Antireflexschicht

Besser lassen sich PV-Module kaum entspiegeln

Die Antireflexschicht - Abk. AR-Beschichtung oder ARC (von engl. anti-reflection coating) - liegt auf der sonnen­zugewandten Seite von Solarzellen und schließt deren Schichtaufbau auf der Oberseite ab.
Zusätzlich befindet sich oft eine zweite Antireflexschicht an der Oberseite der Einkapselung des Photovoltaikmoduls.

Beider Aufgabe ist es, optische Verluste in der Solarzelle zu reduzieren, indem sie die Spiegelung von Sonnenlicht verringern. Die regelmäßig, fast im Halbjahrestakt sich ständig verbessernden Weltrekorde beim Wirkungsgrad von Solarzellen - z.B. Sept. 2017: kristalline Photovoltaik bei 22,3 % - verdanken sich nicht selten verbesserten Techniken der Entspiegelung von Solarzellen- bzw. Moduloberflächen.

Sind Sie interessiert an einer Photovoltaikanlage für Ihr Dach?
Zum Preis- und Angebotsvergleich

ARC der Solarzelle

Zum Vergrößern bitte anklicken!
Foto: Cyferz, GFDL, via Wikimedia Commons

Blankes graues Silizium wirft über 30% des einfallenden Sonnenlichts ungenutzt zurück - Licht, das ohne diese Reflexion für die Solarstrom-Produktion zur Verfügung stünde.
Um den hohen Verlust zu ver­ringern, werden Solarzellen entspie­gelt - d.h. sie erhalten eine Anti­reflexschicht und sie werden zu­sätzlich mit einer hauchfeinen Pyramiden-Textur an der Oberfläche versehen (ca. 5-10 µm Höhe und Breite). Die Antireflexschicht besteht dabei aus einem hauchdünnen entspiegelten Film, der den Verlust an einfallender Solarstrahlung auf rund 10% reduziert.
Damit trägt die AR-Beschichtung bzw. das "Antireflexpaket" (Textur und ARC) wesentlich zu einem verbesserten CTM (Cell-to-Module-Loss) und dieses wiederum zu einem verbesserten Wirkungsgrad der Solarzelle bei.

Sichtbar ist die reflexionsmindernde Schicht auch für das freie Auge. Sie verleiht den grauen Siliziumwafern ihre typische Farbe: Je nach Beschichtungsmaterial und -stärke schimmert die Antireflexschicht grün, bläulich-schwarz oder violett.
In handelsüblichen Solarzellen (mit einer AR-Beschichtung von 65-80nm Silicium-Nitrid oder ca. 60-100nm Silicium-Oxid) erscheint die Zelle blau.

ARC des Photovoltaikmoduls

Im Photovoltaikmodul werden mehrere Solarzellen zusammengeschaltet und verkapselt.
Viele Hersteller versehen die frontseitige Glasscheibe ihrer Module heute ebenfalls mit einer entspiegelnden Textur (V-Gräben, Rillen o.ä., in Größenordnungen von Millimetern) und/oder sogar mit einer zusätzlichen Antireflexbeschichtung, um die Lichteinkopplung ins Glas zu verbessern.

Besser lassen sich PV-Module kaum entspiegeln

Die Antireflexschicht - Abk. AR-Beschichtung oder ARC (von engl. anti-reflection coating) - liegt auf der sonnen­zugewandten Seite von Solarzellen und schließt deren Schichtaufbau auf der Oberseite ab.
Zusätzlich befindet sich oft eine zweite Antireflexschicht an der Oberseite der Einkapselung des Photovoltaikmoduls.

Beider Aufgabe ist es, optische Verluste in der Solarzelle zu reduzieren, indem sie die Spiegelung von Sonnenlicht verringern. Die regelmäßig, fast im Halbjahrestakt sich ständig verbessernden Weltrekorde beim Wirkungsgrad von Solarzellen - z.B. Sept. 2017: kristalline Photovoltaik bei 22,3 % - verdanken sich nicht selten verbesserten Techniken der Entspiegelung von Solarzellen- bzw. Moduloberflächen.

