Solarzelle: Funktion

 

Die Solarzelle

 
 

Technik aus der Weltraumforschung – so funktionieren Solarzellen

Die Aufgabe der Solarzelle: Strom vom Hausdach zu erzeugen

Solarzellen erzeugen aus Licht Strom – © maho/Fotolia.com

In der ganzen Welt erfüllen heute Solarzellen die Aufgabe, Sonnenlicht direkt in elek­trischen Strom umzuwandeln. Nach Aufbau, Funktionsweise und den eingesetzten Materi­alien unterscheiden Fachleute:

  • Solarzellen, die in dünnen Scheiben – den Wafern – aus einem gegossenen Block, dem Ingot, gesägt werden (Dickschicht- oder Wafer-Zellen)
  • und Solarzellen, die in feinsten Schichten auf Glas oder einen anderen Untergrund aufgedampft werden (sogenannte Dünnschicht-Zellen).

Neun von zehn Photovoltaikanlagen (laut PV-Report ISE Fraunhofer 2016 rund 91%), die auf Deutschlands Dächern installiert werden, setzten auf Dickschicht-Zellen. Sie sind in der Herstellung zwar etwas teurer, arbeiten dafür aber deutlich effizienter. Die Stärken der Dünnschichtzellen liegen vornehmlich in der Spezialanwendung, etwa wenn die Solarmodule einer Anlage in die Dachhaut integriert werden sollen oder teilweise im Schatten liegen.

Ein modernes Modul aus Wafer-Solarzellen erzeugt in Deutschland heute – je nach Qualität und Sonneneinstrahlung – jährlich rund 130 bis 180 kWh Strom pro Quadratmeter; Dünnschicht-Module schaffen etwas mehr als die Hälfte davon. Zum Vergleich: Eine deutsche Familie verbraucht pro Jahr rund 4.500 kWh Strom.

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Funktion und Stromgewinnung im Kern der Solarzelle

Die erste Solarzelle wurde 1953 von Forschern der Bell Laboratories in den USA entwickelt. Ihr Können durfte die neue Technologie zunächst im Weltall beweisen: 1958 schossen die USA den Satelliten Vanguard I in die Erdumlaufbahn, der bis 1964 von sechs Solarzellen mit dem notwendigen Strom versorgt wurde.
Auf der Erde konnte sich die Solarzelle erst mit den Ölkrisen in den 1970ern und vollends mit dem Siegeszug der Halbleiter-Elektronik einen Namen machen; durch die Verbreitung der Halbleitertechnik sanken die Kosten für die Produktion rapide und die solaren Zellen wurden allmählich für den kommerziellen Einsatz interessant.

Halbleiter sind das Stichwort, das uns zum Material der Solarzelle führt. Halbeiter sind Werkstoffe, die Strom leiten – aber nur unter bestimmten Bedingungen. Bei Zimmertemperatur sind die meisten Halbleitermaterialien zum Beispiel schlechte Leiter. Erhitzen sie sich weiter oder wird ihnen über Sonnenlicht Energie zugeführt, leiten sie Strom aber sehr gut. Diese unstete Eigenschaft nutzt die Wissenschaft nun für die Funktion einer Solarzelle.

Weshalb sich die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern mit der Lichteinstrahlung ändert
und welche Halbleiter in modernen Solarzellen eingesetzt werden, lesen Sie hier.

Wie der Strom in die Solarzelle kommt

Elektrischer Strom ist in der Physik die Bewegung von freien, geladenen Teilchen, den so genannten Ladungsträgern. Um Licht in elektrische Energie umzuwandeln, müssen in der Solarzelle folglich frei bewegliche Ladungsträger erzeugt werden. Zwei physikalische Vorgänge wirken zu diesem Zweck im Inneren der Solarzelle zusammen:

  • Licht erzeugt freie Teilchen – der innere Photoeffekt
  • freie Teilchen werden getrennt und so als Solarstrom nutzbar gemacht – der photovoltaische Effekt

Technik aus der Weltraumforschung – so funktionieren Solarzellen

Die Aufgabe der Solarzelle: Strom vom Hausdach zu erzeugen

Solarzellen erzeugen aus Licht Strom – © maho/Fotolia.com

In der ganzen Welt erfüllen heute Solarzellen die Aufgabe, Sonnenlicht direkt in elek­trischen Strom umzuwandeln. Nach Aufbau, Funktionsweise und den eingesetzten Materi­alien unterscheiden Fachleute:

  • Solarzellen, die in dünnen Scheiben – den Wafern – aus einem gegossenen Block, dem Ingot, gesägt werden (Dickschicht- oder Wafer-Zellen)
  • und Solarzellen, die in feinsten Schichten auf Glas oder einen anderen Untergrund aufgedampft werden (sogenannte Dünnschicht-Zellen).

Neun von zehn Photovoltaikanlagen (laut PV-Report ISE Fraunhofer 2016 rund 91%), die auf Deutschlands Dächern installiert werden, setzten auf Dickschicht-Zellen. Sie sind in der Herstellung zwar etwas teurer, arbeiten dafür aber deutlich effizienter. Die Stärken der Dünnschichtzellen liegen vornehmlich in der Spezialanwendung, etwa wenn die Solarmodule einer Anlage in die Dachhaut integriert werden sollen oder teilweise im Schatten liegen.

Ein modernes Modul aus Wafer-Solarzellen erzeugt in Deutschland heute – je nach Qualität und Sonneneinstrahlung – jährlich rund 130 bis 180 kWh Strom pro Quadratmeter; Dünnschicht-Module schaffen etwas mehr als die Hälfte davon. Zum Vergleich: Eine deutsche Familie verbraucht pro Jahr rund 4.500 kWh Strom.

