichwohlaber sehr starke Treibhausgase[61] In der Zellproduk-tion muumlssen die Reinigungsgase mit hoher Volumen-flussrate eingesetzt werden da sie chemisch sehr sta-bil sind und im Plasma zu weniger als 10 in rei-

nigungsaktive Radikale zerfallen Ein Groszligteil des Ga-ses bleibt somit ungenutzt und muss kostenintensiv ent-sorgt werden Zum Teil entweicht es ndash gewollt oder un-gewollt ndash direkt in die Umwelt Hieraus erklaumlrt sichu a auch der kuumlrzlich gemessene starke Anstieg derStickstofftrifluoridkonzentration in der Hochatmosphauml-re besonders uumlber Ost- und Suumldostasien An Stelle vonSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid kann auchdas sehr reaktive Halogen Fluor als Reinigungsgas ver-wendet werden Fluor ist sehr giftig es ist jedoch keinTreibhausgas Auszligerdem laumlsst es sich sehr leicht undruumlckstandsfrei aus Abgasstroumlmen entfernen

Einige Solarzelltypen verwenden anstelle von SiliciumStoffe wie z B toxisches oder karzinogenes CadmiumArsen bzw deren Verbindungen sowie Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid Ein typisches Cadmiumtellurid-Solarmodul enthaumllt zum Beispiel ca 22 g des gefaumlhrli-chen Schwermetalls Cadmium und 25 g Tellur pro msup2Zellflaumlche[62] Bei der Produktion werden beide Sub-stanzen durch Co-Verdampfung auf das Traumlgermaterialaufgebracht Die Co-Verdampfung ist ein ungerichteterProzess bei dem die gesamte Innenoberflaumlche derBeschichtungskammer mit Duumlnnschichten aus TellurCadmiumtellurid Cadmiumsulfid und Antimontelluriduumlberzogen werden Der Materialverbrauch erhoumlht sich

dadurch um mindestens weitere 40

Bei der regelmaumlszligigen Reinigung der Produktionskam-mer mit waumlssriger Saumlure ndash die Reinigung erfolgt ma-nuell ndash werden die Ruumlckstaumlnde in eine waumlssrige Louml-sung uumlberfuumlhrt Neben der eigentlichen Zellprodukti-on stellt also auch die Reinigung der Produktions-anlagen eine Herausforderung an Umweltschutz undArbeitsschutz dar[63][64][65][66][67] Eine neuere Unter-suchung versucht die geringere Gefaumlhrdung die vonCadmiumtellurid-Zellen im Vergleich zur Kohleverbren-nung ausgeht nachzuweisen[36] Produktionsruumlckstaumln-de und Emissionen koumlnnen zu Langzeitschaumlden und

Altlasten fuumlhren Gleiches gilt bei unsachgemaumlszliger Ent-sorgung fuumlr die Altzellen Die Photovoltaik unterschei-

det sich in diesem Aspekt von anderen Technologien zurNutzung regenerativer Energien

10 Sicherheitsbetrachtung

Fuumlr Schutzmaszlignahmen im Brandfall und Blitzeinschlagsiehe Photovoltaikanlage

11 Siehe auch

bull Halbleiterdetektor

bull Sonnensimulator (Photovoltaik)

12 Literatur

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bull Viktor Wesselak Thomas Schabbach ThomasLink Joachim Fischer Regenerative Energietech-nik 2 erweiterte und vollstaumlndig neu bearbeite-te Auflage Springer Vieweg Berlin Heidelberg2013 ISBN 978-3-642-24165-9

bull Peter Wuumlrfel Physik der Solarzellen SpektrumAkademischer Verlag Heidelberg 2000 ISBN 3-8274-0598-X (= Spektrum Hochschultaschenbuch)

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20 14 EINZELNACHWEISE

13 Weblinks

Commons Solarzelle ndash Album mit Bildern Videosund Audiodateien

Wikibooks Herstellung von Solarzellen ndash Lern-

und Lehrmaterialien

bull Die Solarmaus ndash Entstehung der Solarzelle mit Ar-min Maiwald (YouTube-Video)

bull PV-Education ndash detaillierte Online-Vorlesung mitGrundlagen und Anwendungen zur PV (englisch)

bull Photovoltaik ndash Innovationen (BINE Informations-dienst)

14 Einzelnachweise

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15 Text- und Bildquellen Autoren und Lizenzen

151 Text

bull Solarzelle Quelle httpdewikipediaorgwikiSolarzelleoldid=138856800 Autoren Fgb RobertLechner Schewek Igelball Aka StefanKuumlhn Lukian Onno Ilja Lorek Head El GNosis Atman Sun Tsor Matthaumlus Wander Seewolf HenrikHolke Honina Pstaudt-fischbachSchusch GDK Migas Paddy Zwobot Kai11 D HaeB ArtMechanic Hadhuey Robbot Pm Anton HaSee Rdb Boehm ZumboDirk33 AndreasB Pietz Soundray Sinn Peter200 Schmiddtchen Fuenfundachtzig Breeze Magadan Fetz Braun Jdiemer StYxXxSebastianWilken Martin-vogel Mnh Ot Aloiswuest MAK Scorpion2211 Gerhardvalentin Jaques AshSert Philipendula STephanKambor Koerpertraining Nicolas PeeCee Duesentrieb AHZ Hendric Stattmann Kristjan Ri st Hafex Norro Cepheiden Christoph-Demmer Fubar Ckeen DasBee Silberchen iexcl0-8-15 1-1111 VanGore Mjk Groer Umaluagr Mkuemmerer Wendelin Cyper QdrDundak Liberatus Juesch Kdkeller Greuer Drap Garak76 MartinThoma Udo T Zaungast Stephantom Pelz ML Thorbjoern Hein-te Diba Blech Zahnstein Renekaemmerer He3nry SchorSch Ion Tauwasser Bobbl Rosa Lux Gerbil Ulfbastel Hubertl MrVVooUebel H2h Liberal Freemason Quirin Leonce49 Blaubahn Flominator RedBot Anhi Dein Freund der Baum Wkw1959 So66 Cle-mensfranz OKoslowski Itti Yahp Miaow Miaow Zaphiro Eneldo Onliner Wahldresdner Darok MovGP0 Muck Uwezi Loh SyrcroZweistein12 Olei Dantor Krischan111 Nize Uwe W Georg Slickers Amtiss Roterraecher RajHid STBR Jackalope Ephraim33JFKCom Andimx Suirenn Hydro Pajz Dktz RobotQuistnix Alanmak Euku Xocolatl Hermannthomas Eynre Savin 2005 AbrevFireball TheTruth Bahnemann Segelmaus Harf Jakob5 Zemy Nyneela Schmitty TobiWanKenobi DerHexer WAH Sesc RolandBerger Schlesinger Staro1 Mo4jolo GeorgHH MutluMan Nightflyer Matzematik PeterFrankfurt Tomreplay PortalBot Ing Schrouml-der Walter LKD Juuml Manecke Quelokee Mons Maenalus JoBa2282 Stepa Giessauf A Cellulesolaire Lemberger HillerD RadlfahrerHelfmann Logograph Mion KaiMeier Sepp Roest FabiBerg Flo422 Degreen Rai42 Rfc GruumlneErde Btr FelixP Wdwd PendulinAdipictures HAH Toumlnjes Kaumlpten Balu Andreas 06 Batosai Rex Akribix D-Kuru UnknownID01 Cramunhao BesondereUmstaende

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Avene DerGraueWolf Martin1978 Wassertraeger Pleonasty HRoestTypo EmausBot Halbarath Muumldigkeit ReinerSpass Mswisi Un-sterblicher TtIiMmOOO ZeacuteroBot Ottomanisch Dsfranzi Didym Striga Cologinux 30wiki04 Karle07 Ne discere cessa Rabax63Waithamai EnergieLabor Cassirer Randolph33 Mukitil Nummer4 Googolplex Flanschko Georgepauljohnringo Woltmers KrdbotHephaion Andol MerlIwBot Mikered KLBot2 Oguenther Thesurvived99 Herzoeglich Rudschuck Tomaacutes66 Gregou Boshomi Stei-ni77 Isjc99 Derschueler Hans Haase Schwunkel Smallandsimple Ciwd2 Nurax666 Krantnejie Rmcharb Kuschi51 Cimballi Redak-tionPflanze Datenundfakten Ragna314 Fico123456789 Buchbibliothek Blafnu Ferina53Solarous Kritzolina WhistlingBird Budu123Manni Lang HeicoH und Anonyme 686

152 Bilder

bull DateiBest_Research-Cell_Efficienciespng Quelle httpuploadwikimediaorgwikipediacommons335Best_Research-Cell_Efficienciespng Lizenz Public domain Autoren National Renewable Energy Laboratory (NREL) Golden CO minus United StatesDepartment of Energy Originalkuumlnstler National Renewable Energy Laboratory (NREL)

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bull Fraunhofer ISE Report current edition Originalkuumlnstler Eigenes Werk

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24 15 TEXT- UND BILDQUELLEN AUTOREN UND LIZENZEN

bull DateiMonokristalines_Silizium_fuumlr_die_Waferherstellungjpg Quelle httpuploadwikimediaorgwikipediacommons223Monokristalines_Silizium_fC3BCr_die_Waferherstellungjpg Lizenz CC-BY-SA-30 Autoren Originalkuumlnstler

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Page 17: Solar Zelle

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71 Schaltbilder 17

Stromstaumlrke I Leistung P

e r z e u g

t e L e i s

t u n g

Spannung U

o h

n e

B e l e

u c h t u

n g

m i t

B e l e

u c h t u

n g

Kurzschluszligstrom

Leerlaufspannung

Punkt maximaler

Leistung

oc

I

I

mp UU

mp

sc

Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzelle beleuchtet und un-beleuchtet

bull OC Open Circuit ndash Leerlauf

bull MPP Maximum Power Point ndash Betriebspunkt ma-ximaler Leistung

bull PR Performance Ratio Qualitaumltsfaktor der an-gibt welcher Teil des vom Solargenerator erzeug-ten Stromertrages (unter Nennbedingungen) real zurVerfuumlgung steht

Die Kennwerte einer Solarzelle sind

bull Leerlaufspannung U OC (auch V OC )

bull Kurzschlussstrom I SC

bull Spannung im bestmoumlglichen Betriebspunkt U MPP

(auch V MPP )

bull Strom im Betriebspunkt mit maximaler LeistungI MPP

bull Maximale erzielbare Leistung P MPP Solarzellenher-steller geben diese unter standardisierten Bedin-gungen maximal erzielbare Leistung in der Einheit

kWp sprich bdquoKilowatt-Peakldquo an

bull Fuumlllfaktor F F = PMPPU OCmiddotI SC

bull Koeffizient fuumlr die Leistungsaumlnderung mit der Zell-temperatur

bull Zellwirkungsgrad η = P MPPAmiddotE e

mit der bestrahlten Flauml-che A und der Bestrahlungsstaumlrke E e

Solarzellen koumlnnen also eine Leistung von sehr grob 160Wmsup2 abgeben Eingebaut in ein Modul ist die Leistung

pro Flaumlche geringer da zwischen den Zellen und zumModulrand Abstaumlnde vorhanden sind Im Weltraum wirdeine Leistung von 220 Watt pro Quadratmeter erzielt[58]