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ARC der Solarzelle

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Foto: Cyferz, GFDL, via Wikimedia Commons

Blankes graues Silizium wirft über 30% des einfallenden Sonnenlichts ungenutzt zurück - Licht, das ohne diese Reflexion für die Solarstrom-Produktion zur Verfügung stünde.
Um den hohen Verlust zu ver­ringern, werden Solarzellen entspie­gelt - d.h. sie erhalten eine Anti­reflexschicht und sie werden zu­sätzlich mit einer hauchfeinen Pyramiden-Textur an der Oberfläche versehen (ca. 5-10 µm Höhe und Breite). Die Antireflexschicht besteht dabei aus einem hauchdünnen entspiegelten Film, der den Verlust an einfallender Solarstrahlung auf rund 10% reduziert.
Damit trägt die AR-Beschichtung bzw. das "Antireflexpaket" (Textur und ARC) wesentlich zu einem verbesserten CTM (Cell-to-Module-Loss) und dieses wiederum zu einem verbesserten Wirkungsgrad der Solarzelle bei.

Sichtbar ist die reflexionsmindernde Schicht auch für das freie Auge. Sie verleiht den grauen Siliziumwafern ihre typische Farbe: Je nach Beschichtungsmaterial und -stärke schimmert die Antireflexschicht grün, bläulich-schwarz oder violett.
In handelsüblichen Solarzellen (mit einer AR-Beschichtung von 65-80nm Silicium-Nitrid oder ca. 60-100nm Silicium-Oxid) erscheint die Zelle blau.

ARC des Photovoltaikmoduls

Im Photovoltaikmodul werden mehrere Solarzellen zusammengeschaltet und verkapselt.
Viele Hersteller versehen die frontseitige Glasscheibe ihrer Module heute ebenfalls mit einer entspiegelnden Textur (V-Gräben, Rillen o.ä., in Größenordnungen von Millimetern) und/oder sogar mit einer zusätzlichen Antireflexbeschichtung, um die Lichteinkopplung ins Glas zu verbessern.

Physikalische Hintergründe:

Lichtreflexion - eine Frage der Optik

Das physikalische Phänomen, dem mit der Antireflexschicht begegnet werden soll, ist das der Reflexion.
Darunter ist das Zurückprallen von Wellen an einer physischen Barriere, der sogenannten Grenzschicht zu verstehen.

Das können in der Akustik z.B. Schallwellen sein, deren Echo von einer Kirchenkuppel oder einem Felsen widerhallt - oder in der Optik Lichtwellen, wenn sie auf einen Übergang zwischen zwei Materialien mit ausreichend unterschiedlichen optischen Eigenschaften einstrahlen.
Spektakulär ist dies beispielsweise bei der Spiegelung einer Fata Morgana, wenn das Licht an der Grenzschicht zwischen zwei Luftschichten unterschiedlicher Wärme zurückgeworfen wird.

Näher am Alltag können wir - neben Spiegeln, Fenstern, Pfützen usw. - das Phänomen z.B. an einem stillen Gebirgssee beobachten, in dem sich der Gipfel eines Bergmassivs spiegelt.
Je flacher übrigens das Licht auf die Grenzschicht - hier: die Wasseroberfläche - einfällt, desto stärker die Reflexion.

In der Photovoltaik sind es die Wellen des Lichts, die von der Grenzschicht der blanken Solar­zellen­oberfläche zurückspiegeln.

Brechungsindex
Entscheidend für die Reflexion an der Grenzschicht ist, wie rasch das Licht ein Material durchqueren kann. Das physikalische Maß für diese optische Eigenschaft ist der Brechungsindex n oder die Brechzahl.
Der Referenzwert ist die Lichtgeschwindigkeit in Vakuum. Der Brechungsindex gibt an, um welchen Betrag die Geschwindigkeit eines Lichtstrahls von der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum abweicht; dabei ist er von der Wellenlänge des Lichtstrahls abhängig.

Bei der kristallinen Solarzelle stellt sich die Reflexion folgendermaßen dar.
Luft, in der sich der Lichtstrahl zunächst bewegt, hat einen Brechungsindex von 1; Silizium, auf dessen Oberfläche die Lichtwelle trifft, weist im sichtbaren Spektrum einen Index von 3,9 auf.
Licht breitet sich in der Luft also deutlich schneller aus als in Silizium - an der Grenzschicht zwischen beiden Materialien kommt es zum optischen Bruch, damit zur Reflexion.

Berechnung des Reflexionsfaktors

Wie viel Solarstrahlung jeweils zurückgespiegelt wird, kann mit einer einfachen Formel für den Reflexionsfaktor R berechnet werden. Sie geht aus der Fresnelschen Gleichungen hervor und beschreibt in der verwendeten Form den Spezialfall des senkrechten Lichteinfalls:

n1 ist der Brechungsindex von Material 1 - im Alltag meist der Luft
n2 ist der Brechungsindex von Material 2, in den genannten Beispielen also Glas, Spiegelsilber, Wasser oder eben Silizium

R = ((n1 -n2)/(n1+n2))^2

Auf die Solarzelle bezogen:

R = (1-3,9)/(1+3,9))^2

Für senkrecht auf Silizium auftreffende Strahlen aus dem Bereich des sichtbaren Lichts ergibt sich damit ein Reflexionsfaktor von 0,35 - über ein Drittel der solaren Einstrahlung.
Fällt das Licht in einem flacheren Winkel ein, sind die Reflexionsverluste sogar höher.