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Funktion und Stromgewinnung im Kern der Solarzelle

Die erste Solarzelle wurde 1953 von Forschern der Bell Laboratories in den USA entwickelt. Ihr Können durfte die neue Technologie zunächst im Weltall beweisen: 1958 schossen die USA den Satelliten Vanguard I in die Erdumlaufbahn, der bis 1964 von sechs Solarzellen mit dem notwendigen Strom versorgt wurde.
Auf der Erde konnte sich die Solarzelle erst mit den Ölkrisen in den 1970ern und vollends mit dem Siegeszug der Halbleiter-Elektronik einen Namen machen; durch die Verbreitung der Halbleitertechnik sanken die Kosten für die Produktion rapide und die solaren Zellen wurden allmählich für den kommerziellen Einsatz interessant.

Halbleiter sind das Stichwort, das uns zum Material der Solarzelle führt. Halbeiter sind Werkstoffe, die Strom leiten – aber nur unter bestimmten Bedingungen. Bei Zimmertemperatur sind die meisten Halbleitermaterialien zum Beispiel schlechte Leiter. Erhitzen sie sich weiter oder wird ihnen über Sonnenlicht Energie zugeführt, leiten sie Strom aber sehr gut. Diese unstete Eigenschaft nutzt die Wissenschaft nun für die Funktion einer Solarzelle.

Weshalb sich die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern mit der Lichteinstrahlung ändert
und welche Halbleiter in modernen Solarzellen eingesetzt werden, lesen Sie hier.

Wie der Strom in die Solarzelle kommt

Elektrischer Strom ist in der Physik die Bewegung von freien, geladenen Teilchen, den so genannten Ladungsträgern. Um Licht in elektrische Energie umzuwandeln, müssen in der Solarzelle folglich frei bewegliche Ladungsträger erzeugt werden. Zwei physikalische Vorgänge wirken zu diesem Zweck im Inneren der Solarzelle zusammen:

  • Licht erzeugt freie Teilchen – der innere Photoeffekt
  • freie Teilchen werden getrennt und so als Solarstrom nutzbar gemacht – der photovoltaische Effekt

Technik aus der Weltraumforschung – so funktionieren Solarzellen

Die Aufgabe der Solarzelle: Strom vom Hausdach zu erzeugen

Solarzellen erzeugen aus Licht Strom – © maho/Fotolia.com

In der ganzen Welt erfüllen heute Solarzellen die Aufgabe, Sonnenlicht direkt in elek­trischen Strom umzuwandeln. Nach Aufbau, Funktionsweise und den eingesetzten Materi­alien unterscheiden Fachleute:

  • Solarzellen, die in dünnen Scheiben – den Wafern – aus einem gegossenen Block, dem Ingot, gesägt werden (Dickschicht- oder Wafer-Zellen)
  • und Solarzellen, die in feinsten Schichten auf Glas oder einen anderen Untergrund aufgedampft werden (sogenannte Dünnschicht-Zellen).

Neun von zehn Photovoltaikanlagen (laut PV-Report ISE Fraunhofer 2016 rund 91%), die auf Deutschlands Dächern installiert werden, setzten auf Dickschicht-Zellen. Sie sind in der Herstellung zwar etwas teurer, arbeiten dafür aber deutlich effizienter. Die Stärken der Dünnschichtzellen liegen vornehmlich in der Spezialanwendung, etwa wenn die Solarmodule einer Anlage in die Dachhaut integriert werden sollen oder teilweise im Schatten liegen.

Ein modernes Modul aus Wafer-Solarzellen erzeugt in Deutschland heute – je nach Qualität und Sonneneinstrahlung – jährlich rund 130 bis 180 kWh Strom pro Quadratmeter; Dünnschicht-Module schaffen etwas mehr als die Hälfte davon. Zum Vergleich: Eine deutsche Familie verbraucht pro Jahr rund 4.500 kWh Strom.

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Funktion und Stromgewinnung im Kern der Solarzelle

Die erste Solarzelle wurde 1953 von Forschern der Bell Laboratories in den USA entwickelt. Ihr Können durfte die neue Technologie zunächst im Weltall beweisen: 1958 schossen die USA den Satelliten Vanguard I in die Erdumlaufbahn, der bis 1964 von sechs Solarzellen mit dem notwendigen Strom versorgt wurde.
Auf der Erde konnte sich die Solarzelle erst mit den Ölkrisen in den 1970ern und vollends mit dem Siegeszug der Halbleiter-Elektronik einen Namen machen; durch die Verbreitung der Halbleitertechnik sanken die Kosten für die Produktion rapide und die solaren Zellen wurden allmählich für den kommerziellen Einsatz interessant.

Halbleiter sind das Stichwort, das uns zum Material der Solarzelle führt. Halbeiter sind Werkstoffe, die Strom leiten – aber nur unter bestimmten Bedingungen. Bei Zimmertemperatur sind die meisten Halbleitermaterialien zum Beispiel schlechte Leiter. Erhitzen sie sich weiter oder wird ihnen über Sonnenlicht Energie zugeführt, leiten sie Strom aber sehr gut. Diese unstete Eigenschaft nutzt die Wissenschaft nun für die Funktion einer Solarzelle.

Weshalb sich die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern mit der Lichteinstrahlung ändert
und welche Halbleiter in modernen Solarzellen eingesetzt werden, lesen Sie hier.

