Antireflexschicht

 

Antireflexschicht

 
 

Besser lassen sich PV-Module kaum entspiegeln

Antireflexschicht

Die Antireflexschicht (Abk. AR-Beschichtung oder ARC, von engl. antireflective bzw. anti-reflection coating) liegt auf der sonnen­zugewandten Seite von Solarzellen und schließt deren Schichtaufbau auf der Oberseite ab. ZusĂ€tzlich 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 oft gemeldeten, sich stĂ€ndig verbessernden Weltrekorde beim Wirkungsgrad von Solarzellen – z.B. 2017: kristalline Photovoltaik bei 26,6 % – verdanken sich nicht selten verbesserten Techniken der Entspiegelung von Solarzellen- bzw. ModuloberflĂ€chen.

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ARC der Solarzelle

Wafer in unterschiedlichen GrĂ¶ĂŸen und Farben

Texturierte Silicium-Wafer in verschiedenen Farben und GrĂ¶ĂŸen – Quelle: Wikipedia (Stahlkocher)

Blankes graues Silizium wirft ĂŒber 30% des einfallenden Sonnenlichts ungenutzt zurĂŒck – Licht, das ohne diese Reflexion fĂŒr die Solarstrom-Produktion zur VerfĂŒgung stĂŒnde.
Um den hohen Verlust zu ver­ringern, werden Solarzellen entspie­gelt – d.h. sie erhalten eine Anti­reflexschicht und sie werden zu­sĂ€tzlich mit einer hauchfeinen Pyramiden-Textur an der OberflĂ€che versehen (ca. 5-10 ”m Höhe und Breite). Die Antireflexschicht besteht dabei aus einem hauchdĂŒnnen entspiegelten Film, der den Verlust an einfallender Solarstrahlung auf rund 10% reduziert.
Damit trĂ€gt 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 fĂŒr das freie Auge. Sie verleiht den grauen Siliziumwafern ihre typische Farbe: Je nach Beschichtungsmaterial und -stĂ€rke schimmert die Antireflexschicht grĂŒn, blĂ€ulich-schwarz oder violett. In handelsĂŒblichen 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-GrĂ€ben, Rillen o.Ă€., in GrĂ¶ĂŸenordnungen von Millimetern) und/oder sogar mit einer zusĂ€tzlichen Antireflexbeschichtung, um die Lichteinkopplung ins Glas zu verbessern.

Besser lassen sich PV-Module kaum entspiegeln

Antireflexschicht

Die Antireflexschicht (Abk. AR-Beschichtung oder ARC, von engl. antireflective bzw. anti-reflection coating) liegt auf der sonnen­zugewandten Seite von Solarzellen und schließt deren Schichtaufbau auf der Oberseite ab. ZusĂ€tzlich 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 oft gemeldeten, sich stĂ€ndig verbessernden Weltrekorde beim Wirkungsgrad von Solarzellen – z.B. 2017: kristalline Photovoltaik bei 26,6 % – verdanken sich nicht selten verbesserten Techniken der Entspiegelung von Solarzellen- bzw. ModuloberflĂ€chen.

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ARC der Solarzelle

Wafer in unterschiedlichen GrĂ¶ĂŸen und Farben

Texturierte Silicium-Wafer in verschiedenen Farben und GrĂ¶ĂŸen – Quelle: Wikipedia (Stahlkocher)

Blankes graues Silizium wirft ĂŒber 30% des einfallenden Sonnenlichts ungenutzt zurĂŒck – Licht, das ohne diese Reflexion fĂŒr die Solarstrom-Produktion zur VerfĂŒgung stĂŒnde.
Um den hohen Verlust zu ver­ringern, werden Solarzellen entspie­gelt – d.h. sie erhalten eine Anti­reflexschicht und sie werden zu­sĂ€tzlich mit einer hauchfeinen Pyramiden-Textur an der OberflĂ€che versehen (ca. 5-10 ”m Höhe und Breite). Die Antireflexschicht besteht dabei aus einem hauchdĂŒnnen entspiegelten Film, der den Verlust an einfallender Solarstrahlung auf rund 10% reduziert.
Damit trĂ€gt 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 fĂŒr das freie Auge. Sie verleiht den grauen Siliziumwafern ihre typische Farbe: Je nach Beschichtungsmaterial und -stĂ€rke schimmert die Antireflexschicht grĂŒn, blĂ€ulich-schwarz oder violett. In handelsĂŒblichen 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-GrĂ€ben, Rillen o.Ă€., in GrĂ¶ĂŸenordnungen von Millimetern) und/oder sogar mit einer zusĂ€tzlichen Antireflexbeschichtung, um die Lichteinkopplung ins Glas zu verbessern.