Schaltsymbol einer Fotodiode

Schaltzeichen und einfaches Ersatzschaltbild einer Solarzelle

71 Schaltbilder

Das Schaltsymbol einer Solarzelle gibt wie das Schalt-symbol einer Diode oder Photodiode mit einem Pfeil

die technische Stromrichtung zur Verschaltung an DerKennlinienverlauf einer realen Solarzelle weicht aller-dings von der einer idealen Fotodiode ab Um die-se Abweichungen zu modellieren existieren mehrereErsatzschaltbilder

711 Vereinfachtes Ersatzschaltbild

Das Schaltbild besteht zunaumlchst nur aus einerStromquelle die parallel zu einer idealen Diode ge-schaltet wird Diese produziert einen Strom der vonder Bestrahlungsstaumlrke abhaumlngt und den Photostrom I ph

modelliert Die Gesamtstromstaumlrke ergibt sich damit mitdem Diodenstrom I D (siehe Diode) zu

I = I ph minus I D = I ph minus I S

983131e

U DnmiddotU T minus 1

983133

712 Erweitertes Ersatzschaltbild (Ein- undZweidiodenmodell)

Das erweiterte Ersatzschaltbild nimmt Ruumlcksicht auf rea-le Faktoren des Bauelementes die durch die Fertigung

entstehen Mit diesen Modellen soll ein moumlglichst rea-listisches Modell der tatsaumlchlichen Solarzelle geschaffenwerden Beim Eindiodenmodell wird so das vereinfach-

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18 9 UMWELTSCHUTZ

Eindiodenmodell einer Solarzelle

te Ersatzschaltbild zunaumlchst nur durch einen parallel undeinen in Reihe geschalteten Widerstand ergaumlnzt

bull Der Parallelwiderstand Rp symbolisiertKristallfehler nichtideale Dotierungsverteilungenund andere Materialdefekte durch dieVerluststroumlme entstehen die den p-n-Uumlberganguumlberbruumlcken Bei Solarzellen aus guter Herstellungist dieser Widerstand relativ groszlig

bull Mit dem Serienwiderstand Rs werden alle Effektezusammengefasst durch die ein houmlherer Gesamtwi-derstand des Bauelementes entsteht Das sind haupt-saumlchlich der Widerstand des Halbleitermaterials derWiderstand an den Kontakten und der ZuleitungenDiese Groumlszlige sollte bei gefertigten Solarzellen moumlg-lichst gering sein

Die Formel fuumlr den Gesamtstrom ist fuumlr dieses Modellbereits eine rekursive Funktion und lautet

I = I phminusI dminusU p

Rp= I phminusI S

983131eU +RsmiddotInmiddotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

Beim Uumlbergang zum Zweidiodenmodell fuumlgt man ei-

Zweidiodenmodell mit spannungsgesteuerter Stromquelle fuumlr denLawinendurchbruch in Sperr-Richtung

ne weitere Diode mit einem anderen Idealitaumltsfaktor nein Normalerweise werden diese uumlber die Werte 1 und2 angesetzt Weiterhin lassen sich alle diese Modellebei Betrieb in Sperr-Richtung durch eine spannungsge-steuerte Stromquelle ergaumlnzen um den Lawinendurch-bruch zu modellieren Die Formeln fuumlr die Stroumlme beim

Zweidiodenmodell lauten dann bei Anpassungsleitwert g Durchbruchspannung U und Lawinendurchbruchex-ponent n

I = I phminusI bminusI S1

983131eU +RsmiddotIn1middotU T minus 1

983133minusI S2

983131eU +RsmiddotIn2middotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

I b = gb middot

(U + Rs middot I )

Rpmiddot983080

1 minus

U + Rs middot I

U b983081minusnb

8 Energetische Amortisation undErntefaktoren

Siehe auch Erntefaktor

Die energetische Amortisationszeit ist der Zeitpunkt zudem die fuumlr die Herstellung einer Photovoltaikanlage auf-gewandte Primaumlrenergie durch selbige wieder erzeugt

wurde Da die bei der Produktion genutzte elektrischeEnergie zu den Sekundaumlrenergien zaumlhlt wird diese mitdem Wirkungsgrad eines fossilen Kraftwerkes in Pri-maumlrenergie umgerechnet Dementsprechend erfolgt dieseUmrechnung auch bei der erzeugten elektrischen Energieder Solarzelle Analog kann man sich vorstellen dass diePhotovoltaikanlage den Strom aus einem konventionellenKraftwerk ersetzt[59]

Die energetische Amortisationszeit von Photovoltaikan-lagen betraumlgt derzeit (Stand 2013) nach einer Studie vonPeng et al global betrachtet zwischen 075 und 35 Jah-ren je nach Standort und verwendeter Photovoltaiktech-

nologie Der Mittelwert schwankt im Bereich von ca15 bis 25 Jahren Dies bedeutet in diesem Zeitraumhat die Photovoltaikanlage wieder die Energie hereinge-spielt die insgesamt waumlhrend ihres gesamten Lebenszy-klus verbraucht wurde Beruumlcksichtigt sind also die Her-stellung der Anlagen ihr Transport die Errichtung Be-trieb und der Ruumlckbau bzw Recycling Die rechnerischenCO2-Emissionen von Photovoltaikanlagen je nach Tech-nik und Standort zwischen 105 und 50 g CO2kWh mitDurchschnitten im Bereich 35 bis 45 g CO2kWh AlsLebensdauer wurde in der Studie 30 Jahre fuumlr Moduleauf Basis kristalliner Siliciumzellen und 20-25 Jahren fuumlr

Duumlnnschichtmodule angenommen fuumlr Lebensdauer derWechselrichter wurden 15 Jahre angenommen[60] Photo-voltaikanlagen liefern demnach waumlhrend ihrer Betriebs-zeit ein Vielfaches der Energie die zu ihrer Herstellungurspruumlnglich aufgewandt wurde

9 Umweltschutz

Die Herstellung photovoltaischer Solarzellen ist ein che-mischer Prozess bei dem gasfoumlrmige fluumlssige und fes-te Chemikalien zum Einsatz kommen die gesundheits-

und umweltschaumldlich sind Aus diesem Grund ist ein ho-her Standard der Prozesssicherheit zentral Unter Ar-beitsschutzaspekten ist eine sichere Ablufterfassung und

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19

Reinigung zu gewaumlhrleisten Bei dem Einsatz von Nass-waumlschern wird die Abluft durch ein fluumlssiges Absorpti-onsmedium geleitet Wenn dieses aufgebraucht ist ent-steht eine weitere Abwasserquelle neben den Aumltzloumlsun-gen aus der Produktion Diese muumlssen innerbetrieblichwiederaufbereitet oder spezialisierten Entsorgern uumlber-

geben werden Bei der Herstellung von Duumlnnschicht-halbleitern kommt es an den Waumlnden und Aufbautender Prozesskammer zu siliciumhaltigen AblagerungenDie Ruumlckstaumlnde muumlssen regelmaumlszligig entfernt werden dasie den Prozess stoumlren und zu Qualitaumltseinbuszligen fuumlh-ren Zum Entfernen der Ruumlckstaumlnde verwendet manSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid als Reini-gungsgase Beide Gase sind zwar ungiftig gleichwohlaber sehr starke Treibhausgase[61] In der Zellproduk-tion muumlssen die Reinigungsgase mit hoher Volumen-flussrate eingesetzt werden da sie chemisch sehr sta-bil sind und im Plasma zu weniger als 10 in rei-

nigungsaktive Radikale zerfallen Ein Groszligteil des Ga-ses bleibt somit ungenutzt und muss kostenintensiv ent-sorgt werden Zum Teil entweicht es ndash gewollt oder un-gewollt ndash direkt in die Umwelt Hieraus erklaumlrt sichu a auch der kuumlrzlich gemessene starke Anstieg derStickstofftrifluoridkonzentration in der Hochatmosphauml-re besonders uumlber Ost- und Suumldostasien An Stelle vonSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid kann auchdas sehr reaktive Halogen Fluor als Reinigungsgas ver-wendet werden Fluor ist sehr giftig es ist jedoch keinTreibhausgas Auszligerdem laumlsst es sich sehr leicht undruumlckstandsfrei aus Abgasstroumlmen entfernen

Einige Solarzelltypen verwenden anstelle von SiliciumStoffe wie z B toxisches oder karzinogenes CadmiumArsen bzw deren Verbindungen sowie Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid Ein typisches Cadmiumtellurid-Solarmodul enthaumllt zum Beispiel ca 22 g des gefaumlhrli-chen Schwermetalls Cadmium und 25 g Tellur pro msup2Zellflaumlche[62] Bei der Produktion werden beide Sub-stanzen durch Co-Verdampfung auf das Traumlgermaterialaufgebracht Die Co-Verdampfung ist ein ungerichteterProzess bei dem die gesamte Innenoberflaumlche derBeschichtungskammer mit Duumlnnschichten aus TellurCadmiumtellurid Cadmiumsulfid und Antimontelluriduumlberzogen werden Der Materialverbrauch erhoumlht sich

dadurch um mindestens weitere 40

Bei der regelmaumlszligigen Reinigung der Produktionskam-mer mit waumlssriger Saumlure ndash die Reinigung erfolgt ma-nuell ndash werden die Ruumlckstaumlnde in eine waumlssrige Louml-sung uumlberfuumlhrt Neben der eigentlichen Zellprodukti-on stellt also auch die Reinigung der Produktions-anlagen eine Herausforderung an Umweltschutz undArbeitsschutz dar[63][64][65][66][67] Eine neuere Unter-suchung versucht die geringere Gefaumlhrdung die vonCadmiumtellurid-Zellen im Vergleich zur Kohleverbren-nung ausgeht nachzuweisen[36] Produktionsruumlckstaumln-de und Emissionen koumlnnen zu Langzeitschaumlden und

Altlasten fuumlhren Gleiches gilt bei unsachgemaumlszliger Ent-sorgung fuumlr die Altzellen Die Photovoltaik unterschei-

det sich in diesem Aspekt von anderen Technologien zurNutzung regenerativer Energien

10 Sicherheitsbetrachtung

Fuumlr Schutzmaszlignahmen im Brandfall und Blitzeinschlagsiehe Photovoltaikanlage

11 Siehe auch

bull Halbleiterdetektor

bull Sonnensimulator (Photovoltaik)

12 Literatur

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bull Heinrich Haumlberlin Photovoltaik Strom aus Son-nenlicht fuumlr Verbundnetz und Inselanlagen 2 we-sentlich erweiterte und aktualisierte Auflage VDE Electrosuisse Berlin Fehraltorf 2010 ISBN 978-3-8007-3205-0 (VDE) ISBN 978-3-905214-62-8(Electrosuisse)

bull Tom Markvart Luis Castantildeer Solar cells ndash mate-rials manufacture and operation Elsevier Oxford2006 ISBN 1-85617-457-3 (englisch)

bull Volker Quaschning Regenerative Energiesysteme 8Auflage Hanser Muumlnchen 2013 ISBN 978-3-446-