Wie der Strom in die Solarzelle kommt

Elektrischer Strom ist in der Physik die Bewegung von freien, geladenen Teilchen, den so genannten Ladungsträgern. Um Licht in elektrische Energie umzuwandeln, müssen in der Solarzelle folglich frei bewegliche Ladungsträger erzeugt werden. Zwei physikalische Vorgänge wirken zu diesem Zweck im Inneren der Solarzelle zusammen:

  • Licht erzeugt freie Teilchen – der innere Photoeffekt
  • freie Teilchen werden getrennt und so als Solarstrom nutzbar gemacht – der photovoltaische Effekt
 

Innerer Photoeffekt – Licht erzeugt freie Teilchen

Bild: Freie Teilchen entstehen in einer Solarzelle

Zum Vergrößern Grafik anklicken
Das Licht bei der Arbeit – © 2012 Photovoltaiksolarstrom.de

Das Sonnenlicht setzt sich aus einzelnen Ener­gieportionen zusammen, die mit dem bloßen Auge nicht zu unterscheiden sind: Den Photonen oder Lichtquanten. Sie enthalten unterschiedlich viel Energie – je nach der Wellenlänge, in der sie schwingen. Treffen sie auf Ihr Solarpaneel, werden einige vom Silizium verschluckt (“absorbiert") und lösen ein fest gebundenes Elektron – ein negativ geladenes Teilchen – aus dem Kristallgitter des Halbleiters (siehe Abbildung links).
Weniger energiereiche Lichtquanten strahlen durch die Solarzelle ungenutzt hindurch, andere werden an ihrer Oberfläche reflektiert.

An seinem ehemaligen Platz hinterlässt das aus dem Kristallgitter gelöste Elektron dabei ein positiv geladenes Loch. Gemeinsam bilden die beiden ein Elektronen-Loch-Paar – zwei entgegengesetzt geladene Teilchen, die frei beweglich sind.
Die erste Voraussetzung für Strom, frei bewegliche Ladungsträger, ist damit erfüllt. Bevor aus ihnen aber Sonnenstrom wird, muss noch ein Hindernis überwunden werden: Die erzeugten Teilchen bleiben nämlich nur kurzzeitig frei beweglich. Insbesondere die Elektronen neigen dazu, sich rasch wieder mit einem Loch zu vereinen, ein Prozess, den Physiker Rekombination nennen und durch den die freien Elektronen für die Solarstromgewinnung wieder verloren wären.

Mehr zum Elektronen-Loch-Paar finden Sie hier.

Photovoltaischer Effekt – Wiedervereinigung unerwünscht

Die Solarzelle benötigt in ihrem Kern deshalb ein Bauteil, das die unerwünschte Wiedervereinigung freier Ladungsträger verhindert. Diese Funktion des “Sittenwächters" übernimmt der pn-Übergang. Ingenieure erzeugen ihn, indem sie in den Halbleiter gezielt Fremdatome (bspw. Bor und Phosphor) einpflanzen, ein Verfahren, das Dotierung genannt wird.
Ist das Dotieren abgeschlossen, gibt es in der Solarzelle zwei Halbleitersichten: Eine p-dotierte Lage mit einem Überangebot an Löchern und eine n-dotierte Schicht, in der ein Überschuss an Elektronen herrscht.

Bild: Querschnitt einer kristallinen Zelle

Zum Vergrößern Grafik anklicken
Der Solarzelle wird der pn-Übergang eingepflanzt – © H.Strauß/Fotolia

Zwischen diesen beiden Schichten bildet sich dann ein pn-Übergang mit einem stabilen elektrischen Feld aus. Das Feld hat die zentrale Aufgabe, die vom Licht erzeugten Elektronen-Loch-Paare zu trennen und so vom Rekombinieren abzu­halten.
Dabei sind keine magischen, sondern grundlegende physikalische Kräfte am Werk:
Der positive Pol des elektrischen Feldes zieht die gerade getrennten, negativen Elektron bspw. in die n-dotierte Schicht. Da es dort durch die Dotierung bereits einen Überschuss an Elektronen gibt, sind kaum Löcher frei, in die das neue Elektron schlüpfen könnte. Die Wahrscheinlichkeit, dass es rekombiniert und für den Solarstrom verloren geht, ist somit äußerst gering.
Die Löcher, die vom negativen Pol in die p-dotierte Schicht befördert werden, bleiben dort ebenfalls erhalten.

Auf diese Weise können die vom Licht erzeugten und vom Feld getrennten Elektronen und Löcher an den jeweiligen Metallkontakten der Zelle gefahrlos ausharren, bis der Stromkreis durch den Anschluss eines Verbrauchers – etwa einer Glühbirne oder einer Waschmaschine – geschlossen wird und sie als Strom zu fließen beginnen.
Dick- und Dünnschicht-Solarzellen unterscheiden sich aber grundsätzlich in der Art, wie die Nutzung dieser beiden für die Funktion einer Solarzelle so zentralen physikalischen Effekte technisch umgesetzt wird.

Solarstrom entsteht in Wafer-Solarzellen

Dickschicht- bzw. Wafer-Solarzellen bestehen aus dem chemischen Element Silizium (von lat. silicia für Kieselerde) und setzen sich im Kern zusammen aus:

  • einer hauchdünnen, wenige Tausendstel Millimeter (Mikrometer) starken n-dotierten Siliziumschicht,
  • dem pn-Übergang
  • und einer rund 170 bis 300 Mikrometer dicken p-dotierten Silizium-Lage.

Hinzu kommen an der Vorder- und der Rückseite noch die Kontakte, an denen der erzeugte Strom abgegriffen werden kann.

Doch wie tragen diese Schichten im Detail zur Solarstromerzeugung bei?
Entscheidend ist, was mit den vom Licht geschaffenen freien Elektronen-Loch-Paaren geschieht:

Funktion von Wafer-Solarzellen im Detail

Zum Vergrößern Grafik anklicken
Aus Licht wird Strom – eigene Dar­stellung nach Mertens (2011)

Eine wahre Fundgrube für die Solarstromge­win­nung ist der pn-Übergang (B in der Abbildung links). Hier werden die frisch entstandenen Elektronen und Löcher vom elektrischen Feld sofort getrennt und direkt zu den Kontakten der Solarzelle befördert. Der Weg dorthin ist zwar weit, doch die Teilchen wandern durch ihre “Heimatgebiete", wo sie bereits im Überschuss vorhanden sind und die Chance auf eine Rekombination äußerst gering ist. So fließt fast jedes dieser neuen Teilchen später als Solarstrom.
Ähnlich nützlich sind die erzeugten Löcher und Elektronen, die in der p-dotierten Schicht innerhalb jenes Bereichs entstehen, den ein Elektron zurücklegen kann, ehe es rekombiniert (C). Diese als Diffusionslänge bezeichnete Strecke ist in kristallinem Silizium typischerweise zwischen 50 und 500 Mikrometer lang. Ein Elektron schafft es in diesem Bereich mit ziemlicher Sicherheit an den Rand des elektrischen Feldes im pn-Übergang – und von dort ohne Gefahr zu den Vorderseitenkontakten.