Besser lassen sich PV-Module kaum entspiegeln

Antireflexschicht

Die Antireflexschicht (Abk. AR-Beschichtung oder ARC, von engl. antireflective bzw. anti-reflection coating) liegt auf der sonnen­zugewandten Seite von Solarzellen und schließt deren Schichtaufbau auf der Oberseite ab. ZusĂ€tzlich 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 oft gemeldeten, sich stĂ€ndig verbessernden Weltrekorde beim Wirkungsgrad von Solarzellen – z.B. 2017: kristalline Photovoltaik bei 26,6 % – verdanken sich nicht selten verbesserten Techniken der Entspiegelung von Solarzellen- bzw. ModuloberflĂ€chen.

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ARC der Solarzelle

Wafer in unterschiedlichen GrĂ¶ĂŸen und Farben

Texturierte Silicium-Wafer in verschiedenen Farben und GrĂ¶ĂŸen – Quelle: Wikipedia (Stahlkocher)

Blankes graues Silizium wirft ĂŒber 30% des einfallenden Sonnenlichts ungenutzt zurĂŒck – Licht, das ohne diese Reflexion fĂŒr die Solarstrom-Produktion zur VerfĂŒgung stĂŒnde.
Um den hohen Verlust zu ver­ringern, werden Solarzellen entspie­gelt – d.h. sie erhalten eine Anti­reflexschicht und sie werden zu­sĂ€tzlich mit einer hauchfeinen Pyramiden-Textur an der OberflĂ€che versehen (ca. 5-10 ”m Höhe und Breite). Die Antireflexschicht besteht dabei aus einem hauchdĂŒnnen entspiegelten Film, der den Verlust an einfallender Solarstrahlung auf rund 10% reduziert.
Damit trĂ€gt 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 fĂŒr das freie Auge. Sie verleiht den grauen Siliziumwafern ihre typische Farbe: Je nach Beschichtungsmaterial und -stĂ€rke schimmert die Antireflexschicht grĂŒn, blĂ€ulich-schwarz oder violett. In handelsĂŒblichen 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-GrĂ€ben, Rillen o.Ă€., in GrĂ¶ĂŸenordnungen von Millimetern) und/oder sogar mit einer zusĂ€tzlichen Antireflexbeschichtung, um die Lichteinkopplung ins Glas zu verbessern.

 

Physikalische HintergrĂŒnde:

Lichtreflexion – eine Frage der Optik

Das physikalische PhĂ€nomen, dem mit der Antireflexschicht begegnet werden soll, ist das der Reflexion. Darunter ist das ZurĂŒckprallen 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. SpektakulĂ€r ist dies beispielsweise bei der Spiegelung einer Fata Morgana, wenn das Licht an der Grenzschicht zwischen zwei Luftschichten unterschiedlicher WĂ€rme zurĂŒckgeworfen wird.

Spiegelung Matterhorn

NĂ€her am Alltag können wir – neben Spiegeln, Fenstern, PfĂŒtzen usw. – das PhĂ€nomen z.B. an einem stillen Gebirgssee beobachten, in dem sich der Gipfel eines Bergmassivs spiegelt. Je flacher ĂŒbrigens das Licht auf die Grenzschicht – hier: die WasseroberflĂ€che – einfĂ€llt, desto stĂ€rker die Reflexion.

In der Photovoltaik sind es die Wellen des Lichts, die von der Grenzschicht der blanken Solar­zellen­oberflĂ€che zurĂŒckspiegeln.

Brechungsindex

Entscheidend fĂŒr die Reflexion an der Grenzschicht ist, wie rasch das Licht ein Material durchqueren kann. Das physikalische Maß fĂŒr 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 WellenlÀnge des Lichtstrahls abhÀngig.

Bei der kristallinen Solarzelle stellt sich die Reflexion folgendermaßen dar. Luft, in der sich der Lichtstrahl zunĂ€chst bewegt, hat einen Brechungsindex von 1; Silizium, auf dessen OberflĂ€che 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 zurĂŒckgespiegelt wird, kann mit einer einfachen Formel fĂŒr 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

FĂŒr senkrecht auf Silizium auftreffende Strahlen aus dem Bereich des sichtbaren Lichts ergibt sich damit ein Reflexionsfaktor von 0,35 – ĂŒber ein Drittel der solaren Einstrahlung.
FÀllt 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 lÀsst sich dies

  • durch Texturierung (s.o.),
  • durch die Wahl des passenden Materials,
  • durch die Wahl der richtigen SchichtstĂ€rke.