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bull Viktor Wesselak Sebastian Voswinckel Photovol-taik Wie Sonne zu Strom wird Daten FaktenHintergruumlnde Springer Vieweg Berlin 2012 ISBN978-3-642-24296-0 (= Technik im Fokus )

bull Viktor Wesselak Thomas Schabbach ThomasLink Joachim Fischer Regenerative Energietech-nik 2 erweiterte und vollstaumlndig neu bearbeite-te Auflage Springer Vieweg Berlin Heidelberg2013 ISBN 978-3-642-24165-9

bull Peter Wuumlrfel Physik der Solarzellen SpektrumAkademischer Verlag Heidelberg 2000 ISBN 3-8274-0598-X (= Spektrum Hochschultaschenbuch)

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20 14 EINZELNACHWEISE

13 Weblinks

Commons Solarzelle ndash Album mit Bildern Videosund Audiodateien

Wikibooks Herstellung von Solarzellen ndash Lern-

und Lehrmaterialien

bull Die Solarmaus ndash Entstehung der Solarzelle mit Ar-min Maiwald (YouTube-Video)

bull PV-Education ndash detaillierte Online-Vorlesung mitGrundlagen und Anwendungen zur PV (englisch)

bull Photovoltaik ndash Innovationen (BINE Informations-dienst)

14 Einzelnachweise

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15 Text- und Bildquellen Autoren und Lizenzen

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bull Solarzelle Quelle httpdewikipediaorgwikiSolarzelleoldid=138856800 Autoren Fgb RobertLechner Schewek Igelball Aka StefanKuumlhn Lukian Onno Ilja Lorek Head El GNosis Atman Sun Tsor Matthaumlus Wander Seewolf HenrikHolke Honina Pstaudt-fischbachSchusch GDK Migas Paddy Zwobot Kai11 D HaeB ArtMechanic Hadhuey Robbot Pm Anton HaSee Rdb Boehm ZumboDirk33 AndreasB Pietz Soundray Sinn Peter200 Schmiddtchen Fuenfundachtzig Breeze Magadan Fetz Braun Jdiemer StYxXxSebastianWilken Martin-vogel Mnh Ot Aloiswuest MAK Scorpion2211 Gerhardvalentin Jaques AshSert Philipendula STephanKambor Koerpertraining Nicolas PeeCee Duesentrieb AHZ Hendric Stattmann Kristjan Ri st Hafex Norro Cepheiden Christoph-Demmer Fubar Ckeen DasBee Silberchen iexcl0-8-15 1-1111 VanGore Mjk Groer Umaluagr Mkuemmerer Wendelin Cyper QdrDundak Liberatus Juesch Kdkeller Greuer Drap Garak76 MartinThoma Udo T Zaungast Stephantom Pelz ML Thorbjoern Hein-te Diba Blech Zahnstein Renekaemmerer He3nry SchorSch Ion Tauwasser Bobbl Rosa Lux Gerbil Ulfbastel Hubertl MrVVooUebel H2h Liberal Freemason Quirin Leonce49 Blaubahn Flominator RedBot Anhi Dein Freund der Baum Wkw1959 So66 Cle-mensfranz OKoslowski Itti Yahp Miaow Miaow Zaphiro Eneldo Onliner Wahldresdner Darok MovGP0 Muck Uwezi Loh SyrcroZweistein12 Olei Dantor Krischan111 Nize Uwe W Georg Slickers Amtiss Roterraecher RajHid STBR Jackalope Ephraim33JFKCom Andimx Suirenn Hydro Pajz Dktz RobotQuistnix Alanmak Euku Xocolatl Hermannthomas Eynre Savin 2005 AbrevFireball TheTruth Bahnemann Segelmaus Harf Jakob5 Zemy Nyneela Schmitty TobiWanKenobi DerHexer WAH Sesc RolandBerger Schlesinger Staro1 Mo4jolo GeorgHH MutluMan Nightflyer Matzematik PeterFrankfurt Tomreplay PortalBot Ing Schrouml-der Walter LKD Juuml Manecke Quelokee Mons Maenalus JoBa2282 Stepa Giessauf A Cellulesolaire Lemberger HillerD RadlfahrerHelfmann Logograph Mion KaiMeier Sepp Roest FabiBerg Flo422 Degreen Rai42 Rfc GruumlneErde Btr FelixP Wdwd PendulinAdipictures HAH Toumlnjes Kaumlpten Balu Andreas 06 Batosai Rex Akribix D-Kuru UnknownID01 Cramunhao BesondereUmstaende

Tetris L MichaelFrey Jaellee Moumlchtegern Rufus46 Tillniermann TobiasKlaus Spuk968 Thijsbot Hpt Drcueppers Styxcr Wiki-murmeltier XenonX3 YMS Jobu0101 Leider Mschachinger Taratonga Horst Graumlbner WasserFreund Gustav von Aschenbach TobiB Muck31 Dandelo Simon-Martin Hedwig in Washington JAnDbot Nicolas G Gratisaktie Mrdaemon YourEyesOnly MarkujaIqRS M0nsterxxl Frankee 67 Cspan64 IRiedel Qkaz Jbergner Septembermorgen Gerhard wien CommonsDelinker Phriedrich Kue-bi Leuni Alchemist-hp Radunze Giftmischer Blaufisch Don Magnifico Axl Rose ABF Diwas RacoonyRE Sundar1 Complex TarfulAnjaM Lmmrs Zeitan Reaper35 VolkovBot Gravitophoton ldblquote Michileo Hjortron TXiKiBoT Kockmeyer Cactus26 Bazoo-kabill Rei-bot Petuschki Regi51 Claude J Idioma-bot Zwoumllfvolt Angerdan Martinhei ChrisHamburg Benutzer20070331 KrawiIshbane Entlinkt Taschna Der kleine gruumlne Schornstein DerTraeumer Tubas Juri S Worfo Engie Funkruf K41f1r Rotkaeppchen68Truthlobby Snoopy1964 Avoided Josal69 Aktionsbot Dudemaster23 Bengor Succu DonatelloXX Alnilam Kh555 TorwartfehlerPickhj Wispanow Pittimann Matthiasberlin Bullvolkar Se4598 Emergency doc Querverplaumlnkler Wizard of Oz(wald) Kein EinsteinHoltzhammer Blusky Halis Jelges Inkowik Fish-guts DumZiBoT SchroedingersKatze Grey Geezer Steinbeisser Horvath08 Gi-nosbot Simonste Philipp Wetzlar CaZeRillo Amirobot Luckas-bot KamikazeBot GrouchoBot Wiki4you Spookie1302 Small AxeHarald Lordick Shisha-Tom Yonidebot CSGSolarAT Xqbot ArthurBot Howwi Cubjek Morten Haan Astrobeamer Brodkey65 Pv42Pentachlorphenol Geierkraumlchz TB42 CactusBot Sunrydz Quartl Sindopower Rr2000 Norbirt Fredric Qniemiec Simey00wiki Ko-piersperre Jivee Blau Roentgenium111 Sebaacutestian San Diego MorbZ-Bot ShithappensbyTuE MondalorBot Jashuah Nothere Rubbles-by Ein kleiner Physiker Dermartinrockt Antonsusi Wurmkraut Mabschaaf Alraunenstern SolarFuture Aund M Weitzer Helium4

Avene DerGraueWolf Martin1978 Wassertraeger Pleonasty HRoestTypo EmausBot Halbarath Muumldigkeit ReinerSpass Mswisi Un-sterblicher TtIiMmOOO ZeacuteroBot Ottomanisch Dsfranzi Didym Striga Cologinux 30wiki04 Karle07 Ne discere cessa Rabax63Waithamai EnergieLabor Cassirer Randolph33 Mukitil Nummer4 Googolplex Flanschko Georgepauljohnringo Woltmers KrdbotHephaion Andol MerlIwBot Mikered KLBot2 Oguenther Thesurvived99 Herzoeglich Rudschuck Tomaacutes66 Gregou Boshomi Stei-ni77 Isjc99 Derschueler Hans Haase Schwunkel Smallandsimple Ciwd2 Nurax666 Krantnejie Rmcharb Kuschi51 Cimballi Redak-tionPflanze Datenundfakten Ragna314 Fico123456789 Buchbibliothek Blafnu Ferina53Solarous Kritzolina WhistlingBird Budu123Manni Lang HeicoH und Anonyme 686

152 Bilder

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bull Fraunhofer ISE Report current edition Originalkuumlnstler Eigenes Werk

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Monocrystalline_polycrystalline_silicon_solarcelljpg Lizenz CC BY 30 Autoren Eigenes Werk Originalkuumlnstler Klaus Mueller

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24 15 TEXT- UND BILDQUELLEN AUTOREN UND LIZENZEN

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153 Inhaltslizenz

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Page 18: Solar Zelle

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18 9 UMWELTSCHUTZ

Eindiodenmodell einer Solarzelle

te Ersatzschaltbild zunaumlchst nur durch einen parallel undeinen in Reihe geschalteten Widerstand ergaumlnzt

bull Der Parallelwiderstand Rp symbolisiertKristallfehler nichtideale Dotierungsverteilungenund andere Materialdefekte durch dieVerluststroumlme entstehen die den p-n-Uumlberganguumlberbruumlcken Bei Solarzellen aus guter Herstellungist dieser Widerstand relativ groszlig

bull Mit dem Serienwiderstand Rs werden alle Effektezusammengefasst durch die ein houmlherer Gesamtwi-derstand des Bauelementes entsteht Das sind haupt-saumlchlich der Widerstand des Halbleitermaterials derWiderstand an den Kontakten und der ZuleitungenDiese Groumlszlige sollte bei gefertigten Solarzellen moumlg-lichst gering sein

Die Formel fuumlr den Gesamtstrom ist fuumlr dieses Modellbereits eine rekursive Funktion und lautet

I = I phminusI dminusU p

Rp= I phminusI S

983131eU +RsmiddotInmiddotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

Beim Uumlbergang zum Zweidiodenmodell fuumlgt man ei-

Zweidiodenmodell mit spannungsgesteuerter Stromquelle fuumlr denLawinendurchbruch in Sperr-Richtung

ne weitere Diode mit einem anderen Idealitaumltsfaktor nein Normalerweise werden diese uumlber die Werte 1 und2 angesetzt Weiterhin lassen sich alle diese Modellebei Betrieb in Sperr-Richtung durch eine spannungsge-steuerte Stromquelle ergaumlnzen um den Lawinendurch-bruch zu modellieren Die Formeln fuumlr die Stroumlme beim

Zweidiodenmodell lauten dann bei Anpassungsleitwert g Durchbruchspannung U und Lawinendurchbruchex-ponent n