Antireflexbeschichtung: Kunstgriffe der Optik

Da nur dasjenige Licht, das in die Solarzelle eindringt, zur Solarstromerzeugung beitragen kann, streben die Hersteller danach, Verluste durch Reflexion so weit wie möglich zu reduzieren.
Erreichen lässt sich dies

Forscher und Hersteller bedienen sich bei der entspiegelnden Beschichtung der Solarzelle eines optischen Kunstgriffs - er wird schon bei der Entspiegelung von Brillengläsern, aber ähnlich auch bei der Geräusch-Unterdrückung durch Kopfhörern eingesetzt.

Phasenverschiebung in der Entspiegelung

Zum Vergrößern Grafik bitte anklicken!
Der einfallende Lichtstrahl E₀ wird in A und B reflektiert. Durch den Phasensprung heben sich die reflektierten Strahlen E_R1 und E_R2 aber auf
© eigene Darstellung nach Mertens 2012

Grundsätzlich besteht der Kniff der Entspiegelung darin, die Wel­len der einfallenden und reflek­tierten Lichtstrahlen so gegen­einander zu verschieben, dass sie sich gegenseitig neutrali­sieren.
Durch die Schichtstärke des Anti­reflexüberzugs können die Wellen der reflektierten Licht­strahlen da­bei gezielt aus dem Takt gebracht werden - der Physiker spricht von einer Phasenverschiebung.
Für den Antireflex-Effekt muss ein Wellental auf einen Wellenberg treffen, weshalb die reflektierten Wellen genau um eine halbe Länge - d.h. eine halbe Phase - verschoben werden müssen. Fachleute nennen diesen Vorgang destruktive Interferenz (vgl. Abbildung unten).

Phasenverschiebung in der Umsetzung

Das optische Geheimnis der Antireflexschicht, die dekonstruktive Interferenz: Zwei gleich starke, um eine halbe Phase verschobene Wellen (W₁, W₂) heben sich auf (W₁₂)
© eigene Darstellung

Technisch wird dies durch die An­passung der Dicke der Anti­reflexschicht umgesetzt.
Nach den Gesetzen der Optik braucht es für die notwendige halbe Phasen­verschiebung eine Schichtdicke, die genau 25% der Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls entspricht - oder einem unge­raden Vielfachen davon (vgl. diese verständliche Erklärung der Web­site pveducation.org, engl.).

Ganz verschwinden die Wellen der Lichtstrahlen - und damit die Re­flexion - aber erst, wenn sie in derselben Höhe (Amplitude) schwingen. Erfüllbar ist diese Anforderung aber nur:

... wenn der Brechungsindex der [Antireflex-]Schicht der Wurzel aus dem Produkt n 0 [u.]⋅ n Sub entspricht." (Kaless (PDF), 2006, 2. Theoretische Grundlagen, S 5.)

Abgeleitet ist diese Anforderung aus den Fresnel’schen Formeln, wobei Mehrfachreflexionen der Einfachheit halber vernachlässigt werden können. Mathematisch gefasst lautet die Bedingung wie folgt:

n _AR = √ n₀ x n_sub

N_0 steht dabei für den Brechungsindex der Schicht über der Antireflexschicht - das ist bei Solarzellen in der Regel die Luft.
n_sub ist die Brechzahl für das Substrat, auf dem die reflexionsmindernde Schicht aufgebracht wird, also Silizium.
Setzt man die entsprechenden Werte - 1 für Luft, 3,9 für Silizium - in die Formel ein, ergibt sich für kristalline Solarzellen ein idealer Brechungsindex von ≈ 2. Siliziumnitrid kommt dem mit einer Brechzahl von 1,9 - 2,1 am nächsten.

Werden diese beiden Bedingungen vollständig erfüllt, können Reflexionsverluste theoretisch sogar ganz verhindert werden - allerdings nur wenn das Licht fast ausschließlich senkrecht auf die Oberfläche fällt.