Forscher und Hersteller bedienen sich bei der entspiegelnden Beschichtung der Solarzelle eines optischen Kunstgriffs – er wird schon bei der Entspiegelung von BrillenglĂ€sern, aber Ă€hnlich auch bei der GerĂ€usch-UnterdrĂŒckung durch Kopfhörern eingesetzt.

Phasenverschiebung in der Entspiegelung

Reflexion von Solarzellen mit und ohne Antireflexschicht

Zum VergrĂ¶ĂŸern Grafik bitte anklicken!
Der einfallende Lichtstrahl E0 wird in A und B reflektiert. Durch den Phasensprung heben sich die reflektierten Strahlen ER1 und ER2 aber auf – © eigene Darstellung nach Mertens 2012

GrundsĂ€tzlich besteht der Kniff der Entspiegelung darin, die Wel­len der einfallenden und reflek­tierten Lichtstrahlen so gegen­einander zu verschieben, dass sie sich gegenseitig neutrali­sieren.
Durch die SchichtstĂ€rke des Anti­reflexĂŒberzugs können die Wellen der reflektierten Licht­strahlen da­bei gezielt aus dem Takt gebracht werden – der Physiker spricht von einer Phasenverschiebung.
FĂŒr den Antireflex-Effekt muss ein Wellental auf einen Wellenberg treffen, weshalb die reflektierten Wellen genau um eine halbe LĂ€nge – d.h. eine halbe Phase – verschoben werden mĂŒssen. Fachleute nennen diesen Vorgang destruktive Interferenz (siehe Abbildung unten).

Phasenverschiebung in der Umsetzung

Antireflexschicht: zwei Wellen löschen sich aus

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 fĂŒr die notwendige halbe Phasen­verschiebung eine Schichtdicke, die genau 25% der WellenlĂ€nge des einfallenden Lichtstrahls entspricht – oder einem unge­raden Vielfachen davon (vgl. diese verstĂ€ndliche ErklĂ€rung der Web­site pveducation.org, engl.).

Ganz verschwinden die Wellen der Lichtstrahlen – und damit die Re­flexion – aber erst, wenn sie in derselben Höhe (Amplitude) schwingen. ErfĂŒllbar 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 vernachlĂ€ssigt werden können. Mathematisch gefasst lautet die Bedingung wie folgt:

n AR = √ n0 x nsub

N_0 steht dabei fĂŒr den Brechungsindex der Schicht ĂŒber der Antireflexschicht, das ist bei Solarzellen in der Regel die Luft; n_sub ist die Brechzahl fĂŒr das Substrat, auf dem die reflexionsmindernde Schicht aufgebracht wird, also Silizium.
Setzt man die entsprechenden Werte – 1 fĂŒr Luft, 3,9 fĂŒr Silizium – in die Formel ein, ergibt sich fĂŒr kristalline Solarzellen ein idealer Brechungsindex von ca. 2 – Siliziumnitrid kommt dem mit einer Brechzahl von 1,9 – 2,1 am nĂ€chsten.

Werden diese beiden Bedingungen vollstĂ€ndig erfĂŒllt, können Reflexionsverluste theoretisch sogar ganz verhindert werden – allerdings nur wenn das Licht fast ausschließlich senkrecht auf die OberflĂ€che fĂ€llt.

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AR-Beschichtung in der Praxis

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

Antireflexschicht – Dicke
Die Dicke der Antireflexschicht wird daher auf eine WellenlĂ€nge ausgerichtet, bei der die meiste Sonnenenergie verfĂŒgbar ist – bei rund 550 bis 600 Nanometer, im Bereich des grĂŒnen bis gelb-orangen Lichts. Solarzellen und Solarmodule glitzern deshalb auch nie tiefgrĂŒn oder gelb, da dieses Licht vollkommen absorbiert wird.
FĂŒr die Antireflexschichten ergeben sich daraus – je nach verwendetem Material – SchichtstĂ€rken von rund 70 bis 100 nm. Bei Siliziumnitrid sind es bspw. 74 Nanometer, bei Siliziumoxid 103 nm.

Reflexionsverluste von Slizium & Sliziumnitrid

Zum VergrĂ¶ĂŸern Grafik bitte anklicken!
SchichtstĂ€rken und Reflexionsverluste verschiedener Antireflexbeschichtungen verteilt ĂŒber 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 frĂŒher dominierende Siliziumdioxid (SiO2) verwendet, das einen Brechungsindex von 1,46 aufweist. Die Reflexionsverluste summieren sich bei SiO2‘-Beschichtungen allerdings auf gut 8%.
In der RealitĂ€t sind die Verluste höher – zumal nicht das gesamte Licht senkrecht auf die Solarzelle trifft. Mit Si3N4-Beschichtung liegen sie bei rund 10%.