I = I phminusI bminusI S1

983131eU +RsmiddotIn1middotU T minus 1

983133minusI S2

983131eU +RsmiddotIn2middotU T minus 1

983133minus

U + Rs middot I

Rp

I b = gb middot

(U + Rs middot I )

Rpmiddot983080

1 minus

U + Rs middot I

U b983081minusnb

8 Energetische Amortisation undErntefaktoren

Siehe auch Erntefaktor

Die energetische Amortisationszeit ist der Zeitpunkt zudem die fuumlr die Herstellung einer Photovoltaikanlage auf-gewandte Primaumlrenergie durch selbige wieder erzeugt

wurde Da die bei der Produktion genutzte elektrischeEnergie zu den Sekundaumlrenergien zaumlhlt wird diese mitdem Wirkungsgrad eines fossilen Kraftwerkes in Pri-maumlrenergie umgerechnet Dementsprechend erfolgt dieseUmrechnung auch bei der erzeugten elektrischen Energieder Solarzelle Analog kann man sich vorstellen dass diePhotovoltaikanlage den Strom aus einem konventionellenKraftwerk ersetzt[59]

Die energetische Amortisationszeit von Photovoltaikan-lagen betraumlgt derzeit (Stand 2013) nach einer Studie vonPeng et al global betrachtet zwischen 075 und 35 Jah-ren je nach Standort und verwendeter Photovoltaiktech-

nologie Der Mittelwert schwankt im Bereich von ca15 bis 25 Jahren Dies bedeutet in diesem Zeitraumhat die Photovoltaikanlage wieder die Energie hereinge-spielt die insgesamt waumlhrend ihres gesamten Lebenszy-klus verbraucht wurde Beruumlcksichtigt sind also die Her-stellung der Anlagen ihr Transport die Errichtung Be-trieb und der Ruumlckbau bzw Recycling Die rechnerischenCO2-Emissionen von Photovoltaikanlagen je nach Tech-nik und Standort zwischen 105 und 50 g CO2kWh mitDurchschnitten im Bereich 35 bis 45 g CO2kWh AlsLebensdauer wurde in der Studie 30 Jahre fuumlr Moduleauf Basis kristalliner Siliciumzellen und 20-25 Jahren fuumlr

Duumlnnschichtmodule angenommen fuumlr Lebensdauer derWechselrichter wurden 15 Jahre angenommen[60] Photo-voltaikanlagen liefern demnach waumlhrend ihrer Betriebs-zeit ein Vielfaches der Energie die zu ihrer Herstellungurspruumlnglich aufgewandt wurde

9 Umweltschutz

Die Herstellung photovoltaischer Solarzellen ist ein che-mischer Prozess bei dem gasfoumlrmige fluumlssige und fes-te Chemikalien zum Einsatz kommen die gesundheits-

und umweltschaumldlich sind Aus diesem Grund ist ein ho-her Standard der Prozesssicherheit zentral Unter Ar-beitsschutzaspekten ist eine sichere Ablufterfassung und

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Reinigung zu gewaumlhrleisten Bei dem Einsatz von Nass-waumlschern wird die Abluft durch ein fluumlssiges Absorpti-onsmedium geleitet Wenn dieses aufgebraucht ist ent-steht eine weitere Abwasserquelle neben den Aumltzloumlsun-gen aus der Produktion Diese muumlssen innerbetrieblichwiederaufbereitet oder spezialisierten Entsorgern uumlber-

geben werden Bei der Herstellung von Duumlnnschicht-halbleitern kommt es an den Waumlnden und Aufbautender Prozesskammer zu siliciumhaltigen AblagerungenDie Ruumlckstaumlnde muumlssen regelmaumlszligig entfernt werden dasie den Prozess stoumlren und zu Qualitaumltseinbuszligen fuumlh-ren Zum Entfernen der Ruumlckstaumlnde verwendet manSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid als Reini-gungsgase Beide Gase sind zwar ungiftig gleichwohlaber sehr starke Treibhausgase[61] In der Zellproduk-tion muumlssen die Reinigungsgase mit hoher Volumen-flussrate eingesetzt werden da sie chemisch sehr sta-bil sind und im Plasma zu weniger als 10 in rei-

nigungsaktive Radikale zerfallen Ein Groszligteil des Ga-ses bleibt somit ungenutzt und muss kostenintensiv ent-sorgt werden Zum Teil entweicht es ndash gewollt oder un-gewollt ndash direkt in die Umwelt Hieraus erklaumlrt sichu a auch der kuumlrzlich gemessene starke Anstieg derStickstofftrifluoridkonzentration in der Hochatmosphauml-re besonders uumlber Ost- und Suumldostasien An Stelle vonSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid kann auchdas sehr reaktive Halogen Fluor als Reinigungsgas ver-wendet werden Fluor ist sehr giftig es ist jedoch keinTreibhausgas Auszligerdem laumlsst es sich sehr leicht undruumlckstandsfrei aus Abgasstroumlmen entfernen

Einige Solarzelltypen verwenden anstelle von SiliciumStoffe wie z B toxisches oder karzinogenes CadmiumArsen bzw deren Verbindungen sowie Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid Ein typisches Cadmiumtellurid-Solarmodul enthaumllt zum Beispiel ca 22 g des gefaumlhrli-chen Schwermetalls Cadmium und 25 g Tellur pro msup2Zellflaumlche[62] Bei der Produktion werden beide Sub-stanzen durch Co-Verdampfung auf das Traumlgermaterialaufgebracht Die Co-Verdampfung ist ein ungerichteterProzess bei dem die gesamte Innenoberflaumlche derBeschichtungskammer mit Duumlnnschichten aus TellurCadmiumtellurid Cadmiumsulfid und Antimontelluriduumlberzogen werden Der Materialverbrauch erhoumlht sich

dadurch um mindestens weitere 40

Bei der regelmaumlszligigen Reinigung der Produktionskam-mer mit waumlssriger Saumlure ndash die Reinigung erfolgt ma-nuell ndash werden die Ruumlckstaumlnde in eine waumlssrige Louml-sung uumlberfuumlhrt Neben der eigentlichen Zellprodukti-on stellt also auch die Reinigung der Produktions-anlagen eine Herausforderung an Umweltschutz undArbeitsschutz dar[63][64][65][66][67] Eine neuere Unter-suchung versucht die geringere Gefaumlhrdung die vonCadmiumtellurid-Zellen im Vergleich zur Kohleverbren-nung ausgeht nachzuweisen[36] Produktionsruumlckstaumln-de und Emissionen koumlnnen zu Langzeitschaumlden und

Altlasten fuumlhren Gleiches gilt bei unsachgemaumlszliger Ent-sorgung fuumlr die Altzellen Die Photovoltaik unterschei-

det sich in diesem Aspekt von anderen Technologien zurNutzung regenerativer Energien

10 Sicherheitsbetrachtung

Fuumlr Schutzmaszlignahmen im Brandfall und Blitzeinschlagsiehe Photovoltaikanlage

11 Siehe auch

bull Halbleiterdetektor

bull Sonnensimulator (Photovoltaik)

12 Literatur

bull Christoph Brabec Organic photovoltaics ndash mate-rials device physics and manufacturing technolo-gies Wiley-VCH Weinheim 2008 ISBN 978-3-527-31675-5

bull Guillermo Diaz-Santanilla Technik der Solarzelle ndashphysikalische Grundlagen Eigenschaften und Ap-plikationen Franzis Muumlnchen 1984 ISBN 3-7723-7371-2

bull Heinrich Haumlberlin Photovoltaik Strom aus Son-nenlicht fuumlr Verbundnetz und Inselanlagen 2 we-sentlich erweiterte und aktualisierte Auflage VDE Electrosuisse Berlin Fehraltorf 2010 ISBN 978-3-8007-3205-0 (VDE) ISBN 978-3-905214-62-8(Electrosuisse)

bull Tom Markvart Luis Castantildeer Solar cells ndash mate-rials manufacture and operation Elsevier Oxford2006 ISBN 1-85617-457-3 (englisch)

bull Volker Quaschning Regenerative Energiesysteme 8Auflage Hanser Muumlnchen 2013 ISBN 978-3-446-

43526-1

bull Viktor Wesselak Sebastian Voswinckel Photovol-taik Wie Sonne zu Strom wird Daten FaktenHintergruumlnde Springer Vieweg Berlin 2012 ISBN978-3-642-24296-0 (= Technik im Fokus )

bull Viktor Wesselak Thomas Schabbach ThomasLink Joachim Fischer Regenerative Energietech-nik 2 erweiterte und vollstaumlndig neu bearbeite-te Auflage Springer Vieweg Berlin Heidelberg2013 ISBN 978-3-642-24165-9

bull Peter Wuumlrfel Physik der Solarzellen SpektrumAkademischer Verlag Heidelberg 2000 ISBN 3-8274-0598-X (= Spektrum Hochschultaschenbuch)

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20 14 EINZELNACHWEISE

13 Weblinks

Commons Solarzelle ndash Album mit Bildern Videosund Audiodateien

Wikibooks Herstellung von Solarzellen ndash Lern-

und Lehrmaterialien

bull Die Solarmaus ndash Entstehung der Solarzelle mit Ar-min Maiwald (YouTube-Video)

bull PV-Education ndash detaillierte Online-Vorlesung mitGrundlagen und Anwendungen zur PV (englisch)

bull Photovoltaik ndash Innovationen (BINE Informations-dienst)

14 Einzelnachweise

[1] Orbital Sciences Corporation (Hrsg) Dawn Investigatingthe ldquoDawnrdquo of Our Solar System (fact sheet) (PDF 14MB) 2009 (englisch)

[2] anorganisch-organische Hybridzellen mit einfacher Her-stellung

[3] Rolf Hug Mitsubishi Electric entwickelt anwendungsreifeSilicium-Solarzelle mit 186 Wirkungsgrad In Der So-larserver 25 Maumlrz 2008 Abgerufen am 9 August 2009

[4] httpwwwhelmholtz-berlindeforschungenmasi-pvarbeitsgebieteduennschichtsolarzellenindex_dehtml

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[7] Sonnenpower light Bild der Wissenschaft 15 Februar2010 (Nachrichtenmeldung)

[8] SolarServer Photovoltaik-Forschung Caltech entwickelt flexible Solarzellen mit Siliciumdraht-Reihen und hoher Absorption abgerufen am 31 Mai 2012

[9] Weltrekord 411 Wirkungsgrad fuumlr Mehrfachsolarzel-len In pro-physikde Fraunhofer-Institut fuumlr Solare En-ergiesysteme ISE abgerufen am 9 August 2009

[10] heise 282 Wirkungsgrad erreicht (abgerufen am 24Juni 2011)

[11] Martin A Green Keith Emery Yoshihiro HishikawaWilhelm Warta Ewan D Dunlop Solar cell efficien-cy tables (version 43) In Progress in PhotovoltaicsResearch and Applications 22 Nr 1 2014 S 1ndash9doi101002pip2452

[12] Wirkungsgrad-Rekorde in der Photovoltaik Solaranlagen-

Portalde

[13] CIGS DUumlNNSCHICHT-TECHNOLOGIE ERZIELT WELT-REKORDEFFIZIENZ VON 174 Pressemitteilung derFirma Q-Cells vom 29 November 2011 abgerufen am 14Februar 2012