Keinen Beitrag zum Solarstrom leisten hingegen all jene Elektronen-Loch-Paar, die entweder in der n-dotierten Schicht oder im p-dotierten Halbleiter außerhalb des Diffusionsbereichs das Licht der Welt erblicken (A und D). Elektronen und Löcher rekombinieren hier sofort – die Solarzelle ist am Ende durch den fruchtlosen Umwandlungsprozess nur ein wenig wärmer geworden (thermische Verluste).

Wie die Wafer-Solarzelle zu ihrem Wafer kommt, erfahren Sie hier.

Dickschicht-Zellen und ihre Effizienz

Wie sich zeigt, kann eine Wafer-Solarzelle nicht alle von der Strahlung der Sonne geschaffenen freien Ladungsträger für den Solarstrom nutzen. Zudem absorbieren die kristallinen Siliziumschichten nicht das gesamte Sonnenlicht. Das hat zur Folge, dass nur ein Teil der auf die Zelle einstrahlenden Sonnenenergie in Strom umgewandelt wird – ein Verhältnis, das Experten als Wirkungsgrad bezeichnen.
Dickschicht Solarzellen aus dem sehr hochwertigen monokristallinen Silizium – es hat eine besonders reine einkristalline Struktur – erzielen im Laber heute Wirkungsgrade von 25%; Zellen aus multikristallinem Silizium erreichen rund 21%.
Für den Einsatz in einer Photovoltaik-Anlage werden rund 40-80 kristalline Zellen zu mono- oder polykristallinen Solarmodulen zusammengeschlossen, die gegenwärtig Wirkungsgrade zwischen 16-21% aufweisen.

Solarzelle Funktion – Dünnschichtzellen aus amorphem Silizium

Technisch ganz anders umgesetzt ist die Nutzung der maßgeblichen physikalischen Effekte hingegen in Dünnschicht-Solarzellen. Als Halbleiter kommen hier zum Einsatz:

  • formloses, amorphes Silizium
  • verschiedene Kombinationen aus Halbleitermaterialien wie Cadmium-Tellurid (CdTe), Galliumarsenid (GaAs) oder den Chalkopyriten (CIGS).

Das bekannteste und in Dünnschichtzellen neben Cadmium-Tellurid meistverwendete Material ist das amorphe Silizium. Aufgebaut sind amorphe Dünnschichtzellen dabei auf einer dünnen Glasscheibe, auf die anschließend die einzelnen Halbleiterschichten aufgebracht werden (der Einstrahlungsrichtung des Lichts folgend):

  • die Vorderseitenkontakte – hier transparente Dioden aus leitendem Oxid (TCO)
  • die p-dotierte,
  • die undotierte (intrinsische)
  • und die n-dotierte Schicht aus amorphen Silizium
  • sowie die Rückseitenkontakte.

Nach den Anfangsbuchstabe der Kernschichten – p-dotiert, intrinsisch und n-dotiert – nennt man diese Art der Dünnschichtsolarzellen auch pin-Zelle. Doch was geschieht in diesen Kernschichten mit den vom Sonnenlicht erzeugten Elektronen-Loch-Paaren?

Bild: Detailansicht pin-Zelle

Zum Vergrößern Grafik anklicken
Schematische Darstellung einer pin-Solarzelle – © nau nach Mertens/Photovoltaik (2011)

In der pin-Solarzelle ist der Prozess des Stromgewinnung ganz auf die intrinsische Schicht konzentriert, wo das gesamte einstrahlende Licht absorbiert werden soll. Zwar ist auch in dieser Schicht die Rekombi­nationswahrscheinlichkeit der freien Ladungsträger sehr hoch; aufgrund des Zellenaufbaus erstreckt sich der pn-Übergang und sein elektrisches Feld hier aber über den gesamten intrinsischen Bereich.
Die dort erzeugten Elektronen-Loch-Paare können – wie schon bei den kristallinen Siliziumzellen – fast zur Gänze für den Solarstrom genutzt werden. Sie wandern durch ihre, hier sehr kurzen Heimatgebiete zu den Solarzellenkontakten, wo sie dann als Spannung abgegriffen werden.
In den beiden hauchdünnen, dotierten Siliziumschichten hingegen bleiben fast alle entstehenden Elektronen und Löcher ungenutzt. Die Halbleiter weisen hier eine sehr geringe Diffusionslänge von nur einigen Millionstel Millimeter auf – die geschaffenen Ladungsträger rekombinieren deshalb umgehend und erzeugen keinen Solarstrom.

Wie aus Dünnschichtzellen Dünschichtmodule werden, lesen Sie hier.

Wie effizient arbeiten Dünnschichtzellen?