ZusĂ€tzliche Maßnahmen zur Senkung von Reflexionsverlusten

Mit Hilfe zusĂ€tzlicher Maßnahmen lassen sich die Verluste indes noch weiter reduzieren. Besonders effektiv ist die anfĂ€nglich genannte Aufrauung bzw. Texturierung der Zell-OberflĂ€che.

ZusÀtzliche Reflexionsreduktion bei Solarzellen

Beim Texturieren wird die OberflĂ€che der Zelle mit einer SĂ€ure geĂ€tzt. Auf der OberflĂ€che des kristallinen Siliziums entsteht dadurch eine regelrechte Pyramidenlandschaft – die der Tatsache Rechnung trĂ€gt, dass die Solareinstrahlung hĂ€ufiger schrĂ€g als senkrecht auf die Solarzelle trifft. Einige der reflektierten Lichtstrahlen werden abgelenkt – und zwar so, dass sie ein zweites Mal auf die OberflĂ€che treffen. Der Lichtstrahl erhĂ€lt gewissermaßen eine zweite Chance.
In Kombination mit der Antireflexschicht können die Reflexions-Verluste so auf ca. 3% gesenkt werden.

ZusÀtzliche Reflexionsreduktion bei PV-Modulen

Neben der OberflĂ€che von Solarzellen ergeben sich unerwĂŒnschte Reflexionen auch auf dem Schutzglas, das Photovoltaikmodule vor WitterungseinflĂŒssen und mechanischen BeschĂ€digungen schĂŒtzt. Von einigen Herstellern wird dieses Glas deshalb ebenfalls mit einer Antireflexschicht und/oder Texturierung versehen.
Der Anteil so behandelter Module am Gesamtmarkt betrÀgt 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 OberflÀche 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 eingeÀtzt (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. schrÀg einfallendem Licht. Hier kann die Lichtausbeute sogar um bis zu 20% verbessert werden.

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

Wie können PV-Bauherrn gute Antireflexbeschichtungen erkennen?

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

Indikator Schwachlichtverluste
Da Antireflexbeschichtungen bei schwachem, schrĂ€g einstrahlendem Licht ihre grĂ¶ĂŸte Wirkung entfalten, ist die Schwachlichteigenschaft eines Moduls in der Regel ein Indikator fĂŒr ihre EffektivitĂ€t. 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 fĂŒr die QualitĂ€t der Antireflexbeschichtung ist aber die praktische Beurteilung durch einen ausgebildeten Solarteur. Er weiß nicht nur ĂŒber die Wirkung, sondern auch ĂŒber die PraktikabilitĂ€t (Standfestigkeit, SchmutzanfĂ€lligkeit etc.) der verschiedenen Lösungen detailliert Bescheid.
Außerdem kann er fĂŒr 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 fĂŒr solare Energiesysteme Freiburg (ISE) fĂŒr kritische Anmerkungen und Hilfestellung.
Alle Fehler, die der Artikel trotzdem noch enthĂ€lt, gehören selbstverstĂ€ndlich weiterhin ausschließlich uns.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung

Physikalische HintergrĂŒnde:

Lichtreflexion – eine Frage der Optik

Das physikalische PhĂ€nomen, dem mit der Antireflexschicht begegnet werden soll, ist das der Reflexion. Darunter ist das ZurĂŒckprallen 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. SpektakulĂ€r ist dies beispielsweise bei der Spiegelung einer Fata Morgana, wenn das Licht an der Grenzschicht zwischen zwei Luftschichten unterschiedlicher WĂ€rme zurĂŒckgeworfen wird.

Spiegelung Matterhorn

NĂ€her am Alltag können wir – neben Spiegeln, Fenstern, PfĂŒtzen usw. – das PhĂ€nomen z.B. an einem stillen Gebirgssee beobachten, in dem sich der Gipfel eines Bergmassivs spiegelt. Je flacher ĂŒbrigens das Licht auf die Grenzschicht – hier: die WasseroberflĂ€che – einfĂ€llt, desto stĂ€rker die Reflexion.

In der Photovoltaik sind es die Wellen des Lichts, die von der Grenzschicht der blanken Solar­zellen­oberflĂ€che zurĂŒckspiegeln.

Brechungsindex

Entscheidend fĂŒr die Reflexion an der Grenzschicht ist, wie rasch das Licht ein Material durchqueren kann. Das physikalische Maß fĂŒr 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 WellenlÀnge des Lichtstrahls abhÀngig.