[14] Neuer Weltrekord fuumlr organische Solarzellen Heliatek be-hauptet sich mit 12 Zelleffizienz als Technologiefuumlhrer Pressemitteilung der Firma Heliatek vom 16 Januar 2013

[15] Billig-Solarzellen revolutionieren Strombranche

[16] USGS Minerals Information

[17] Lars Fischer Rohstoffe Die Rohstoffkrisen der Zukunft spektrum-direkt 29 Maumlrz 2011 Zugriff am 12 Septem-ber 2011

[18] Indium Vorraumlte laut USGS Mineral Commodity Summa-ries (2006) (PDF 74 kB)

[19] httpwwwall-electronicsdemediafile7182

[20] Indium and Gallium Supply Sustainability September2007 Update 22nd EU PV Conference Milan Italy 16Februar 2009

[21] Prof H Foumlll Grundsaumltzliche Funktionsweise einer Solar- zelle Skript bdquoMaterialwissenschaft IIldquo abgerufen am 16

Oktober 2014

[22] Kazuo Nakajima Noritaka Usami Crystal Growth of Sifor Solar Cells Springer 2009 ISBN 978-3642020438S 4ndash5

[23] Silicium Herstellung ndash Bridgman-Verfahren Infoseite aufrenewable-energy-conceptscom abgerufen am 17 April2010

[24] Kristallzucht Infoseite der Firma Swiss Wafers abgerufenam 17 April 2010

[25] Quadrieren und Brikettieren Infoseite der Firma SwissWafers abgerufen am 17 April 2010

[26] httpwwwingenieurdeFachbereicheVerfahrenstechnikRecycling-Silizium-Herstellungskosten-fuer-Solarzellen-senken

[27] Ziehen oder Saumlgen ndash ein Systemvergleich

[28] Eicke Weber neuer Leiter des Fraunhofer-Instituts fuumlr So-lare Energiesysteme ISE Fraunhofer-Gesellschaft 6 Juli2006 abgerufen am 22 April 2010 (Presseinformation)

[29] Michael D Kelzenberg Shannon W Boettcher Jan APetykiewicz Daniel B Turner-Evans Morgan C Put-nam Emily L Warren Joshua M Spurgeon Ryan MBriggs Nathan S Lewis Harry A Atwater Enhanced ab-

sorption and carrier collection in Si wire arrays for photo-voltaic applications In Nature Materials advance onlinepublication 2010 doi101038nmat2635

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[35] First Solar hits 210 thin-film PV record

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[38] Alok Jha lsquoBlack siliconrsquo boosts solar cell efficiency guar-diancouk 15 Oktober 2008

[39] Andreas Muumlhlbauer Neuer Solar-Konzentrator verspricht billigeren Strom Elektronikpraxis 23 Februar 2009

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15 Text- und Bildquellen Autoren und Lizenzen

151 Text

bull Solarzelle Quelle httpdewikipediaorgwikiSolarzelleoldid=138856800 Autoren Fgb RobertLechner Schewek Igelball Aka StefanKuumlhn Lukian Onno Ilja Lorek Head El GNosis Atman Sun Tsor Matthaumlus Wander Seewolf HenrikHolke Honina Pstaudt-fischbachSchusch GDK Migas Paddy Zwobot Kai11 D HaeB ArtMechanic Hadhuey Robbot Pm Anton HaSee Rdb Boehm ZumboDirk33 AndreasB Pietz Soundray Sinn Peter200 Schmiddtchen Fuenfundachtzig Breeze Magadan Fetz Braun Jdiemer StYxXxSebastianWilken Martin-vogel Mnh Ot Aloiswuest MAK Scorpion2211 Gerhardvalentin Jaques AshSert Philipendula STephanKambor Koerpertraining Nicolas PeeCee Duesentrieb AHZ Hendric Stattmann Kristjan Ri st Hafex Norro Cepheiden Christoph-Demmer Fubar Ckeen DasBee Silberchen iexcl0-8-15 1-1111 VanGore Mjk Groer Umaluagr Mkuemmerer Wendelin Cyper QdrDundak Liberatus Juesch Kdkeller Greuer Drap Garak76 MartinThoma Udo T Zaungast Stephantom Pelz ML Thorbjoern Hein-te Diba Blech Zahnstein Renekaemmerer He3nry SchorSch Ion Tauwasser Bobbl Rosa Lux Gerbil Ulfbastel Hubertl MrVVooUebel H2h Liberal Freemason Quirin Leonce49 Blaubahn Flominator RedBot Anhi Dein Freund der Baum Wkw1959 So66 Cle-mensfranz OKoslowski Itti Yahp Miaow Miaow Zaphiro Eneldo Onliner Wahldresdner Darok MovGP0 Muck Uwezi Loh SyrcroZweistein12 Olei Dantor Krischan111 Nize Uwe W Georg Slickers Amtiss Roterraecher RajHid STBR Jackalope Ephraim33JFKCom Andimx Suirenn Hydro Pajz Dktz RobotQuistnix Alanmak Euku Xocolatl Hermannthomas Eynre Savin 2005 AbrevFireball TheTruth Bahnemann Segelmaus Harf Jakob5 Zemy Nyneela Schmitty TobiWanKenobi DerHexer WAH Sesc RolandBerger Schlesinger Staro1 Mo4jolo GeorgHH MutluMan Nightflyer Matzematik PeterFrankfurt Tomreplay PortalBot Ing Schrouml-der Walter LKD Juuml Manecke Quelokee Mons Maenalus JoBa2282 Stepa Giessauf A Cellulesolaire Lemberger HillerD RadlfahrerHelfmann Logograph Mion KaiMeier Sepp Roest FabiBerg Flo422 Degreen Rai42 Rfc GruumlneErde Btr FelixP Wdwd PendulinAdipictures HAH Toumlnjes Kaumlpten Balu Andreas 06 Batosai Rex Akribix D-Kuru UnknownID01 Cramunhao BesondereUmstaende

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Avene DerGraueWolf Martin1978 Wassertraeger Pleonasty HRoestTypo EmausBot Halbarath Muumldigkeit ReinerSpass Mswisi Un-sterblicher TtIiMmOOO ZeacuteroBot Ottomanisch Dsfranzi Didym Striga Cologinux 30wiki04 Karle07 Ne discere cessa Rabax63Waithamai EnergieLabor Cassirer Randolph33 Mukitil Nummer4 Googolplex Flanschko Georgepauljohnringo Woltmers KrdbotHephaion Andol MerlIwBot Mikered KLBot2 Oguenther Thesurvived99 Herzoeglich Rudschuck Tomaacutes66 Gregou Boshomi Stei-ni77 Isjc99 Derschueler Hans Haase Schwunkel Smallandsimple Ciwd2 Nurax666 Krantnejie Rmcharb Kuschi51 Cimballi Redak-tionPflanze Datenundfakten Ragna314 Fico123456789 Buchbibliothek Blafnu Ferina53Solarous Kritzolina WhistlingBird Budu123Manni Lang HeicoH und Anonyme 686

152 Bilder

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24 15 TEXT- UND BILDQUELLEN AUTOREN UND LIZENZEN

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Reinigung zu gewaumlhrleisten Bei dem Einsatz von Nass-waumlschern wird die Abluft durch ein fluumlssiges Absorpti-onsmedium geleitet Wenn dieses aufgebraucht ist ent-steht eine weitere Abwasserquelle neben den Aumltzloumlsun-gen aus der Produktion Diese muumlssen innerbetrieblichwiederaufbereitet oder spezialisierten Entsorgern uumlber-

geben werden Bei der Herstellung von Duumlnnschicht-halbleitern kommt es an den Waumlnden und Aufbautender Prozesskammer zu siliciumhaltigen AblagerungenDie Ruumlckstaumlnde muumlssen regelmaumlszligig entfernt werden dasie den Prozess stoumlren und zu Qualitaumltseinbuszligen fuumlh-ren Zum Entfernen der Ruumlckstaumlnde verwendet manSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid als Reini-gungsgase Beide Gase sind zwar ungiftig gleichwohlaber sehr starke Treibhausgase[61] In der Zellproduk-tion muumlssen die Reinigungsgase mit hoher Volumen-flussrate eingesetzt werden da sie chemisch sehr sta-bil sind und im Plasma zu weniger als 10 in rei-

nigungsaktive Radikale zerfallen Ein Groszligteil des Ga-ses bleibt somit ungenutzt und muss kostenintensiv ent-sorgt werden Zum Teil entweicht es ndash gewollt oder un-gewollt ndash direkt in die Umwelt Hieraus erklaumlrt sichu a auch der kuumlrzlich gemessene starke Anstieg derStickstofftrifluoridkonzentration in der Hochatmosphauml-re besonders uumlber Ost- und Suumldostasien An Stelle vonSchwefelhexafluorid und Stickstofftrifluorid kann auchdas sehr reaktive Halogen Fluor als Reinigungsgas ver-wendet werden Fluor ist sehr giftig es ist jedoch keinTreibhausgas Auszligerdem laumlsst es sich sehr leicht undruumlckstandsfrei aus Abgasstroumlmen entfernen

Einige Solarzelltypen verwenden anstelle von SiliciumStoffe wie z B toxisches oder karzinogenes CadmiumArsen bzw deren Verbindungen sowie Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid Ein typisches Cadmiumtellurid-Solarmodul enthaumllt zum Beispiel ca 22 g des gefaumlhrli-chen Schwermetalls Cadmium und 25 g Tellur pro msup2Zellflaumlche[62] Bei der Produktion werden beide Sub-stanzen durch Co-Verdampfung auf das Traumlgermaterialaufgebracht Die Co-Verdampfung ist ein ungerichteterProzess bei dem die gesamte Innenoberflaumlche derBeschichtungskammer mit Duumlnnschichten aus TellurCadmiumtellurid Cadmiumsulfid und Antimontelluriduumlberzogen werden Der Materialverbrauch erhoumlht sich

dadurch um mindestens weitere 40

Bei der regelmaumlszligigen Reinigung der Produktionskam-mer mit waumlssriger Saumlure ndash die Reinigung erfolgt ma-nuell ndash werden die Ruumlckstaumlnde in eine waumlssrige Louml-sung uumlberfuumlhrt Neben der eigentlichen Zellprodukti-on stellt also auch die Reinigung der Produktions-anlagen eine Herausforderung an Umweltschutz undArbeitsschutz dar[63][64][65][66][67] Eine neuere Unter-suchung versucht die geringere Gefaumlhrdung die vonCadmiumtellurid-Zellen im Vergleich zur Kohleverbren-nung ausgeht nachzuweisen[36] Produktionsruumlckstaumln-de und Emissionen koumlnnen zu Langzeitschaumlden und

Altlasten fuumlhren Gleiches gilt bei unsachgemaumlszliger Ent-sorgung fuumlr die Altzellen Die Photovoltaik unterschei-

det sich in diesem Aspekt von anderen Technologien zurNutzung regenerativer Energien