High-Tech für Ihr Dach?
Zur individuellen Berechnung

AR-Beschichtung in der Praxis

Soweit die Theorie. In der Solarzelle soll aber nicht eine Wellenlänge allein, sondern das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichts genutzt werden - mit Wellenlängen zwischen rund 400 und 800 nm (sprich: Nanometer; Millionstel Millimeter).
Hinzu kommt, dass ein Material mit einem idealen Brechungsindex, das zugleich als hauchdünner, robuster Film auf Silizium oder Glas aufgebracht werden kann, nicht leicht zu finden ist.
In der Praxis ist die Wahl der Schichtstärke und des Schichtmaterials deshalb ein Kompromiss. Letzte Reflexionsverluste lassen sich in der Realität somit nie ganz verhindern.

Antireflexschicht - Dicke
Die Dicke der Antireflexschicht wird daher auf eine Wellenlänge ausgerichtet, bei der die meiste Sonnenenergie verfügbar ist - bei rund 550 bis 600 Nanometer, im Bereich des grünen bis gelb-orangen Lichts. Solarzellen und Solarmodule glitzern deshalb auch nie tiefgrün oder gelb, da dieses Licht vollkommen absorbiert wird.
Für die Antireflexschichten ergeben sich daraus - je nach verwendetem Material - Schichtstärken von rund 70 bis 100 nm. Bei Siliziumnitrid sind es bspw. 74 Nanometer, bei Siliziumoxid 103 nm.

Zum Vergrößern Grafik bitte anklicken! Schichtstärken und Reflexionsverluste verschiedener Antireflexbeschichtungen verteilt über das Lichtspektrum - © www.lehrbuch-photovoltaik.de

Antireflexschicht - Material
Beim Antireflexschichtmaterial setzen die meisten Hersteller - zumindest bei der Solarzellen­beschichtung - heute auf Silizium­nitrid (Si₃N₄). Die beigefarbene, schwer lösliche Substanz wird auf den Solarzellenwafer mit Hilfe des chemischen Abscheideverfahrens CVD aufgedampft (von engl. Chemical Vapor Deposition). Dank seines Brechungsindexes von 2 können die Reflexionsverluste mit einer Si₃N₄-Beschichtung unter idealen Bedingungen auf nur 1% gesenkt werden.
Manchmal wird auch noch das früher dominierende Siliziumdioxid (SiO₂) verwendet, das einen Brechungsindex von 1,46 aufweist. Die Reflexionsverluste summieren sich bei SiO₂'-Beschichtungen allerdings auf gut 8%.
In der Realität sind die Verluste höher - zumal nicht das gesamte Licht senkrecht auf die Solarzelle trifft. Mit Si₃N₄-Beschichtung liegen sie bei rund 10%.

Zusätzliche Maßnahmen zur Senkung von Reflexionsverlusten

Mit Hilfe zusätzlicher Maßnahmen lassen sich die Verluste indes noch weiter reduzieren. Besonders effektiv ist die anfänglich genannte Aufrauung bzw. Texturierung der Zell-Oberfläche.

Zusätzliche Reflexionsreduktion bei Solarzellen

Texturierte Silicium-Wafer in
verschiedenen Farben und Größen
Quelle: Wikipedia (Stahlkocher)

Beim Texturieren wird die Oberfläche der Zelle mit einer Säure geätzt. Auf der Oberfläche des kristallinen Siliziums entsteht dadurch eine regelrechte Pyramidenlandschaft - die der Tatsache Rechnung trägt, dass die Solareinstrahlung häufiger schräg als senkrecht auf die Solarzelle trifft.
Einige der reflektierten Lichtstrahlen werden abgelenkt - und zwar so, dass sie ein zweites Mal auf die Oberfläche treffen. Der Lichtstrahl erhält gewissermaßen eine zweite Chance.

In Kombination mit der Antireflexschicht können die Reflexions-Verluste so auf ca. 3% gesenkt werden.

Zusätzliche Reflexionsreduktion bei PV-Modulen

Neben der Oberfläche von Solarzellen ergeben sich unerwünschte Reflexionen auch auf dem Schutzglas, das Photovoltaikmodule vor Witterungseinflüssen und mechanischen Beschädigungen schützt.
Von einigen Herstellern wird dieses Glas deshalb ebenfalls mit einer Antireflexschicht und/oder Texturierung versehen.
Der Anteil so behandelter Module am Gesamtmarkt beträgt rund 10%; eingesetzt werden sie insbesondere bei Hochleistungsmodulen.

Das Funktionsprinzip ist dabei dasselbe wie bei der Solarzelle, die jeweiligen Verfahren sind aber teils unterschiedlich.
So wird die Oberfläche des Glases von manchen Produzenten etwa durch ein Walzverfahren texturiert, andere Hersteller verwenden nanoporöse Schichten aus Siliziumdioxid oder Gold.