Bei der kristallinen Solarzelle stellt sich die Reflexion folgendermaßen dar. Luft, in der sich der Lichtstrahl zunĂ€chst bewegt, hat einen Brechungsindex von 1; Silizium, auf dessen OberflĂ€che 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 zurĂŒckgespiegelt wird, kann mit einer einfachen Formel fĂŒr 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

FĂŒr senkrecht auf Silizium auftreffende Strahlen aus dem Bereich des sichtbaren Lichts ergibt sich damit ein Reflexionsfaktor von 0,35 – ĂŒber ein Drittel der solaren Einstrahlung.
FÀllt 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 lÀsst sich dies

  • durch Texturierung (s.o.),
  • durch die Wahl des passenden Materials,
  • durch die Wahl der richtigen SchichtstĂ€rke.

Forscher und Hersteller bedienen sich bei der entspiegelnden Beschichtung der Solarzelle eines optischen Kunstgriffs – er wird schon bei der Entspiegelung von BrillenglĂ€sern, aber Ă€hnlich auch bei der GerĂ€usch-UnterdrĂŒckung durch Kopfhörern eingesetzt.

Phasenverschiebung in der Entspiegelung

Reflexion von Solarzellen mit und ohne Antireflexschicht

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Der einfallende Lichtstrahl E0 wird in A und B reflektiert. Durch den Phasensprung heben sich die reflektierten Strahlen ER1 und ER2 aber auf – © eigene Darstellung nach Mertens 2012

GrundsĂ€tzlich besteht der Kniff der Entspiegelung darin, die Wel­len der einfallenden und reflek­tierten Lichtstrahlen so gegen­einander zu verschieben, dass sie sich gegenseitig neutrali­sieren.
Durch die SchichtstĂ€rke des Anti­reflexĂŒberzugs können die Wellen der reflektierten Licht­strahlen da­bei gezielt aus dem Takt gebracht werden – der Physiker spricht von einer Phasenverschiebung.
FĂŒr den Antireflex-Effekt muss ein Wellental auf einen Wellenberg treffen, weshalb die reflektierten Wellen genau um eine halbe LĂ€nge – d.h. eine halbe Phase – verschoben werden mĂŒssen. Fachleute nennen diesen Vorgang destruktive Interferenz (siehe Abbildung unten).

Phasenverschiebung in der Umsetzung

Antireflexschicht: zwei Wellen löschen sich aus

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 fĂŒr die notwendige halbe Phasen­verschiebung eine Schichtdicke, die genau 25% der WellenlĂ€nge des einfallenden Lichtstrahls entspricht – oder einem unge­raden Vielfachen davon (vgl. diese verstĂ€ndliche ErklĂ€rung der Web­site pveducation.org, engl.).

Ganz verschwinden die Wellen der Lichtstrahlen – und damit die Re­flexion – aber erst, wenn sie in derselben Höhe (Amplitude) schwingen. ErfĂŒllbar 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 vernachlĂ€ssigt werden können. Mathematisch gefasst lautet die Bedingung wie folgt:

n AR = √ n0 x nsub

N_0 steht dabei fĂŒr den Brechungsindex der Schicht ĂŒber der Antireflexschicht, das ist bei Solarzellen in der Regel die Luft; n_sub ist die Brechzahl fĂŒr das Substrat, auf dem die reflexionsmindernde Schicht aufgebracht wird, also Silizium.
Setzt man die entsprechenden Werte – 1 fĂŒr Luft, 3,9 fĂŒr Silizium – in die Formel ein, ergibt sich fĂŒr kristalline Solarzellen ein idealer Brechungsindex von ca. 2 – Siliziumnitrid kommt dem mit einer Brechzahl von 1,9 – 2,1 am nĂ€chsten.

Werden diese beiden Bedingungen vollstĂ€ndig erfĂŒllt, können Reflexionsverluste theoretisch sogar ganz verhindert werden – allerdings nur wenn das Licht fast ausschließlich senkrecht auf die OberflĂ€che fĂ€llt.

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AR-Beschichtung in der Praxis

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

Antireflexschicht – Dicke
Die Dicke der Antireflexschicht wird daher auf eine WellenlĂ€nge ausgerichtet, bei der die meiste Sonnenenergie verfĂŒgbar ist – bei rund 550 bis 600 Nanometer, im Bereich des grĂŒnen bis gelb-orangen Lichts. Solarzellen und Solarmodule glitzern deshalb auch nie tiefgrĂŒn oder gelb, da dieses Licht vollkommen absorbiert wird.
FĂŒr die Antireflexschichten ergeben sich daraus – je nach verwendetem Material – SchichtstĂ€rken von rund 70 bis 100 nm. Bei Siliziumnitrid sind es bspw. 74 Nanometer, bei Siliziumoxid 103 nm.