10 Sicherheitsbetrachtung

Fuumlr Schutzmaszlignahmen im Brandfall und Blitzeinschlagsiehe Photovoltaikanlage

11 Siehe auch

bull Halbleiterdetektor

bull Sonnensimulator (Photovoltaik)

12 Literatur

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bull Volker Quaschning Regenerative Energiesysteme 8Auflage Hanser Muumlnchen 2013 ISBN 978-3-446-

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bull Viktor Wesselak Thomas Schabbach ThomasLink Joachim Fischer Regenerative Energietech-nik 2 erweiterte und vollstaumlndig neu bearbeite-te Auflage Springer Vieweg Berlin Heidelberg2013 ISBN 978-3-642-24165-9

bull Peter Wuumlrfel Physik der Solarzellen SpektrumAkademischer Verlag Heidelberg 2000 ISBN 3-8274-0598-X (= Spektrum Hochschultaschenbuch)

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20 14 EINZELNACHWEISE

13 Weblinks

Commons Solarzelle ndash Album mit Bildern Videosund Audiodateien

Wikibooks Herstellung von Solarzellen ndash Lern-

und Lehrmaterialien

bull Die Solarmaus ndash Entstehung der Solarzelle mit Ar-min Maiwald (YouTube-Video)

bull PV-Education ndash detaillierte Online-Vorlesung mitGrundlagen und Anwendungen zur PV (englisch)

bull Photovoltaik ndash Innovationen (BINE Informations-dienst)

14 Einzelnachweise

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23

15 Text- und Bildquellen Autoren und Lizenzen

151 Text

bull Solarzelle Quelle httpdewikipediaorgwikiSolarzelleoldid=138856800 Autoren Fgb RobertLechner Schewek Igelball Aka StefanKuumlhn Lukian Onno Ilja Lorek Head El GNosis Atman Sun Tsor Matthaumlus Wander Seewolf HenrikHolke Honina Pstaudt-fischbachSchusch GDK Migas Paddy Zwobot Kai11 D HaeB ArtMechanic Hadhuey Robbot Pm Anton HaSee Rdb Boehm ZumboDirk33 AndreasB Pietz Soundray Sinn Peter200 Schmiddtchen Fuenfundachtzig Breeze Magadan Fetz Braun Jdiemer StYxXxSebastianWilken Martin-vogel Mnh Ot Aloiswuest MAK Scorpion2211 Gerhardvalentin Jaques AshSert Philipendula STephanKambor Koerpertraining Nicolas PeeCee Duesentrieb AHZ Hendric Stattmann Kristjan Ri st Hafex Norro Cepheiden Christoph-Demmer Fubar Ckeen DasBee Silberchen iexcl0-8-15 1-1111 VanGore Mjk Groer Umaluagr Mkuemmerer Wendelin Cyper QdrDundak Liberatus Juesch Kdkeller Greuer Drap Garak76 MartinThoma Udo T Zaungast Stephantom Pelz ML Thorbjoern Hein-te Diba Blech Zahnstein Renekaemmerer He3nry SchorSch Ion Tauwasser Bobbl Rosa Lux Gerbil Ulfbastel Hubertl MrVVooUebel H2h Liberal Freemason Quirin Leonce49 Blaubahn Flominator RedBot Anhi Dein Freund der Baum Wkw1959 So66 Cle-mensfranz OKoslowski Itti Yahp Miaow Miaow Zaphiro Eneldo Onliner Wahldresdner Darok MovGP0 Muck Uwezi Loh SyrcroZweistein12 Olei Dantor Krischan111 Nize Uwe W Georg Slickers Amtiss Roterraecher RajHid STBR Jackalope Ephraim33JFKCom Andimx Suirenn Hydro Pajz Dktz RobotQuistnix Alanmak Euku Xocolatl Hermannthomas Eynre Savin 2005 AbrevFireball TheTruth Bahnemann Segelmaus Harf Jakob5 Zemy Nyneela Schmitty TobiWanKenobi DerHexer WAH Sesc RolandBerger Schlesinger Staro1 Mo4jolo GeorgHH MutluMan Nightflyer Matzematik PeterFrankfurt Tomreplay PortalBot Ing Schrouml-der Walter LKD Juuml Manecke Quelokee Mons Maenalus JoBa2282 Stepa Giessauf A Cellulesolaire Lemberger HillerD RadlfahrerHelfmann Logograph Mion KaiMeier Sepp Roest FabiBerg Flo422 Degreen Rai42 Rfc GruumlneErde Btr FelixP Wdwd PendulinAdipictures HAH Toumlnjes Kaumlpten Balu Andreas 06 Batosai Rex Akribix D-Kuru UnknownID01 Cramunhao BesondereUmstaende

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Avene DerGraueWolf Martin1978 Wassertraeger Pleonasty HRoestTypo EmausBot Halbarath Muumldigkeit ReinerSpass Mswisi Un-sterblicher TtIiMmOOO ZeacuteroBot Ottomanisch Dsfranzi Didym Striga Cologinux 30wiki04 Karle07 Ne discere cessa Rabax63Waithamai EnergieLabor Cassirer Randolph33 Mukitil Nummer4 Googolplex Flanschko Georgepauljohnringo Woltmers KrdbotHephaion Andol MerlIwBot Mikered KLBot2 Oguenther Thesurvived99 Herzoeglich Rudschuck Tomaacutes66 Gregou Boshomi Stei-ni77 Isjc99 Derschueler Hans Haase Schwunkel Smallandsimple Ciwd2 Nurax666 Krantnejie Rmcharb Kuschi51 Cimballi Redak-tionPflanze Datenundfakten Ragna314 Fico123456789 Buchbibliothek Blafnu Ferina53Solarous Kritzolina WhistlingBird Budu123Manni Lang HeicoH und Anonyme 686

152 Bilder

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Monocrystalline_polycrystalline_silicon_solarcelljpg Lizenz CC BY 30 Autoren Eigenes Werk Originalkuumlnstler Klaus Mueller

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20 14 EINZELNACHWEISE

13 Weblinks

Commons Solarzelle ndash Album mit Bildern Videosund Audiodateien

Wikibooks Herstellung von Solarzellen ndash Lern-

und Lehrmaterialien

bull Die Solarmaus ndash Entstehung der Solarzelle mit Ar-min Maiwald (YouTube-Video)

bull PV-Education ndash detaillierte Online-Vorlesung mitGrundlagen und Anwendungen zur PV (englisch)

bull Photovoltaik ndash Innovationen (BINE Informations-dienst)

14 Einzelnachweise

[1] Orbital Sciences Corporation (Hrsg) Dawn Investigatingthe ldquoDawnrdquo of Our Solar System (fact sheet) (PDF 14MB) 2009 (englisch)

[2] anorganisch-organische Hybridzellen mit einfacher Her-stellung

[3] Rolf Hug Mitsubishi Electric entwickelt anwendungsreifeSilicium-Solarzelle mit 186 Wirkungsgrad In Der So-larserver 25 Maumlrz 2008 Abgerufen am 9 August 2009

[4] httpwwwhelmholtz-berlindeforschungenmasi-pvarbeitsgebieteduennschichtsolarzellenindex_dehtml

[5] M A Green K Emery D L King Y Hishika-wa W Warta Solar Cell Efficiency Tables (Version28) In Prog Photovolt Res Appl 14 2006 S 455ndash461 doi101002pip720 (PDF abgerufen am 22 April2010)

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[7] Sonnenpower light Bild der Wissenschaft 15 Februar2010 (Nachrichtenmeldung)

[8] SolarServer Photovoltaik-Forschung Caltech entwickelt flexible Solarzellen mit Siliciumdraht-Reihen und hoher Absorption abgerufen am 31 Mai 2012

[9] Weltrekord 411 Wirkungsgrad fuumlr Mehrfachsolarzel-len In pro-physikde Fraunhofer-Institut fuumlr Solare En-ergiesysteme ISE abgerufen am 9 August 2009

[10] heise 282 Wirkungsgrad erreicht (abgerufen am 24Juni 2011)

[11] Martin A Green Keith Emery Yoshihiro HishikawaWilhelm Warta Ewan D Dunlop Solar cell efficien-cy tables (version 43) In Progress in PhotovoltaicsResearch and Applications 22 Nr 1 2014 S 1ndash9doi101002pip2452

[12] Wirkungsgrad-Rekorde in der Photovoltaik Solaranlagen-

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[13] CIGS DUumlNNSCHICHT-TECHNOLOGIE ERZIELT WELT-REKORDEFFIZIENZ VON 174 Pressemitteilung derFirma Q-Cells vom 29 November 2011 abgerufen am 14Februar 2012

[14] Neuer Weltrekord fuumlr organische Solarzellen Heliatek be-hauptet sich mit 12 Zelleffizienz als Technologiefuumlhrer Pressemitteilung der Firma Heliatek vom 16 Januar 2013

[15] Billig-Solarzellen revolutionieren Strombranche

[16] USGS Minerals Information

[17] Lars Fischer Rohstoffe Die Rohstoffkrisen der Zukunft spektrum-direkt 29 Maumlrz 2011 Zugriff am 12 Septem-ber 2011

[18] Indium Vorraumlte laut USGS Mineral Commodity Summa-ries (2006) (PDF 74 kB)

[19] httpwwwall-electronicsdemediafile7182

[20] Indium and Gallium Supply Sustainability September2007 Update 22nd EU PV Conference Milan Italy 16Februar 2009

[21] Prof H Foumlll Grundsaumltzliche Funktionsweise einer Solar- zelle Skript bdquoMaterialwissenschaft IIldquo abgerufen am 16

Oktober 2014

[22] Kazuo Nakajima Noritaka Usami Crystal Growth of Sifor Solar Cells Springer 2009 ISBN 978-3642020438S 4ndash5

[23] Silicium Herstellung ndash Bridgman-Verfahren Infoseite aufrenewable-energy-conceptscom abgerufen am 17 April2010

[24] Kristallzucht Infoseite der Firma Swiss Wafers abgerufenam 17 April 2010

[25] Quadrieren und Brikettieren Infoseite der Firma SwissWafers abgerufen am 17 April 2010

[26] httpwwwingenieurdeFachbereicheVerfahrenstechnikRecycling-Silizium-Herstellungskosten-fuer-Solarzellen-senken

[27] Ziehen oder Saumlgen ndash ein Systemvergleich

[28] Eicke Weber neuer Leiter des Fraunhofer-Instituts fuumlr So-lare Energiesysteme ISE Fraunhofer-Gesellschaft 6 Juli2006 abgerufen am 22 April 2010 (Presseinformation)

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[38] Alok Jha lsquoBlack siliconrsquo boosts solar cell efficiency guar-diancouk 15 Oktober 2008

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Cadmium- und Arsenexposition Epidemiologische Er-kenntnisse zur Karzinogenitaumlt (Symposium) 1516 Feb2001 BGA Hennef

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Morgan Toxicity of cadmium telluride copper indium di-selenide and copper gallium diselenide In Progress inPhotovoltaics ndash Research and Applications 7 Nr 6 1999S 489ndash497