Aufgrund der besonderen Absorptionsfähigkeit der verwendeten Halbleitermaterialien können Dünnschicht-Solarzellen – ihr Name deutet es an – besonders dünn ausgeführt werden. Dadurch lassen sich Material- und Energiekosten einsparen, allerdings um den Preis eines geringeren Wirkungsgrades. Amorphe Siliziumzellen erzielen im Labor mittlerweile Wirkungsgrade von fast 11% und in Modulen von 8-10%. Etwas effizienter sind andere Dünnschicht-Technologien wie Zellen aus CIS-Halbleitern, die im Labor schon maximale Wirkungsgrade von fast 20% erreichen.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung

Innerer Photoeffekt – Licht erzeugt freie Teilchen

Bild: Freie Teilchen entstehen in einer Solarzelle

Zum Vergrößern Grafik anklicken
Das Licht bei der Arbeit – © 2012 Photovoltaiksolarstrom.de

Das Sonnenlicht setzt sich aus einzelnen Ener­gieportionen zusammen, die mit dem bloßen Auge nicht zu unterscheiden sind: Den Photonen oder Lichtquanten. Sie enthalten unterschiedlich viel Energie – je nach der Wellenlänge, in der sie schwingen. Treffen sie auf Ihr Solarpaneel, werden einige vom Silizium verschluckt (“absorbiert") und lösen ein fest gebundenes Elektron – ein negativ geladenes Teilchen – aus dem Kristallgitter des Halbleiters (siehe Abbildung links).
Weniger energiereiche Lichtquanten strahlen durch die Solarzelle ungenutzt hindurch, andere werden an ihrer Oberfläche reflektiert.

An seinem ehemaligen Platz hinterlässt das aus dem Kristallgitter gelöste Elektron dabei ein positiv geladenes Loch. Gemeinsam bilden die beiden ein Elektronen-Loch-Paar – zwei entgegengesetzt geladene Teilchen, die frei beweglich sind.
Die erste Voraussetzung für Strom, frei bewegliche Ladungsträger, ist damit erfüllt. Bevor aus ihnen aber Sonnenstrom wird, muss noch ein Hindernis überwunden werden: Die erzeugten Teilchen bleiben nämlich nur kurzzeitig frei beweglich. Insbesondere die Elektronen neigen dazu, sich rasch wieder mit einem Loch zu vereinen, ein Prozess, den Physiker Rekombination nennen und durch den die freien Elektronen für die Solarstromgewinnung wieder verloren wären.

Mehr zum Elektronen-Loch-Paar finden Sie hier.

Photovoltaischer Effekt – Wiedervereinigung unerwünscht

Die Solarzelle benötigt in ihrem Kern deshalb ein Bauteil, das die unerwünschte Wiedervereinigung freier Ladungsträger verhindert. Diese Funktion des “Sittenwächters" übernimmt der pn-Übergang. Ingenieure erzeugen ihn, indem sie in den Halbleiter gezielt Fremdatome (bspw. Bor und Phosphor) einpflanzen, ein Verfahren, das Dotierung genannt wird.
Ist das Dotieren abgeschlossen, gibt es in der Solarzelle zwei Halbleitersichten: Eine p-dotierte Lage mit einem Überangebot an Löchern und eine n-dotierte Schicht, in der ein Überschuss an Elektronen herrscht.

Bild: Querschnitt einer kristallinen Zelle

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Der Solarzelle wird der pn-Übergang eingepflanzt – © H.Strauß/Fotolia

Zwischen diesen beiden Schichten bildet sich dann ein pn-Übergang mit einem stabilen elektrischen Feld aus. Das Feld hat die zentrale Aufgabe, die vom Licht erzeugten Elektronen-Loch-Paare zu trennen und so vom Rekombinieren abzu­halten.
Dabei sind keine magischen, sondern grundlegende physikalische Kräfte am Werk:
Der positive Pol des elektrischen Feldes zieht die gerade getrennten, negativen Elektron bspw. in die n-dotierte Schicht. Da es dort durch die Dotierung bereits einen Überschuss an Elektronen gibt, sind kaum Löcher frei, in die das neue Elektron schlüpfen könnte. Die Wahrscheinlichkeit, dass es rekombiniert und für den Solarstrom verloren geht, ist somit äußerst gering.
Die Löcher, die vom negativen Pol in die p-dotierte Schicht befördert werden, bleiben dort ebenfalls erhalten.

Auf diese Weise können die vom Licht erzeugten und vom Feld getrennten Elektronen und Löcher an den jeweiligen Metallkontakten der Zelle gefahrlos ausharren, bis der Stromkreis durch den Anschluss eines Verbrauchers – etwa einer Glühbirne oder einer Waschmaschine – geschlossen wird und sie als Strom zu fließen beginnen.
Dick- und Dünnschicht-Solarzellen unterscheiden sich aber grundsätzlich in der Art, wie die Nutzung dieser beiden für die Funktion einer Solarzelle so zentralen physikalischen Effekte technisch umgesetzt wird.

Solarstrom entsteht in Wafer-Solarzellen

Dickschicht- bzw. Wafer-Solarzellen bestehen aus dem chemischen Element Silizium (von lat. silicia für Kieselerde) und setzen sich im Kern zusammen aus:

  • einer hauchdünnen, wenige Tausendstel Millimeter (Mikrometer) starken n-dotierten Siliziumschicht,
  • dem pn-Übergang
  • und einer rund 170 bis 300 Mikrometer dicken p-dotierten Silizium-Lage.

Hinzu kommen an der Vorder- und der Rückseite noch die Kontakte, an denen der erzeugte Strom abgegriffen werden kann.

Doch wie tragen diese Schichten im Detail zur Solarstromerzeugung bei?
Entscheidend ist, was mit den vom Licht geschaffenen freien Elektronen-Loch-Paaren geschieht:

Funktion von Wafer-Solarzellen im Detail

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Aus Licht wird Strom – eigene Dar­stellung nach Mertens (2011)

Eine wahre Fundgrube für die Solarstromge­win­nung ist der pn-Übergang (B in der Abbildung links). Hier werden die frisch entstandenen Elektronen und Löcher vom elektrischen Feld sofort getrennt und direkt zu den Kontakten der Solarzelle befördert. Der Weg dorthin ist zwar weit, doch die Teilchen wandern durch ihre “Heimatgebiete", wo sie bereits im Überschuss vorhanden sind und die Chance auf eine Rekombination äußerst gering ist. So fließt fast jedes dieser neuen Teilchen später als Solarstrom.
Ähnlich nützlich sind die erzeugten Löcher und Elektronen, die in der p-dotierten Schicht innerhalb jenes Bereichs entstehen, den ein Elektron zurücklegen kann, ehe es rekombiniert (C). Diese als Diffusionslänge bezeichnete Strecke ist in kristallinem Silizium typischerweise zwischen 50 und 500 Mikrometer lang. Ein Elektron schafft es in diesem Bereich mit ziemlicher Sicherheit an den Rand des elektrischen Feldes im pn-Übergang – und von dort ohne Gefahr zu den Vorderseitenkontakten.