Reflexionsverluste von Slizium & Sliziumnitrid

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SchichtstĂ€rken und Reflexionsverluste verschiedener Antireflexbeschichtungen verteilt ĂŒber 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 frĂŒher dominierende Siliziumdioxid (SiO2) verwendet, das einen Brechungsindex von 1,46 aufweist. Die Reflexionsverluste summieren sich bei SiO2‘-Beschichtungen allerdings auf gut 8%.
In der RealitĂ€t sind die Verluste höher – zumal nicht das gesamte Licht senkrecht auf die Solarzelle trifft. Mit Si3N4-Beschichtung liegen sie bei rund 10%.

ZusĂ€tzliche Maßnahmen zur Senkung von Reflexionsverlusten

Mit Hilfe zusĂ€tzlicher Maßnahmen lassen sich die Verluste indes noch weiter reduzieren. Besonders effektiv ist die anfĂ€nglich genannte Aufrauung bzw. Texturierung der Zell-OberflĂ€che.

ZusÀtzliche Reflexionsreduktion bei Solarzellen

Beim Texturieren wird die OberflĂ€che der Zelle mit einer SĂ€ure geĂ€tzt. Auf der OberflĂ€che des kristallinen Siliziums entsteht dadurch eine regelrechte Pyramidenlandschaft – die der Tatsache Rechnung trĂ€gt, dass die Solareinstrahlung hĂ€ufiger schrĂ€g als senkrecht auf die Solarzelle trifft. Einige der reflektierten Lichtstrahlen werden abgelenkt – und zwar so, dass sie ein zweites Mal auf die OberflĂ€che treffen. Der Lichtstrahl erhĂ€lt gewissermaßen eine zweite Chance.
In Kombination mit der Antireflexschicht können die Reflexions-Verluste so auf ca. 3% gesenkt werden.

ZusÀtzliche Reflexionsreduktion bei PV-Modulen

Neben der OberflĂ€che von Solarzellen ergeben sich unerwĂŒnschte Reflexionen auch auf dem Schutzglas, das Photovoltaikmodule vor WitterungseinflĂŒssen und mechanischen BeschĂ€digungen schĂŒtzt. Von einigen Herstellern wird dieses Glas deshalb ebenfalls mit einer Antireflexschicht und/oder Texturierung versehen.
Der Anteil so behandelter Module am Gesamtmarkt betrÀgt 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 OberflÀche 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 eingeÀtzt (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. schrÀg einfallendem Licht. Hier kann die Lichtausbeute sogar um bis zu 20% verbessert werden.

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

Wie können PV-Bauherrn gute Antireflexbeschichtungen erkennen?

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

Indikator Schwachlichtverluste
Da Antireflexbeschichtungen bei schwachem, schrĂ€g einstrahlendem Licht ihre grĂ¶ĂŸte Wirkung entfalten, ist die Schwachlichteigenschaft eines Moduls in der Regel ein Indikator fĂŒr ihre EffektivitĂ€t. 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 fĂŒr die QualitĂ€t der Antireflexbeschichtung ist aber die praktische Beurteilung durch einen ausgebildeten Solarteur. Er weiß nicht nur ĂŒber die Wirkung, sondern auch ĂŒber die PraktikabilitĂ€t (Standfestigkeit, SchmutzanfĂ€lligkeit etc.) der verschiedenen Lösungen detailliert Bescheid.
Außerdem kann er fĂŒr 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 fĂŒr solare Energiesysteme Freiburg (ISE) fĂŒr kritische Anmerkungen und Hilfestellung.
Alle Fehler, die der Artikel trotzdem noch enthĂ€lt, gehören selbstverstĂ€ndlich weiterhin ausschließlich uns.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung

Physikalische HintergrĂŒnde:

Lichtreflexion – eine Frage der Optik

Das physikalische PhĂ€nomen, dem mit der Antireflexschicht begegnet werden soll, ist das der Reflexion. Darunter ist das ZurĂŒckprallen 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. SpektakulĂ€r ist dies beispielsweise bei der Spiegelung einer Fata Morgana, wenn das Licht an der Grenzschicht zwischen zwei Luftschichten unterschiedlicher WĂ€rme zurĂŒckgeworfen wird.

Spiegelung Matterhorn

NĂ€her am Alltag können wir – neben Spiegeln, Fenstern, PfĂŒtzen usw. – das PhĂ€nomen z.B. an einem stillen Gebirgssee beobachten, in dem sich der Gipfel eines Bergmassivs spiegelt. Je flacher ĂŒbrigens das Licht auf die Grenzschicht – hier: die WasseroberflĂ€che – einfĂ€llt, desto stĂ€rker die Reflexion.