Manchmal wird das Glas wie bei einer Brille auch einfach nur mit Hilfe einer Antireflexschicht entspiegelt bzw. eine Textur eingeätzt (Antireflexglas).

Der Lichteinfall ins Modul und in die Solarzellen kann durch diese Maßnahmen dabei deutlich verbessert werden: bei senkrechter Einstrahlung im Schnitt um rund 2 bis 3%.

Als besonders effektiv erweisen sich diese Antireflex-Strategien bei schwachem bzw. schräg einfallendem Licht. Hier kann die Lichtausbeute sogar um bis zu 20% verbessert werden.

Um die Verluste weiter zu verringern, wird heute intensiv an zusätzlichen Verbesserungen geforscht.
Schwerpunkte sind dabei unter anderem mehrlagige Antireflexschichten, die auf verschiedene Wellenlängen optimiert werden können, und Glasabdeckungen mit verbesserten optischen Eigenschaften.

Wie können PV-Bauherrn gute Antireflexbeschichtungen erkennen?

PV-Bauherrn können den Effekt und die Qualität der Antireflexbeschichtungen nicht ohne Weiteres vom Moduldatenblatt ablesen.
Ein brauchbarer indirekter Hinweis ist die Angabe zum Wirkungsgrad bei Schwachlichtverhältnissen. Dabei wird die Effizienz nicht unter den Standard-Test-Bedingungen gemessen (u.a. 1.000 W/m² Einstrahlung), sondern bei einer Einstrahlungsstärke von meist 200 W/m².

Indikator Schwachlichtverluste
Da Antireflexbeschichtungen bei schwachem, schräg einstrahlendem Licht ihre größte Wirkung entfalten, ist die Schwachlichteigenschaft eines Moduls in der Regel ein Indikator für ihre Effektivität.
Viele Modulhersteller geben den Wirkungsgradverlust bei Schwachlicht mittlerweile auch gesondert im Moduldatenblatt an. Gute Module weisen hierbei Einbußen von 3% auf, sehr gute Module schaffen sogar weniger als 2%.

Der beste Gradmesser für die Qualität der Antireflexbeschichtung ist aber die praktische Beurteilung durch einen ausgebildeten Solarteur. Er weiß nicht nur über die Wirkung, sondern auch über die Praktikabilität (Standfestigkeit, Schmutzanfälligkeit etc.) der verschiedenen Lösungen detailliert Bescheid.
Außerdem kann er für Ihre konkrete PV-Anlage exakt berechnen, ob sich Hochleistungsmodule mit besonders guten Antireflex- und Schwachlichteigenschaften lohnen.
Das kann insbesondere bei einer nicht optimalen Ausrichtung der Anlage - starke West- oder Ostorientierung - entscheidende Vorteile mit sich bringen.

Wir danken Nico Wöhrle, Doktorand am Fraunhofer Institut für solare Energiesysteme Freiburg (ISE) für kritische Anmerkungen und Hilfestellung.
Alle Fehler, die der Artikel trotzdem noch enthält, gehören selbstverständlich weiterhin ausschließlich uns.

Zur individuellen Berechnung

Physikalische Hintergründe:

Lichtreflexion - eine Frage der Optik

Das physikalische Phänomen, dem mit der Antireflexschicht begegnet werden soll, ist das der Reflexion.
Darunter ist das Zurückprallen von Wellen an einer physischen Barriere, der sogenannten Grenzschicht zu verstehen.

Das können in der Akustik z.B. Schallwellen sein, deren Echo von einer Kirchenkuppel oder einem Felsen widerhallt - oder in der Optik Lichtwellen, wenn sie auf einen Übergang zwischen zwei Materialien mit ausreichend unterschiedlichen optischen Eigenschaften einstrahlen.
Spektakulär ist dies beispielsweise bei der Spiegelung einer Fata Morgana, wenn das Licht an der Grenzschicht zwischen zwei Luftschichten unterschiedlicher Wärme zurückgeworfen wird.

Näher am Alltag können wir - neben Spiegeln, Fenstern, Pfützen usw. - das Phänomen z.B. an einem stillen Gebirgssee beobachten, in dem sich der Gipfel eines Bergmassivs spiegelt.
Je flacher übrigens das Licht auf die Grenzschicht - hier: die Wasseroberfläche - einfällt, desto stärker die Reflexion.

In der Photovoltaik sind es die Wellen des Lichts, die von der Grenzschicht der blanken Solar­zellen­oberfläche zurückspiegeln.