Keinen Beitrag zum Solarstrom leisten hingegen all jene Elektronen-Loch-Paar, die entweder in der n-dotierten Schicht oder im p-dotierten Halbleiter außerhalb des Diffusionsbereichs das Licht der Welt erblicken (A und D). Elektronen und Löcher rekombinieren hier sofort – die Solarzelle ist am Ende durch den fruchtlosen Umwandlungsprozess nur ein wenig wärmer geworden (thermische Verluste).

Wie die Wafer-Solarzelle zu ihrem Wafer kommt, erfahren Sie hier.

Dickschicht-Zellen und ihre Effizienz

Wie sich zeigt, kann eine Wafer-Solarzelle nicht alle von der Strahlung der Sonne geschaffenen freien Ladungsträger für den Solarstrom nutzen. Zudem absorbieren die kristallinen Siliziumschichten nicht das gesamte Sonnenlicht. Das hat zur Folge, dass nur ein Teil der auf die Zelle einstrahlenden Sonnenenergie in Strom umgewandelt wird – ein Verhältnis, das Experten als Wirkungsgrad bezeichnen.
Dickschicht Solarzellen aus dem sehr hochwertigen monokristallinen Silizium – es hat eine besonders reine einkristalline Struktur – erzielen im Laber heute Wirkungsgrade von 25%; Zellen aus multikristallinem Silizium erreichen rund 21%.
Für den Einsatz in einer Photovoltaik-Anlage werden rund 40-80 kristalline Zellen zu mono- oder polykristallinen Solarmodulen zusammengeschlossen, die gegenwärtig Wirkungsgrade zwischen 16-21% aufweisen.

Solarzelle Funktion – Dünnschichtzellen aus amorphem Silizium

Technisch ganz anders umgesetzt ist die Nutzung der maßgeblichen physikalischen Effekte hingegen in Dünnschicht-Solarzellen. Als Halbleiter kommen hier zum Einsatz:

  • formloses, amorphes Silizium
  • verschiedene Kombinationen aus Halbleitermaterialien wie Cadmium-Tellurid (CdTe), Galliumarsenid (GaAs) oder den Chalkopyriten (CIGS).

Das bekannteste und in Dünnschichtzellen neben Cadmium-Tellurid meistverwendete Material ist das amorphe Silizium. Aufgebaut sind amorphe Dünnschichtzellen dabei auf einer dünnen Glasscheibe, auf die anschließend die einzelnen Halbleiterschichten aufgebracht werden (der Einstrahlungsrichtung des Lichts folgend):

  • die Vorderseitenkontakte – hier transparente Dioden aus leitendem Oxid (TCO)
  • die p-dotierte,
  • die undotierte (intrinsische)
  • und die n-dotierte Schicht aus amorphen Silizium
  • sowie die Rückseitenkontakte.

Nach den Anfangsbuchstabe der Kernschichten – p-dotiert, intrinsisch und n-dotiert – nennt man diese Art der Dünnschichtsolarzellen auch pin-Zelle. Doch was geschieht in diesen Kernschichten mit den vom Sonnenlicht erzeugten Elektronen-Loch-Paaren?

Bild: Detailansicht pin-Zelle

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Schematische Darstellung einer pin-Solarzelle – © nau nach Mertens/Photovoltaik (2011)

In der pin-Solarzelle ist der Prozess des Stromgewinnung ganz auf die intrinsische Schicht konzentriert, wo das gesamte einstrahlende Licht absorbiert werden soll. Zwar ist auch in dieser Schicht die Rekombi­nationswahrscheinlichkeit der freien Ladungsträger sehr hoch; aufgrund des Zellenaufbaus erstreckt sich der pn-Übergang und sein elektrisches Feld hier aber über den gesamten intrinsischen Bereich.
Die dort erzeugten Elektronen-Loch-Paare können – wie schon bei den kristallinen Siliziumzellen – fast zur Gänze für den Solarstrom genutzt werden. Sie wandern durch ihre, hier sehr kurzen Heimatgebiete zu den Solarzellenkontakten, wo sie dann als Spannung abgegriffen werden.
In den beiden hauchdünnen, dotierten Siliziumschichten hingegen bleiben fast alle entstehenden Elektronen und Löcher ungenutzt. Die Halbleiter weisen hier eine sehr geringe Diffusionslänge von nur einigen Millionstel Millimeter auf – die geschaffenen Ladungsträger rekombinieren deshalb umgehend und erzeugen keinen Solarstrom.

Wie aus Dünnschichtzellen Dünschichtmodule werden, lesen Sie hier.

Wie effizient arbeiten Dünnschichtzellen?