In der Photovoltaik sind es die Wellen des Lichts, die von der Grenzschicht der blanken Solar­zellen­oberflĂ€che zurĂŒckspiegeln.

Brechungsindex

Entscheidend fĂŒr die Reflexion an der Grenzschicht ist, wie rasch das Licht ein Material durchqueren kann. Das physikalische Maß fĂŒr 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 WellenlÀnge des Lichtstrahls abhÀngig.

Bei der kristallinen Solarzelle stellt sich die Reflexion folgendermaßen dar. Luft, in der sich der Lichtstrahl zunĂ€chst bewegt, hat einen Brechungsindex von 1; Silizium, auf dessen OberflĂ€che 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 zurĂŒckgespiegelt wird, kann mit einer einfachen Formel fĂŒr 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

FĂŒr senkrecht auf Silizium auftreffende Strahlen aus dem Bereich des sichtbaren Lichts ergibt sich damit ein Reflexionsfaktor von 0,35 – ĂŒber ein Drittel der solaren Einstrahlung.
FÀllt 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 lÀsst sich dies

  • durch Texturierung (s.o.),
  • durch die Wahl des passenden Materials,
  • durch die Wahl der richtigen SchichtstĂ€rke.

Forscher und Hersteller bedienen sich bei der entspiegelnden Beschichtung der Solarzelle eines optischen Kunstgriffs – er wird schon bei der Entspiegelung von BrillenglĂ€sern, aber Ă€hnlich auch bei der GerĂ€usch-UnterdrĂŒckung durch Kopfhörern eingesetzt.

Phasenverschiebung in der Entspiegelung

Reflexion von Solarzellen mit und ohne Antireflexschicht

Zum VergrĂ¶ĂŸern Grafik bitte anklicken!
Der einfallende Lichtstrahl E0 wird in A und B reflektiert. Durch den Phasensprung heben sich die reflektierten Strahlen ER1 und ER2 aber auf – © eigene Darstellung nach Mertens 2012

GrundsĂ€tzlich besteht der Kniff der Entspiegelung darin, die Wel­len der einfallenden und reflek­tierten Lichtstrahlen so gegen­einander zu verschieben, dass sie sich gegenseitig neutrali­sieren.
Durch die SchichtstĂ€rke des Anti­reflexĂŒberzugs können die Wellen der reflektierten Licht­strahlen da­bei gezielt aus dem Takt gebracht werden – der Physiker spricht von einer Phasenverschiebung.
FĂŒr den Antireflex-Effekt muss ein Wellental auf einen Wellenberg treffen, weshalb die reflektierten Wellen genau um eine halbe LĂ€nge – d.h. eine halbe Phase – verschoben werden mĂŒssen. Fachleute nennen diesen Vorgang destruktive Interferenz (siehe Abbildung unten).

Phasenverschiebung in der Umsetzung

Antireflexschicht: zwei Wellen löschen sich aus

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 fĂŒr die notwendige halbe Phasen­verschiebung eine Schichtdicke, die genau 25% der WellenlĂ€nge des einfallenden Lichtstrahls entspricht – oder einem unge­raden Vielfachen davon (vgl. diese verstĂ€ndliche ErklĂ€rung der Web­site pveducation.org, engl.).

Ganz verschwinden die Wellen der Lichtstrahlen – und damit die Re­flexion – aber erst, wenn sie in derselben Höhe (Amplitude) schwingen. ErfĂŒllbar 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 vernachlĂ€ssigt werden können. Mathematisch gefasst lautet die Bedingung wie folgt:

n AR = √ n0 x nsub

N_0 steht dabei fĂŒr den Brechungsindex der Schicht ĂŒber der Antireflexschicht, das ist bei Solarzellen in der Regel die Luft; n_sub ist die Brechzahl fĂŒr das Substrat, auf dem die reflexionsmindernde Schicht aufgebracht wird, also Silizium.
Setzt man die entsprechenden Werte – 1 fĂŒr Luft, 3,9 fĂŒr Silizium – in die Formel ein, ergibt sich fĂŒr kristalline Solarzellen ein idealer Brechungsindex von ca. 2 – Siliziumnitrid kommt dem mit einer Brechzahl von 1,9 – 2,1 am nĂ€chsten.

Werden diese beiden Bedingungen vollstĂ€ndig erfĂŒllt, können Reflexionsverluste theoretisch sogar ganz verhindert werden – allerdings nur wenn das Licht fast ausschließlich senkrecht auf die OberflĂ€che fĂ€llt.