[66] Reducingthe Potential Risk of Developing Cancer fromEx- posure to Gallium Arsenide in the Microelectronics Indus-try In DHHS (NIOSH) Publication No 88-100 NIOSHALERT Okt 1987 (Online)

[67] Akiyo Tanaka Toxicity of indium arsenide gallium ar-senide and aluminium gallium arsenide In Toxicology

and Applied Pharmacology 198 Nr 3 2004 S 405ndash411(doi101016jtaap200310019)

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bull Solarzelle Quelle httpdewikipediaorgwikiSolarzelleoldid=138856800 Autoren Fgb RobertLechner Schewek Igelball Aka StefanKuumlhn Lukian Onno Ilja Lorek Head El GNosis Atman Sun Tsor Matthaumlus Wander Seewolf HenrikHolke Honina Pstaudt-fischbachSchusch GDK Migas Paddy Zwobot Kai11 D HaeB ArtMechanic Hadhuey Robbot Pm Anton HaSee Rdb Boehm ZumboDirk33 AndreasB Pietz Soundray Sinn Peter200 Schmiddtchen Fuenfundachtzig Breeze Magadan Fetz Braun Jdiemer StYxXxSebastianWilken Martin-vogel Mnh Ot Aloiswuest MAK Scorpion2211 Gerhardvalentin Jaques AshSert Philipendula STephanKambor Koerpertraining Nicolas PeeCee Duesentrieb AHZ Hendric Stattmann Kristjan Ri st Hafex Norro Cepheiden Christoph-Demmer Fubar Ckeen DasBee Silberchen iexcl0-8-15 1-1111 VanGore Mjk Groer Umaluagr Mkuemmerer Wendelin Cyper QdrDundak Liberatus Juesch Kdkeller Greuer Drap Garak76 MartinThoma Udo T Zaungast Stephantom Pelz ML Thorbjoern Hein-te Diba Blech Zahnstein Renekaemmerer He3nry SchorSch Ion Tauwasser Bobbl Rosa Lux Gerbil Ulfbastel Hubertl MrVVooUebel H2h Liberal Freemason Quirin Leonce49 Blaubahn Flominator RedBot Anhi Dein Freund der Baum Wkw1959 So66 Cle-mensfranz OKoslowski Itti Yahp Miaow Miaow Zaphiro Eneldo Onliner Wahldresdner Darok MovGP0 Muck Uwezi Loh SyrcroZweistein12 Olei Dantor Krischan111 Nize Uwe W Georg Slickers Amtiss Roterraecher RajHid STBR Jackalope Ephraim33JFKCom Andimx Suirenn Hydro Pajz Dktz RobotQuistnix Alanmak Euku Xocolatl Hermannthomas Eynre Savin 2005 AbrevFireball TheTruth Bahnemann Segelmaus Harf Jakob5 Zemy Nyneela Schmitty TobiWanKenobi DerHexer WAH Sesc RolandBerger Schlesinger Staro1 Mo4jolo GeorgHH MutluMan Nightflyer Matzematik PeterFrankfurt Tomreplay PortalBot Ing Schrouml-der Walter LKD Juuml Manecke Quelokee Mons Maenalus JoBa2282 Stepa Giessauf A Cellulesolaire Lemberger HillerD RadlfahrerHelfmann Logograph Mion KaiMeier Sepp Roest FabiBerg Flo422 Degreen Rai42 Rfc GruumlneErde Btr FelixP Wdwd PendulinAdipictures HAH Toumlnjes Kaumlpten Balu Andreas 06 Batosai Rex Akribix D-Kuru UnknownID01 Cramunhao BesondereUmstaende

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Avene DerGraueWolf Martin1978 Wassertraeger Pleonasty HRoestTypo EmausBot Halbarath Muumldigkeit ReinerSpass Mswisi Un-sterblicher TtIiMmOOO ZeacuteroBot Ottomanisch Dsfranzi Didym Striga Cologinux 30wiki04 Karle07 Ne discere cessa Rabax63Waithamai EnergieLabor Cassirer Randolph33 Mukitil Nummer4 Googolplex Flanschko Georgepauljohnringo Woltmers KrdbotHephaion Andol MerlIwBot Mikered KLBot2 Oguenther Thesurvived99 Herzoeglich Rudschuck Tomaacutes66 Gregou Boshomi Stei-ni77 Isjc99 Derschueler Hans Haase Schwunkel Smallandsimple Ciwd2 Nurax666 Krantnejie Rmcharb Kuschi51 Cimballi Redak-tionPflanze Datenundfakten Ragna314 Fico123456789 Buchbibliothek Blafnu Ferina53Solarous Kritzolina WhistlingBird Budu123Manni Lang HeicoH und Anonyme 686

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[46] Konarka verkuumlndet Verfuumlgbarkeit von Solarzellen fuumlr por-

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[47] Hybridsolarzellen auf der Basis von anorganischenHalbleiter-Nanopartikeln und leitfaumlhigen Polymeren Carlvon Ossietzky Universitaumlt Oldenburg Institut fuumlr Physik

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[63] BIA-Report Arbeitsbedingte Gesundheitsgefahren durch

Cadmium- und Arsenexposition Epidemiologische Er-kenntnisse zur Karzinogenitaumlt (Symposium) 1516 Feb2001 BGA Hennef

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22 14 EINZELNACHWEISE

[64] D L Morgan C J Shines S P Jeter M E BlazkaM RElwell R E Wilson S M Ward H C Price PD Moskowitz Comparative Pulmonary Absorption Dis-tribution and Toxicity of Copper Gallium Diselenide Cop-

per Indium Diselenide and Cadmium Telluride in Sprague-Dawley Rats In Toxicology amp Applied Pharmacology

147 Nr 2 1997 S 399ndash410[65] V M Fthenakis S C Morris P D Moskowitz D L

Morgan Toxicity of cadmium telluride copper indium di-selenide and copper gallium diselenide In Progress inPhotovoltaics ndash Research and Applications 7 Nr 6 1999S 489ndash497

[66] Reducingthe Potential Risk of Developing Cancer fromEx- posure to Gallium Arsenide in the Microelectronics Indus-try In DHHS (NIOSH) Publication No 88-100 NIOSHALERT Okt 1987 (Online)

[67] Akiyo Tanaka Toxicity of indium arsenide gallium ar-senide and aluminium gallium arsenide In Toxicology

and Applied Pharmacology 198 Nr 3 2004 S 405ndash411(doi101016jtaap200310019)

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bull Solarzelle Quelle httpdewikipediaorgwikiSolarzelleoldid=138856800 Autoren Fgb RobertLechner Schewek Igelball Aka StefanKuumlhn Lukian Onno Ilja Lorek Head El GNosis Atman Sun Tsor Matthaumlus Wander Seewolf HenrikHolke Honina Pstaudt-fischbachSchusch GDK Migas Paddy Zwobot Kai11 D HaeB ArtMechanic Hadhuey Robbot Pm Anton HaSee Rdb Boehm ZumboDirk33 AndreasB Pietz Soundray Sinn Peter200 Schmiddtchen Fuenfundachtzig Breeze Magadan Fetz Braun Jdiemer StYxXxSebastianWilken Martin-vogel Mnh Ot Aloiswuest MAK Scorpion2211 Gerhardvalentin Jaques AshSert Philipendula STephanKambor Koerpertraining Nicolas PeeCee Duesentrieb AHZ Hendric Stattmann Kristjan Ri st Hafex Norro Cepheiden Christoph-Demmer Fubar Ckeen DasBee Silberchen iexcl0-8-15 1-1111 VanGore Mjk Groer Umaluagr Mkuemmerer Wendelin Cyper QdrDundak Liberatus Juesch Kdkeller Greuer Drap Garak76 MartinThoma Udo T Zaungast Stephantom Pelz ML Thorbjoern Hein-te Diba Blech Zahnstein Renekaemmerer He3nry SchorSch Ion Tauwasser Bobbl Rosa Lux Gerbil Ulfbastel Hubertl MrVVooUebel H2h Liberal Freemason Quirin Leonce49 Blaubahn Flominator RedBot Anhi Dein Freund der Baum Wkw1959 So66 Cle-mensfranz OKoslowski Itti Yahp Miaow Miaow Zaphiro Eneldo Onliner Wahldresdner Darok MovGP0 Muck Uwezi Loh SyrcroZweistein12 Olei Dantor Krischan111 Nize Uwe W Georg Slickers Amtiss Roterraecher RajHid STBR Jackalope Ephraim33JFKCom Andimx Suirenn Hydro Pajz Dktz RobotQuistnix Alanmak Euku Xocolatl Hermannthomas Eynre Savin 2005 AbrevFireball TheTruth Bahnemann Segelmaus Harf Jakob5 Zemy Nyneela Schmitty TobiWanKenobi DerHexer WAH Sesc RolandBerger Schlesinger Staro1 Mo4jolo GeorgHH MutluMan Nightflyer Matzematik PeterFrankfurt Tomreplay PortalBot Ing Schrouml-der Walter LKD Juuml Manecke Quelokee Mons Maenalus JoBa2282 Stepa Giessauf A Cellulesolaire Lemberger HillerD RadlfahrerHelfmann Logograph Mion KaiMeier Sepp Roest FabiBerg Flo422 Degreen Rai42 Rfc GruumlneErde Btr FelixP Wdwd PendulinAdipictures HAH Toumlnjes Kaumlpten Balu Andreas 06 Batosai Rex Akribix D-Kuru UnknownID01 Cramunhao BesondereUmstaende

Tetris L MichaelFrey Jaellee Moumlchtegern Rufus46 Tillniermann TobiasKlaus Spuk968 Thijsbot Hpt Drcueppers Styxcr Wiki-murmeltier XenonX3 YMS Jobu0101 Leider Mschachinger Taratonga Horst Graumlbner WasserFreund Gustav von Aschenbach TobiB Muck31 Dandelo Simon-Martin Hedwig in Washington JAnDbot Nicolas G Gratisaktie Mrdaemon YourEyesOnly MarkujaIqRS M0nsterxxl Frankee 67 Cspan64 IRiedel Qkaz Jbergner Septembermorgen Gerhard wien CommonsDelinker Phriedrich Kue-bi Leuni Alchemist-hp Radunze Giftmischer Blaufisch Don Magnifico Axl Rose ABF Diwas RacoonyRE Sundar1 Complex TarfulAnjaM Lmmrs Zeitan Reaper35 VolkovBot Gravitophoton ldblquote Michileo Hjortron TXiKiBoT Kockmeyer Cactus26 Bazoo-kabill Rei-bot Petuschki Regi51 Claude J Idioma-bot Zwoumllfvolt Angerdan Martinhei ChrisHamburg Benutzer20070331 KrawiIshbane Entlinkt Taschna Der kleine gruumlne Schornstein DerTraeumer Tubas Juri S Worfo Engie Funkruf K41f1r Rotkaeppchen68Truthlobby Snoopy1964 Avoided Josal69 Aktionsbot Dudemaster23 Bengor Succu DonatelloXX Alnilam Kh555 TorwartfehlerPickhj Wispanow Pittimann Matthiasberlin Bullvolkar Se4598 Emergency doc Querverplaumlnkler Wizard of Oz(wald) Kein EinsteinHoltzhammer Blusky Halis Jelges Inkowik Fish-guts DumZiBoT SchroedingersKatze Grey Geezer Steinbeisser Horvath08 Gi-nosbot Simonste Philipp Wetzlar CaZeRillo Amirobot Luckas-bot KamikazeBot GrouchoBot Wiki4you Spookie1302 Small AxeHarald Lordick Shisha-Tom Yonidebot CSGSolarAT Xqbot ArthurBot Howwi Cubjek Morten Haan Astrobeamer Brodkey65 Pv42Pentachlorphenol Geierkraumlchz TB42 CactusBot Sunrydz Quartl Sindopower Rr2000 Norbirt Fredric Qniemiec Simey00wiki Ko-piersperre Jivee Blau Roentgenium111 Sebaacutestian San Diego MorbZ-Bot ShithappensbyTuE MondalorBot Jashuah Nothere Rubbles-by Ein kleiner Physiker Dermartinrockt Antonsusi Wurmkraut Mabschaaf Alraunenstern SolarFuture Aund M Weitzer Helium4