Brechungsindex
Entscheidend für die Reflexion an der Grenzschicht ist, wie rasch das Licht ein Material durchqueren kann. Das physikalische Maß für diese optische Eigenschaft ist der Brechungsindex n oder die Brechzahl.
Der Referenzwert ist die Lichtgeschwindigkeit in Vakuum. Der Brechungsindex gibt an, um welchen Betrag die Geschwindigkeit eines Lichtstrahls von der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum abweicht; dabei ist er von der Wellenlänge des Lichtstrahls abhängig.

Bei der kristallinen Solarzelle stellt sich die Reflexion folgendermaßen dar.
Luft, in der sich der Lichtstrahl zunächst bewegt, hat einen Brechungsindex von 1; Silizium, auf dessen Oberfläche die Lichtwelle trifft, weist im sichtbaren Spektrum einen Index von 3,9 auf.
Licht breitet sich in der Luft also deutlich schneller aus als in Silizium - an der Grenzschicht zwischen beiden Materialien kommt es zum optischen Bruch, damit zur Reflexion.

Berechnung des Reflexionsfaktors

Wie viel Solarstrahlung jeweils zurückgespiegelt wird, kann mit einer einfachen Formel für den Reflexionsfaktor R berechnet werden. Sie geht aus der Fresnelschen Gleichungen hervor und beschreibt in der verwendeten Form den Spezialfall des senkrechten Lichteinfalls:

n1 ist der Brechungsindex von Material 1 - im Alltag meist der Luft
n2 ist der Brechungsindex von Material 2, in den genannten Beispielen also Glas, Spiegelsilber, Wasser oder eben Silizium

R = ((n1 -n2)/(n1+n2))^2

Auf die Solarzelle bezogen:

R = (1-3,9)/(1+3,9))^2

Für senkrecht auf Silizium auftreffende Strahlen aus dem Bereich des sichtbaren Lichts ergibt sich damit ein Reflexionsfaktor von 0,35 - über ein Drittel der solaren Einstrahlung.
Fällt das Licht in einem flacheren Winkel ein, sind die Reflexionsverluste sogar höher.

Antireflexbeschichtung: Kunstgriffe der Optik

Da nur dasjenige Licht, das in die Solarzelle eindringt, zur Solarstromerzeugung beitragen kann, streben die Hersteller danach, Verluste durch Reflexion so weit wie möglich zu reduzieren.
Erreichen lässt sich dies

Forscher und Hersteller bedienen sich bei der entspiegelnden Beschichtung der Solarzelle eines optischen Kunstgriffs - er wird schon bei der Entspiegelung von Brillengläsern, aber ähnlich auch bei der Geräusch-Unterdrückung durch Kopfhörern eingesetzt.

Phasenverschiebung in der Entspiegelung

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Der einfallende Lichtstrahl E₀ wird in A und B reflektiert. Durch den Phasensprung heben sich die reflektierten Strahlen E_R1 und E_R2 aber auf
© eigene Darstellung nach Mertens 2012

Grundsätzlich besteht der Kniff der Entspiegelung darin, die Wel­len der einfallenden und reflek­tierten Lichtstrahlen so gegen­einander zu verschieben, dass sie sich gegenseitig neutrali­sieren.
Durch die Schichtstärke des Anti­reflexüberzugs können die Wellen der reflektierten Licht­strahlen da­bei gezielt aus dem Takt gebracht werden - der Physiker spricht von einer Phasenverschiebung.
Für den Antireflex-Effekt muss ein Wellental auf einen Wellenberg treffen, weshalb die reflektierten Wellen genau um eine halbe Länge - d.h. eine halbe Phase - verschoben werden müssen. Fachleute nennen diesen Vorgang destruktive Interferenz (vgl. Abbildung unten).

Phasenverschiebung in der Umsetzung

Das optische Geheimnis der Antireflexschicht, die dekonstruktive Interferenz: Zwei gleich starke, um eine halbe Phase verschobene Wellen (W₁, W₂) heben sich auf (W₁₂)
© eigene Darstellung

Technisch wird dies durch die An­passung der Dicke der Anti­reflexschicht umgesetzt.
Nach den Gesetzen der Optik braucht es für die notwendige halbe Phasen­verschiebung eine Schichtdicke, die genau 25% der Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls entspricht - oder einem unge­raden Vielfachen davon (vgl. diese verständliche Erklärung der Web­site pveducation.org, engl.).

Ganz verschwinden die Wellen der Lichtstrahlen - und damit die Re­flexion - aber erst, wenn sie in derselben Höhe (Amplitude) schwingen. Erfüllbar ist diese Anforderung aber nur:

... wenn der Brechungsindex der [Antireflex-]Schicht der Wurzel aus dem Produkt n 0 [u.]⋅ n Sub entspricht." (Kaless (PDF), 2006, 2. Theoretische Grundlagen, S 5.)