High-Tech fĂŒr Ihr Dach?
Zur individuellen Berechnung

AR-Beschichtung in der Praxis

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

Antireflexschicht – Dicke
Die Dicke der Antireflexschicht wird daher auf eine WellenlĂ€nge ausgerichtet, bei der die meiste Sonnenenergie verfĂŒgbar ist – bei rund 550 bis 600 Nanometer, im Bereich des grĂŒnen bis gelb-orangen Lichts. Solarzellen und Solarmodule glitzern deshalb auch nie tiefgrĂŒn oder gelb, da dieses Licht vollkommen absorbiert wird.
FĂŒr die Antireflexschichten ergeben sich daraus – je nach verwendetem Material – SchichtstĂ€rken von rund 70 bis 100 nm. Bei Siliziumnitrid sind es bspw. 74 Nanometer, bei Siliziumoxid 103 nm.

Reflexionsverluste von Slizium & Sliziumnitrid

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SchichtstĂ€rken und Reflexionsverluste verschiedener Antireflexbeschichtungen verteilt ĂŒber 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 frĂŒher dominierende Siliziumdioxid (SiO2) verwendet, das einen Brechungsindex von 1,46 aufweist. Die Reflexionsverluste summieren sich bei SiO2‘-Beschichtungen allerdings auf gut 8%.
In der RealitĂ€t sind die Verluste höher – zumal nicht das gesamte Licht senkrecht auf die Solarzelle trifft. Mit Si3N4-Beschichtung liegen sie bei rund 10%.

ZusĂ€tzliche Maßnahmen zur Senkung von Reflexionsverlusten

Mit Hilfe zusĂ€tzlicher Maßnahmen lassen sich die Verluste indes noch weiter reduzieren. Besonders effektiv ist die anfĂ€nglich genannte Aufrauung bzw. Texturierung der Zell-OberflĂ€che.

ZusÀtzliche Reflexionsreduktion bei Solarzellen

Beim Texturieren wird die OberflĂ€che der Zelle mit einer SĂ€ure geĂ€tzt. Auf der OberflĂ€che des kristallinen Siliziums entsteht dadurch eine regelrechte Pyramidenlandschaft – die der Tatsache Rechnung trĂ€gt, dass die Solareinstrahlung hĂ€ufiger schrĂ€g als senkrecht auf die Solarzelle trifft. Einige der reflektierten Lichtstrahlen werden abgelenkt – und zwar so, dass sie ein zweites Mal auf die OberflĂ€che treffen. Der Lichtstrahl erhĂ€lt gewissermaßen eine zweite Chance.
In Kombination mit der Antireflexschicht können die Reflexions-Verluste so auf ca. 3% gesenkt werden.

ZusÀtzliche Reflexionsreduktion bei PV-Modulen

Neben der OberflĂ€che von Solarzellen ergeben sich unerwĂŒnschte Reflexionen auch auf dem Schutzglas, das Photovoltaikmodule vor WitterungseinflĂŒssen und mechanischen BeschĂ€digungen schĂŒtzt. Von einigen Herstellern wird dieses Glas deshalb ebenfalls mit einer Antireflexschicht und/oder Texturierung versehen.
Der Anteil so behandelter Module am Gesamtmarkt betrÀgt 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 OberflÀche 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 eingeÀtzt (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. schrÀg einfallendem Licht. Hier kann die Lichtausbeute sogar um bis zu 20% verbessert werden.

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

Wie können PV-Bauherrn gute Antireflexbeschichtungen erkennen?

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

Indikator Schwachlichtverluste
Da Antireflexbeschichtungen bei schwachem, schrĂ€g einstrahlendem Licht ihre grĂ¶ĂŸte Wirkung entfalten, ist die Schwachlichteigenschaft eines Moduls in der Regel ein Indikator fĂŒr ihre EffektivitĂ€t. 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 fĂŒr die QualitĂ€t der Antireflexbeschichtung ist aber die praktische Beurteilung durch einen ausgebildeten Solarteur. Er weiß nicht nur ĂŒber die Wirkung, sondern auch ĂŒber die PraktikabilitĂ€t (Standfestigkeit, SchmutzanfĂ€lligkeit etc.) der verschiedenen Lösungen detailliert Bescheid.
Außerdem kann er fĂŒr 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 fĂŒr solare Energiesysteme Freiburg (ISE) fĂŒr kritische Anmerkungen und Hilfestellung.
Alle Fehler, die der Artikel trotzdem noch enthĂ€lt, gehören selbstverstĂ€ndlich weiterhin ausschließlich uns.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung