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Photovoltaik:Solarstrom und Solarzellen in Theorie und Praxis

Das Wort Photovoltaikist eine Zusammensetzung aus dem griechischen Wort für Licht und dem Namen desPhysikers Alessandro Volta. Es bezeichnet die direkte Umwandlung vonSonnenlicht in elektrische Energie mittels Solarzellen. Der Umwandlungsvorgangberuht auf dem bereits 1839 von Alexander Bequerel entdeckten Photoeffekt.Unter dem Photoeffekt versteht man die Freisetzung von positiven und negativenLadungsträgern in einem Festkörper durch Lichteinstrahlung.

Wie funktioniert eineSolarzelle?

Solarzellenbestehen aus verschiedenen Halbleitermaterialien. Halbleiter sind Stoffe, dieunter Zufuhr von Licht oder Wärme elektrisch leitfähig werden, während sie beitiefen Temperaturen isolierend wirken.
Über 95 % aller auf der Welt produzierten Solarzellen bestehen aus demHalbleitermaterial Silizium (Si). Silizium bietet den Vorteil, dass es alszweithäufigstes Element der Erdrinde in ausreichenden Mengen vorhanden und dieVerarbeitung des Materials umweltverträglich ist.
Zur Herstellung einer Solarzelle wird das Halbleitermaterial "dotiert".Damit ist das definierte Einbringen von chemischen Elementen gemeint, mit denenman entweder einen positiven Ladungsträgerüberschuß (p-leitendeHalbleiterschicht) oder einen negativen Ladungsträgerüberschuß (n-leitendeHalbleiterschicht) im Halbleitermaterial erzielen kann.
Werden zwei unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten gebildet, entsteht ander Grenzschicht ein sogenannter p-n-Übergang.

An diesemÜbergang baut sich ein inneres elektrisches Feld auf, das zu einerLadungstrennung der bei Lichteinfall freigesetzten Ladungsträger führt. ÜberMetallkontakte kann eine elektrische Spannung abgegriffen werden. Wird deräußere Kreis geschlossen, das heißt ein elektrischer Verbraucher angeschlossen,fließt ein Gleichstrom.
Siliziumzellen sind etwa 10 cm ´ 10 cm groß (seit kurzem auch 15 cm ´ 15 cm).Eine durchsichtige Antireflexschicht dient zum Schutz der Zelle und zurVerminderung von Reflexionsverlusten an der Zelloberfläche.

Eigenschaften einer Solarzelle

Die anSolarzellen abgreifbare Spannung ist abhängig vom Halbleitermaterial. BeiSilizium beträgt sie etwa 0,5 V. Die Klemmenspannung ist nur schwach von derLichteinstrahlung abhängig, während die Stromstärke bei höhererBeleuchtungsstärke ansteigt. Bei einer 100 cm² großen Siliziumzelle erreichtdie maximale Stromstärke unter Bestrahlung von 1.000 W/m² etwa einen Wert von 2A.

Die Leistung(Produkt aus Strom und Spannung) einer Solarzelle ist temperaturabhängig.Höhere Zelltemperaturen führen zu niedrigeren Leistungen und damit zu einemschlechteren Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad gibt an, wieviel der eingestrahltenLichtmenge in nutzbare elektrische Energie umgewandelt wird.

Unterschiedliche Zelltypen

Je nachKristallart unterscheidet man drei Zelltypen: monokristallin, polykristallinund amorph.
Zur Herstellung von monokristallinen Siliziumzellen benötigt man hochreinesHalbleitermaterial. Aus einer Siliziumschmelze werden einkristalline Stäbegezogen und anschließend in dünne Scheiben gesägt. Dieses Herstellungsverfahrengarantiert relativ hohe Wirkungsgrade.
Kostengünstiger ist die Herstellung von polykristallinen Zellen. Dabei wirdflüssiges Silizium in Blöcke gegossen, die anschließend in Scheiben gesägtwerden. Bei der Erstarrung des Materials bilden sich unterschiedlich großeKristallstrukturen aus, an deren Grenzen Defekte auftreten. DieseKristalldefekte haben einen geringeren Wirkungsgrad der Solarzelle zur Folge.
Wird auf Glas oder anderes Substratmaterial eine Siliziumschicht abgeschieden,spricht man von amorphen- oder Dünnschichtzellen. Die Schichtdicken betragenweniger als 1 µm (Dicke eines menschlichen Haares: 50-100 µm), so daß dieProduktionskosten allein wegen der geringeren Materialkosten niedriger sind.Die Wirkungsgrade amorpher Zellen liegen allerdings noch weit unter denen deranderen beiden Zelltypen. Anwendung finden sie vor allem imKleinleistungsbereich (Uhren, Taschenrechner) oder als Fassadenelemente.

Material

Wirkungsgrad in %
Labor

Wirkungsgrad in %
Produktion

Monokristallines Silizium

etwa 24

14 bis 17

Polykristallines Silizium

etwa 18

13 bis 15

Amorphes Silizium

etwa 13

5 bis 7

Von der Zelle zum Modul

Um für dieunterschiedlichen Anwendungsbereiche geeignete Spannungen bzw. Leistungenbereitstellen zu können, werden einzelne Solarzellen zu größeren Einheitenmiteinander verschaltet. Eine Serienschaltung der Zellen hat eine höhereSpannung zur Folge, eine Parallelschaltung einen höheren Strom. Die miteinanderverschalteten Solarzellen werden meist in transparentem Ethylen-Vinyl-Acetateingebettet, mit einem Rahmen aus Aluminium oder Edelstahl versehen undfrontseitig transparent mit Glas abgedeckt.
Die typischen Nennleistungen solcher Solarmodule liegen zwischen 10 Wpeak und100 Wpeak. Die Kenndaten der Solarmodule beziehen sich auf dieStandardtestbedingungen von 1000 W/m² Sonneneinstrahlung bei 25 °CZelltemperatur. Die von den Herstellern angegebenen Garantiezeiten sind mit inder Regel 10 Jahren recht hoch und bezeugen den hohen Qualitätsstandard und diehohe Lebenserwartung heutiger Produkte


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