Abgeleitet ist diese Anforderung aus den Fresnel’schen Formeln, wobei Mehrfachreflexionen der Einfachheit halber vernachlässigt werden können. Mathematisch gefasst lautet die Bedingung wie folgt:

n _AR = √ n₀ x n_sub

N_0 steht dabei für den Brechungsindex der Schicht über der Antireflexschicht - das ist bei Solarzellen in der Regel die Luft.
n_sub ist die Brechzahl für das Substrat, auf dem die reflexionsmindernde Schicht aufgebracht wird, also Silizium.
Setzt man die entsprechenden Werte - 1 für Luft, 3,9 für Silizium - in die Formel ein, ergibt sich für kristalline Solarzellen ein idealer Brechungsindex von ≈ 2. Siliziumnitrid kommt dem mit einer Brechzahl von 1,9 - 2,1 am nächsten.

Werden diese beiden Bedingungen vollständig erfüllt, können Reflexionsverluste theoretisch sogar ganz verhindert werden - allerdings nur wenn das Licht fast ausschließlich senkrecht auf die Oberfläche fällt.

High-Tech für Ihr Dach?
Zur individuellen Berechnung

AR-Beschichtung in der Praxis

Soweit die Theorie. In der Solarzelle soll aber nicht eine Wellenlänge allein, sondern das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichts genutzt werden - mit Wellenlängen zwischen rund 400 und 800 nm (sprich: Nanometer; Millionstel Millimeter).
Hinzu kommt, dass ein Material mit einem idealen Brechungsindex, das zugleich als hauchdünner, robuster Film auf Silizium oder Glas aufgebracht werden kann, nicht leicht zu finden ist.
In der Praxis ist die Wahl der Schichtstärke und des Schichtmaterials deshalb ein Kompromiss. Letzte Reflexionsverluste lassen sich in der Realität somit nie ganz verhindern.

Antireflexschicht - Dicke
Die Dicke der Antireflexschicht wird daher auf eine Wellenlänge ausgerichtet, bei der die meiste Sonnenenergie verfügbar ist - bei rund 550 bis 600 Nanometer, im Bereich des grünen bis gelb-orangen Lichts. Solarzellen und Solarmodule glitzern deshalb auch nie tiefgrün oder gelb, da dieses Licht vollkommen absorbiert wird.
Für die Antireflexschichten ergeben sich daraus - je nach verwendetem Material - Schichtstärken von rund 70 bis 100 nm. Bei Siliziumnitrid sind es bspw. 74 Nanometer, bei Siliziumoxid 103 nm.

Zum Vergrößern Grafik bitte anklicken! Schichtstärken und Reflexionsverluste verschiedener Antireflexbeschichtungen verteilt über das Lichtspektrum - © www.lehrbuch-photovoltaik.de

Antireflexschicht - Material
Beim Antireflexschichtmaterial setzen die meisten Hersteller - zumindest bei der Solarzellen­beschichtung - heute auf Silizium­nitrid (Si₃N₄). Die beigefarbene, schwer lösliche Substanz wird auf den Solarzellenwafer mit Hilfe des chemischen Abscheideverfahrens CVD aufgedampft (von engl. Chemical Vapor Deposition). Dank seines Brechungsindexes von 2 können die Reflexionsverluste mit einer Si₃N₄-Beschichtung unter idealen Bedingungen auf nur 1% gesenkt werden.
Manchmal wird auch noch das früher dominierende Siliziumdioxid (SiO₂) verwendet, das einen Brechungsindex von 1,46 aufweist. Die Reflexionsverluste summieren sich bei SiO₂'-Beschichtungen allerdings auf gut 8%.
In der Realität sind die Verluste höher - zumal nicht das gesamte Licht senkrecht auf die Solarzelle trifft. Mit Si₃N₄-Beschichtung liegen sie bei rund 10%.

Zusätzliche Maßnahmen zur Senkung von Reflexionsverlusten

Mit Hilfe zusätzlicher Maßnahmen lassen sich die Verluste indes noch weiter reduzieren. Besonders effektiv ist die anfänglich genannte Aufrauung bzw. Texturierung der Zell-Oberfläche.