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22 14 EINZELNACHWEISE

[64] D L Morgan C J Shines S P Jeter M E BlazkaM RElwell R E Wilson S M Ward H C Price PD Moskowitz Comparative Pulmonary Absorption Dis-tribution and Toxicity of Copper Gallium Diselenide Cop-

per Indium Diselenide and Cadmium Telluride in Sprague-Dawley Rats In Toxicology amp Applied Pharmacology

147 Nr 2 1997 S 399ndash410[65] V M Fthenakis S C Morris P D Moskowitz D L

Morgan Toxicity of cadmium telluride copper indium di-selenide and copper gallium diselenide In Progress inPhotovoltaics ndash Research and Applications 7 Nr 6 1999S 489ndash497

[66] Reducingthe Potential Risk of Developing Cancer fromEx- posure to Gallium Arsenide in the Microelectronics Indus-try In DHHS (NIOSH) Publication No 88-100 NIOSHALERT Okt 1987 (Online)

[67] Akiyo Tanaka Toxicity of indium arsenide gallium ar-senide and aluminium gallium arsenide In Toxicology

and Applied Pharmacology 198 Nr 3 2004 S 405ndash411(doi101016jtaap200310019)

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15 Text- und Bildquellen Autoren und Lizenzen

151 Text

bull Solarzelle Quelle httpdewikipediaorgwikiSolarzelleoldid=138856800 Autoren Fgb RobertLechner Schewek Igelball Aka StefanKuumlhn Lukian Onno Ilja Lorek Head El GNosis Atman Sun Tsor Matthaumlus Wander Seewolf HenrikHolke Honina Pstaudt-fischbachSchusch GDK Migas Paddy Zwobot Kai11 D HaeB ArtMechanic Hadhuey Robbot Pm Anton HaSee Rdb Boehm ZumboDirk33 AndreasB Pietz Soundray Sinn Peter200 Schmiddtchen Fuenfundachtzig Breeze Magadan Fetz Braun Jdiemer StYxXxSebastianWilken Martin-vogel Mnh Ot Aloiswuest MAK Scorpion2211 Gerhardvalentin Jaques AshSert Philipendula STephanKambor Koerpertraining Nicolas PeeCee Duesentrieb AHZ Hendric Stattmann Kristjan Ri st Hafex Norro Cepheiden Christoph-Demmer Fubar Ckeen DasBee Silberchen iexcl0-8-15 1-1111 VanGore Mjk Groer Umaluagr Mkuemmerer Wendelin Cyper QdrDundak Liberatus Juesch Kdkeller Greuer Drap Garak76 MartinThoma Udo T Zaungast Stephantom Pelz ML Thorbjoern Hein-te Diba Blech Zahnstein Renekaemmerer He3nry SchorSch Ion Tauwasser Bobbl Rosa Lux Gerbil Ulfbastel Hubertl MrVVooUebel H2h Liberal Freemason Quirin Leonce49 Blaubahn Flominator RedBot Anhi Dein Freund der Baum Wkw1959 So66 Cle-mensfranz OKoslowski Itti Yahp Miaow Miaow Zaphiro Eneldo Onliner Wahldresdner Darok MovGP0 Muck Uwezi Loh SyrcroZweistein12 Olei Dantor Krischan111 Nize Uwe W Georg Slickers Amtiss Roterraecher RajHid STBR Jackalope Ephraim33JFKCom Andimx Suirenn Hydro Pajz Dktz RobotQuistnix Alanmak Euku Xocolatl Hermannthomas Eynre Savin 2005 AbrevFireball TheTruth Bahnemann Segelmaus Harf Jakob5 Zemy Nyneela Schmitty TobiWanKenobi DerHexer WAH Sesc RolandBerger Schlesinger Staro1 Mo4jolo GeorgHH MutluMan Nightflyer Matzematik PeterFrankfurt Tomreplay PortalBot Ing Schrouml-der Walter LKD Juuml Manecke Quelokee Mons Maenalus JoBa2282 Stepa Giessauf A Cellulesolaire Lemberger HillerD RadlfahrerHelfmann Logograph Mion KaiMeier Sepp Roest FabiBerg Flo422 Degreen Rai42 Rfc GruumlneErde Btr FelixP Wdwd PendulinAdipictures HAH Toumlnjes Kaumlpten Balu Andreas 06 Batosai Rex Akribix D-Kuru UnknownID01 Cramunhao BesondereUmstaende

Tetris L MichaelFrey Jaellee Moumlchtegern Rufus46 Tillniermann TobiasKlaus Spuk968 Thijsbot Hpt Drcueppers Styxcr Wiki-murmeltier XenonX3 YMS Jobu0101 Leider Mschachinger Taratonga Horst Graumlbner WasserFreund Gustav von Aschenbach TobiB Muck31 Dandelo Simon-Martin Hedwig in Washington JAnDbot Nicolas G Gratisaktie Mrdaemon YourEyesOnly MarkujaIqRS M0nsterxxl Frankee 67 Cspan64 IRiedel Qkaz Jbergner Septembermorgen Gerhard wien CommonsDelinker Phriedrich Kue-bi Leuni Alchemist-hp Radunze Giftmischer Blaufisch Don Magnifico Axl Rose ABF Diwas RacoonyRE Sundar1 Complex TarfulAnjaM Lmmrs Zeitan Reaper35 VolkovBot Gravitophoton ldblquote Michileo Hjortron TXiKiBoT Kockmeyer Cactus26 Bazoo-kabill Rei-bot Petuschki Regi51 Claude J Idioma-bot Zwoumllfvolt Angerdan Martinhei ChrisHamburg Benutzer20070331 KrawiIshbane Entlinkt Taschna Der kleine gruumlne Schornstein DerTraeumer Tubas Juri S Worfo Engie Funkruf K41f1r Rotkaeppchen68Truthlobby Snoopy1964 Avoided Josal69 Aktionsbot Dudemaster23 Bengor Succu DonatelloXX Alnilam Kh555 TorwartfehlerPickhj Wispanow Pittimann Matthiasberlin Bullvolkar Se4598 Emergency doc Querverplaumlnkler Wizard of Oz(wald) Kein EinsteinHoltzhammer Blusky Halis Jelges Inkowik Fish-guts DumZiBoT SchroedingersKatze Grey Geezer Steinbeisser Horvath08 Gi-nosbot Simonste Philipp Wetzlar CaZeRillo Amirobot Luckas-bot KamikazeBot GrouchoBot Wiki4you Spookie1302 Small AxeHarald Lordick Shisha-Tom Yonidebot CSGSolarAT Xqbot ArthurBot Howwi Cubjek Morten Haan Astrobeamer Brodkey65 Pv42Pentachlorphenol Geierkraumlchz TB42 CactusBot Sunrydz Quartl Sindopower Rr2000 Norbirt Fredric Qniemiec Simey00wiki Ko-piersperre Jivee Blau Roentgenium111 Sebaacutestian San Diego MorbZ-Bot ShithappensbyTuE MondalorBot Jashuah Nothere Rubbles-by Ein kleiner Physiker Dermartinrockt Antonsusi Wurmkraut Mabschaaf Alraunenstern SolarFuture Aund M Weitzer Helium4

Avene DerGraueWolf Martin1978 Wassertraeger Pleonasty HRoestTypo EmausBot Halbarath Muumldigkeit ReinerSpass Mswisi Un-sterblicher TtIiMmOOO ZeacuteroBot Ottomanisch Dsfranzi Didym Striga Cologinux 30wiki04 Karle07 Ne discere cessa Rabax63Waithamai EnergieLabor Cassirer Randolph33 Mukitil Nummer4 Googolplex Flanschko Georgepauljohnringo Woltmers KrdbotHephaion Andol MerlIwBot Mikered KLBot2 Oguenther Thesurvived99 Herzoeglich Rudschuck Tomaacutes66 Gregou Boshomi Stei-ni77 Isjc99 Derschueler Hans Haase Schwunkel Smallandsimple Ciwd2 Nurax666 Krantnejie Rmcharb Kuschi51 Cimballi Redak-tionPflanze Datenundfakten Ragna314 Fico123456789 Buchbibliothek Blafnu Ferina53Solarous Kritzolina WhistlingBird Budu123Manni Lang HeicoH und Anonyme 686

152 Bilder

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of_Dawns_solar_cellsjpg Lizenz Public domain Autoren httpmediaarchivekscnasagovdetailcfmmediaid=32161 Originalkuumlnstler Photo credit NASAGeorge Shelton

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bull Fraunhofer ISE Report current edition Originalkuumlnstler Eigenes Werk

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30 Autoren Eigenes Werk Originalkuumlnstler DonatelloXXbull DateiMonocrystalline_polycrystalline_silicon_solarcelljpg Quelle httpuploadwikimediaorgwikipediacommons99d

Monocrystalline_polycrystalline_silicon_solarcelljpg Lizenz CC BY 30 Autoren Eigenes Werk Originalkuumlnstler Klaus Mueller

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24 15 TEXT- UND BILDQUELLEN AUTOREN UND LIZENZEN

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bull ShockleyQueisserFullCurvesvg Originalkuumlnstler ShockleyQueisserFullCurvesvg Sbyrnes321

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bull Standard_iv_depng Originalkuumlnstler Standard_iv_depng Uwezi

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bull DateiVanguard_1jpg Quelle httpuploadwikimediaorgwikipediacommons77fVanguard_1jpg Lizenz Public domain Autoren National Space Science Data Center Vanguard 1 Originalkuumlnstler NASA photo (retouched)

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Monocrystalline_polycrystalline_silicon_solarcelljpg Lizenz CC BY 30 Autoren Eigenes Werk Originalkuumlnstler Klaus Mueller

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Page 24: Solar Zelle

7232019 Solar Zelle

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