Aufgrund der besonderen Absorptionsfähigkeit der verwendeten Halbleitermaterialien können Dünnschicht-Solarzellen – ihr Name deutet es an – besonders dünn ausgeführt werden. Dadurch lassen sich Material- und Energiekosten einsparen, allerdings um den Preis eines geringeren Wirkungsgrades. Amorphe Siliziumzellen erzielen im Labor mittlerweile Wirkungsgrade von fast 11% und in Modulen von 8-10%. Etwas effizienter sind andere Dünnschicht-Technologien wie Zellen aus CIS-Halbleitern, die im Labor schon maximale Wirkungsgrade von fast 20% erreichen.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung

Innerer Photoeffekt – Licht erzeugt freie Teilchen

Bild: Freie Teilchen entstehen in einer Solarzelle

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Das Licht bei der Arbeit – © 2012 Photovoltaiksolarstrom.de

Das Sonnenlicht setzt sich aus einzelnen Ener­gieportionen zusammen, die mit dem bloßen Auge nicht zu unterscheiden sind: Den Photonen oder Lichtquanten. Sie enthalten unterschiedlich viel Energie – je nach der Wellenlänge, in der sie schwingen. Treffen sie auf Ihr Solarpaneel, werden einige vom Silizium verschluckt (“absorbiert") und lösen ein fest gebundenes Elektron – ein negativ geladenes Teilchen – aus dem Kristallgitter des Halbleiters (siehe Abbildung links).
Weniger energiereiche Lichtquanten strahlen durch die Solarzelle ungenutzt hindurch, andere werden an ihrer Oberfläche reflektiert.

An seinem ehemaligen Platz hinterlässt das aus dem Kristallgitter gelöste Elektron dabei ein positiv geladenes Loch. Gemeinsam bilden die beiden ein Elektronen-Loch-Paar – zwei entgegengesetzt geladene Teilchen, die frei beweglich sind.
Die erste Voraussetzung für Strom, frei bewegliche Ladungsträger, ist damit erfüllt. Bevor aus ihnen aber Sonnenstrom wird, muss noch ein Hindernis überwunden werden: Die erzeugten Teilchen bleiben nämlich nur kurzzeitig frei beweglich. Insbesondere die Elektronen neigen dazu, sich rasch wieder mit einem Loch zu vereinen, ein Prozess, den Physiker Rekombination nennen und durch den die freien Elektronen für die Solarstromgewinnung wieder verloren wären.

Mehr zum Elektronen-Loch-Paar finden Sie hier.

Photovoltaischer Effekt – Wiedervereinigung unerwünscht

Die Solarzelle benötigt in ihrem Kern deshalb ein Bauteil, das die unerwünschte Wiedervereinigung freier Ladungsträger verhindert. Diese Funktion des “Sittenwächters" übernimmt der pn-Übergang. Ingenieure erzeugen ihn, indem sie in den Halbleiter gezielt Fremdatome (bspw. Bor und Phosphor) einpflanzen, ein Verfahren, das Dotierung genannt wird.
Ist das Dotieren abgeschlossen, gibt es in der Solarzelle zwei Halbleitersichten: Eine p-dotierte Lage mit einem Überangebot an Löchern und eine n-dotierte Schicht, in der ein Überschuss an Elektronen herrscht.

Bild: Querschnitt einer kristallinen Zelle

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Der Solarzelle wird der pn-Übergang eingepflanzt – © H.Strauß/Fotolia

Zwischen diesen beiden Schichten bildet sich dann ein pn-Übergang mit einem stabilen elektrischen Feld aus. Das Feld hat die zentrale Aufgabe, die vom Licht erzeugten Elektronen-Loch-Paare zu trennen und so vom Rekombinieren abzu­halten.
Dabei sind keine magischen, sondern grundlegende physikalische Kräfte am Werk:
Der positive Pol des elektrischen Feldes zieht die gerade getrennten, negativen Elektron bspw. in die n-dotierte Schicht. Da es dort durch die Dotierung bereits einen Überschuss an Elektronen gibt, sind kaum Löcher frei, in die das neue Elektron schlüpfen könnte. Die Wahrscheinlichkeit, dass es rekombiniert und für den Solarstrom verloren geht, ist somit äußerst gering.
Die Löcher, die vom negativen Pol in die p-dotierte Schicht befördert werden, bleiben dort ebenfalls erhalten.

Auf diese Weise können die vom Licht erzeugten und vom Feld getrennten Elektronen und Löcher an den jeweiligen Metallkontakten der Zelle gefahrlos ausharren, bis der Stromkreis durch den Anschluss eines Verbrauchers – etwa einer Glühbirne oder einer Waschmaschine – geschlossen wird und sie als Strom zu fließen beginnen.
Dick- und Dünnschicht-Solarzellen unterscheiden sich aber grundsätzlich in der Art, wie die Nutzung dieser beiden für die Funktion einer Solarzelle so zentralen physikalischen Effekte technisch umgesetzt wird.

Solarstrom entsteht in Wafer-Solarzellen

Dickschicht- bzw. Wafer-Solarzellen bestehen aus dem chemischen Element Silizium (von lat. silicia für Kieselerde) und setzen sich im Kern zusammen aus:

  • einer hauchdünnen, wenige Tausendstel Millimeter (Mikrometer) starken n-dotierten Siliziumschicht,
  • dem pn-Übergang
  • und einer rund 170 bis 300 Mikrometer dicken p-dotierten Silizium-Lage.

Hinzu kommen an der Vorder- und der Rückseite noch die Kontakte, an denen der erzeugte Strom abgegriffen werden kann.

Doch wie tragen diese Schichten im Detail zur Solarstromerzeugung bei?
Entscheidend ist, was mit den vom Licht geschaffenen freien Elektronen-Loch-Paaren geschieht:

Funktion von Wafer-Solarzellen im Detail

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Aus Licht wird Strom – eigene Dar­stellung nach Mertens (2011)

Eine wahre Fundgrube für die Solarstromge­win­nung ist der pn-Übergang (B in der Abbildung links). Hier werden die frisch entstandenen Elektronen und Löcher vom elektrischen Feld sofort getrennt und direkt zu den Kontakten der Solarzelle befördert. Der Weg dorthin ist zwar weit, doch die Teilchen wandern durch ihre “Heimatgebiete", wo sie bereits im Überschuss vorhanden sind und die Chance auf eine Rekombination äußerst gering ist. So fließt fast jedes dieser neuen Teilchen später als Solarstrom.
Ähnlich nützlich sind die erzeugten Löcher und Elektronen, die in der p-dotierten Schicht innerhalb jenes Bereichs entstehen, den ein Elektron zurücklegen kann, ehe es rekombiniert (C). Diese als Diffusionslänge bezeichnete Strecke ist in kristallinem Silizium typischerweise zwischen 50 und 500 Mikrometer lang. Ein Elektron schafft es in diesem Bereich mit ziemlicher Sicherheit an den Rand des elektrischen Feldes im pn-Übergang – und von dort ohne Gefahr zu den Vorderseitenkontakten.