Zusätzliche Reflexionsreduktion bei Solarzellen

Texturierte Silicium-Wafer in
verschiedenen Farben und Größen
Quelle: Wikipedia (Stahlkocher)

Beim Texturieren wird die Oberfläche der Zelle mit einer Säure geätzt. Auf der Oberfläche des kristallinen Siliziums entsteht dadurch eine regelrechte Pyramidenlandschaft - die der Tatsache Rechnung trägt, dass die Solareinstrahlung häufiger schräg als senkrecht auf die Solarzelle trifft.
Einige der reflektierten Lichtstrahlen werden abgelenkt - und zwar so, dass sie ein zweites Mal auf die Oberfläche treffen. Der Lichtstrahl erhält gewissermaßen eine zweite Chance.

In Kombination mit der Antireflexschicht können die Reflexions-Verluste so auf ca. 3% gesenkt werden.

Zusätzliche Reflexionsreduktion bei PV-Modulen

Neben der Oberfläche von Solarzellen ergeben sich unerwünschte Reflexionen auch auf dem Schutzglas, das Photovoltaikmodule vor Witterungseinflüssen und mechanischen Beschädigungen schützt.
Von einigen Herstellern wird dieses Glas deshalb ebenfalls mit einer Antireflexschicht und/oder Texturierung versehen.
Der Anteil so behandelter Module am Gesamtmarkt beträgt rund 10%; eingesetzt werden sie insbesondere bei Hochleistungsmodulen.

Das Funktionsprinzip ist dabei dasselbe wie bei der Solarzelle, die jeweiligen Verfahren sind aber teils unterschiedlich.
So wird die Oberfläche des Glases von manchen Produzenten etwa durch ein Walzverfahren texturiert, andere Hersteller verwenden nanoporöse Schichten aus Siliziumdioxid oder Gold.

Manchmal wird das Glas wie bei einer Brille auch einfach nur mit Hilfe einer Antireflexschicht entspiegelt bzw. eine Textur eingeätzt (Antireflexglas).

Der Lichteinfall ins Modul und in die Solarzellen kann durch diese Maßnahmen dabei deutlich verbessert werden: bei senkrechter Einstrahlung im Schnitt um rund 2 bis 3%.

Als besonders effektiv erweisen sich diese Antireflex-Strategien bei schwachem bzw. schräg einfallendem Licht. Hier kann die Lichtausbeute sogar um bis zu 20% verbessert werden.

Um die Verluste weiter zu verringern, wird heute intensiv an zusätzlichen Verbesserungen geforscht.
Schwerpunkte sind dabei unter anderem mehrlagige Antireflexschichten, die auf verschiedene Wellenlängen optimiert werden können, und Glasabdeckungen mit verbesserten optischen Eigenschaften.

Wie können PV-Bauherrn gute Antireflexbeschichtungen erkennen?

PV-Bauherrn können den Effekt und die Qualität der Antireflexbeschichtungen nicht ohne Weiteres vom Moduldatenblatt ablesen.
Ein brauchbarer indirekter Hinweis ist die Angabe zum Wirkungsgrad bei Schwachlichtverhältnissen. Dabei wird die Effizienz nicht unter den Standard-Test-Bedingungen gemessen (u.a. 1.000 W/m² Einstrahlung), sondern bei einer Einstrahlungsstärke von meist 200 W/m².

Indikator Schwachlichtverluste
Da Antireflexbeschichtungen bei schwachem, schräg einstrahlendem Licht ihre größte Wirkung entfalten, ist die Schwachlichteigenschaft eines Moduls in der Regel ein Indikator für ihre Effektivität.
Viele Modulhersteller geben den Wirkungsgradverlust bei Schwachlicht mittlerweile auch gesondert im Moduldatenblatt an. Gute Module weisen hierbei Einbußen von 3% auf, sehr gute Module schaffen sogar weniger als 2%.

Der beste Gradmesser für die Qualität der Antireflexbeschichtung ist aber die praktische Beurteilung durch einen ausgebildeten Solarteur. Er weiß nicht nur über die Wirkung, sondern auch über die Praktikabilität (Standfestigkeit, Schmutzanfälligkeit etc.) der verschiedenen Lösungen detailliert Bescheid.
Außerdem kann er für Ihre konkrete PV-Anlage exakt berechnen, ob sich Hochleistungsmodule mit besonders guten Antireflex- und Schwachlichteigenschaften lohnen.
Das kann insbesondere bei einer nicht optimalen Ausrichtung der Anlage - starke West- oder Ostorientierung - entscheidende Vorteile mit sich bringen.

Wir danken Nico Wöhrle, Doktorand am Fraunhofer Institut für solare Energiesysteme Freiburg (ISE) für kritische Anmerkungen und Hilfestellung.
Alle Fehler, die der Artikel trotzdem noch enthält, gehören selbstverständlich weiterhin ausschließlich uns.

Zur individuellen Berechnung