Keinen Beitrag zum Solarstrom leisten hingegen all jene Elektronen-Loch-Paar, die entweder in der n-dotierten Schicht oder im p-dotierten Halbleiter außerhalb des Diffusionsbereichs das Licht der Welt erblicken (A und D). Elektronen und Löcher rekombinieren hier sofort – die Solarzelle ist am Ende durch den fruchtlosen Umwandlungsprozess nur ein wenig wärmer geworden (thermische Verluste).

Wie die Wafer-Solarzelle zu ihrem Wafer kommt, erfahren Sie hier.

Dickschicht-Zellen und ihre Effizienz

Wie sich zeigt, kann eine Wafer-Solarzelle nicht alle von der Strahlung der Sonne geschaffenen freien Ladungsträger für den Solarstrom nutzen. Zudem absorbieren die kristallinen Siliziumschichten nicht das gesamte Sonnenlicht. Das hat zur Folge, dass nur ein Teil der auf die Zelle einstrahlenden Sonnenenergie in Strom umgewandelt wird – ein Verhältnis, das Experten als Wirkungsgrad bezeichnen.
Dickschicht Solarzellen aus dem sehr hochwertigen monokristallinen Silizium – es hat eine besonders reine einkristalline Struktur – erzielen im Laber heute Wirkungsgrade von 25%; Zellen aus multikristallinem Silizium erreichen rund 21%.
Für den Einsatz in einer Photovoltaik-Anlage werden rund 40-80 kristalline Zellen zu mono- oder polykristallinen Solarmodulen zusammengeschlossen, die gegenwärtig Wirkungsgrade zwischen 16-21% aufweisen.

Solarzelle Funktion – Dünnschichtzellen aus amorphem Silizium

Technisch ganz anders umgesetzt ist die Nutzung der maßgeblichen physikalischen Effekte hingegen in Dünnschicht-Solarzellen. Als Halbleiter kommen hier zum Einsatz:

  • formloses, amorphes Silizium
  • verschiedene Kombinationen aus Halbleitermaterialien wie Cadmium-Tellurid (CdTe), Galliumarsenid (GaAs) oder den Chalkopyriten (CIGS).

Das bekannteste und in Dünnschichtzellen neben Cadmium-Tellurid meistverwendete Material ist das amorphe Silizium. Aufgebaut sind amorphe Dünnschichtzellen dabei auf einer dünnen Glasscheibe, auf die anschließend die einzelnen Halbleiterschichten aufgebracht werden (der Einstrahlungsrichtung des Lichts folgend):

  • die Vorderseitenkontakte – hier transparente Dioden aus leitendem Oxid (TCO)
  • die p-dotierte,
  • die undotierte (intrinsische)
  • und die n-dotierte Schicht aus amorphen Silizium
  • sowie die Rückseitenkontakte.

Nach den Anfangsbuchstabe der Kernschichten – p-dotiert, intrinsisch und n-dotiert – nennt man diese Art der Dünnschichtsolarzellen auch pin-Zelle. Doch was geschieht in diesen Kernschichten mit den vom Sonnenlicht erzeugten Elektronen-Loch-Paaren?

Bild: Detailansicht pin-Zelle

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Schematische Darstellung einer pin-Solarzelle – © nau nach Mertens/Photovoltaik (2011)

In der pin-Solarzelle ist der Prozess des Stromgewinnung ganz auf die intrinsische Schicht konzentriert, wo das gesamte einstrahlende Licht absorbiert werden soll. Zwar ist auch in dieser Schicht die Rekombi­nationswahrscheinlichkeit der freien Ladungsträger sehr hoch; aufgrund des Zellenaufbaus erstreckt sich der pn-Übergang und sein elektrisches Feld hier aber über den gesamten intrinsischen Bereich.
Die dort erzeugten Elektronen-Loch-Paare können – wie schon bei den kristallinen Siliziumzellen – fast zur Gänze für den Solarstrom genutzt werden. Sie wandern durch ihre, hier sehr kurzen Heimatgebiete zu den Solarzellenkontakten, wo sie dann als Spannung abgegriffen werden.
In den beiden hauchdünnen, dotierten Siliziumschichten hingegen bleiben fast alle entstehenden Elektronen und Löcher ungenutzt. Die Halbleiter weisen hier eine sehr geringe Diffusionslänge von nur einigen Millionstel Millimeter auf – die geschaffenen Ladungsträger rekombinieren deshalb umgehend und erzeugen keinen Solarstrom.

Wie aus Dünnschichtzellen Dünschichtmodule werden, lesen Sie hier.

Wie effizient arbeiten Dünnschichtzellen?

Aufgrund der besonderen Absorptionsfähigkeit der verwendeten Halbleitermaterialien können Dünnschicht-Solarzellen – ihr Name deutet es an – besonders dünn ausgeführt werden. Dadurch lassen sich Material- und Energiekosten einsparen, allerdings um den Preis eines geringeren Wirkungsgrades. Amorphe Siliziumzellen erzielen im Labor mittlerweile Wirkungsgrade von fast 11% und in Modulen von 8-10%. Etwas effizienter sind andere Dünnschicht-Technologien wie Zellen aus CIS-Halbleitern, die im Labor schon maximale Wirkungsgrade von fast 20% erreichen.

Solarzellen im Zusammenspiel

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