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Solarzelle


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Solarzellen sind eine Anwendung der Photovoltaik . Sie wandeln Lichtenergie (in der Regel Sonnenlicht ) in Gleichstrom unter Ausnutzung des photovoltaischen Effekts um. Sie funktionieren im Prinzip wie Photodioden und benötigen einen p-n-Übergang für die Ladungstrennung. Durch das Auftreffen Photonen wird eine elektrische Spannung erzeugt die durch Anschließen eines elektrischen an der Solarzelle einen Strom fließen lässt. Die Spannung einer Solarzelle bei den gebräuchlichsten Zellen (kristalline Siliziumzellen) bei 0 5 Volt . Um besser verwendbare Spannungen zu erreichen in einem Solarmodul (auch Photovoltaikmodul) mehrere Solarzellen miteinander verschaltet. Zellen werden meist aus so genannten Wafern hergestellt wie sie in der Computerindustrie sind.

Solarzellen

Inhaltsverzeichnis

Herstellung einer Siliziumsolarzelle

Herstellung der Siliziumkristallsäulen

Solarzellen können nach verschiedenen Verfahren hergestellt

Das Grundmaterial Silizium ist das zweithäufigste chemische Element das in der Erdkruste vorkommt. Es meist als Quarzsand vor. Aus diesem kann in einem Rohsilizium mit Verunreinigungen von circa 1 % hergestellt Dieser Prozess ist sehr energieaufwändig . Dennoch können die heute verwendeten Solarzellen für ihre Produktion erforderliche Energiemenge innerhalb von 5 bis 7 Jahren (je nach Bauart) erzeugen haben also eine positive Energiebilanz. Aus Rohsilizium wird dann über einen mehrstufigen Prozess Reinstsilizium hergestellt. Die bis heute (2003) hier Verfahren sind für die Elektronikindustrie optimiert und für die geforderte Reinheit von Solarsilizium die niedriger liegt als bei Elektronikanwendungen benötigt noch Kostenreduktionspotential. Hier wird zur Zeit intensiv geforscht.

Das nun vorhandene Reinstsilizium kann auf unterschiedliche Arten weiterverarbeitet werden. Für polykristalline Zellen größtenteils das Gießverfahren das Bridgman-Verfahren und das (EFG-Verfahren) zum Einsatz. Monokristalline Zellen werden fast immer nach dem hergestellt. Bei allen Verfahren gilt dass die Dotierung mit Bor (s.u.) schon beim Herstellen Blöcke bzw. Säulen vorgenommen wird.

Gießverfahren

Das Gießverfahren dient zur Herstellung von Silizium. Das Reinstsilizium wird in einem Tiegel mit Hilfe einer Induktionsheizung aufgeschmolzen und langsam in eine quadratische Wanne gegossen in es nun langsam erstarrt. Die Kantenlänge der beträgt ca. 50 cm die Höhe der Schmelze ca. 30 cm. Der große Block in mehrere Säulen von ca. 30 cm zerteilt es kann mit einer Ausbeute von 70 % gerechnet werden.

Bridgman-Verfahren

Das Bridgman-Verfahren dient ebenfalls zur Herstellung polykristallinem Silizium. Das Reinstsilizium wird hier ebenfalls einem Tiegel mit Hilfe einer Induktionsheizung aufgeschmolzen. langsame Abkühlung der Schmelze bei der sich große Zonen gleichgerichteter Kristallgitter ausbilden findet hier im gleichen Tiegel Die geheizte Zone wird langsam von unten oben im Tiegel angehoben so dass sich bis zum Schluss flüssiges Silizium befindet während Tiegelboden her das Erstarren erfolgt. Hier sind Kantenlängen etwas größer als beim Gießverfahren (ca. bis 70 cm) die Höhe des Blocks ca. 20 bis 25 cm. Der große wird ebenfalls in mehrere Säulen von ca. bis 25 cm Länge zerteilt bei einer von ca. 60 %.

EFG-Verfahren

Bei EFG-Verfahren (Edge-defined Film-fed Growth) lässt aus Reinstsilizium achteckige Röhren von ca. 5 6 m Länge unten wachsen. Die Kantenlänge der einzelnen Seiten 10 cm die Wandstärke 280 µm. Nach der Röhre wird diese entlang der Kanten NdYAG-Lasern geschnitten und in einem bestimmten Raster dann über die Breite der jeweiligen Daraus ergibt sich die Möglichkeit der Herstellung Zellen mit unterschiedlichen Kantenlängen (zum Beispiel 10 15 cm oder 10 x 10 cm). wird eine Ausbeute von ca. 80 % Ausgangsmaterials erzielt. Bei den so erzeugten Zellen es sich ebenfalls um polykristallines Material welche vom Aussehen her deutlich von den gesägten unterscheidet. Unter anderem ist die Oberfläche der welliger. Dieses Verfahren wird auch Bandzieh-Verfahren genannt.

Czochralski-Verfahren

Das Czochralski-Verfahren wird für die Herstellung von langen Säulen genutzt. Vor der Herstellung der Zellen die entstandene zylindrische Säule noch quadratisch zurechtgeschnitten.

Zonenschmelzverfahren

Das Zonenschmelzverfahren dient auch der Herstellung monokristalliner Siliziumsäulen. bei diesem Verfahren erzielte Reinheit ist im höher als für die Solartechnik benötigt und mit sehr hohen Kosten verbunden. Deshalb wird Technik für die Solartechnik eher selten benutzt.

Waferherstellung

Die jeweiligen Säulen werden nun mit Drahtsägeverfahren in Scheiben die so genannten Wafer Dabei entsteht aus einem großen Teil des Sägestaub der gereinigt und wieder eingeschmolzen werden Die Dicke der entstehenden Scheiben liegt bei 0 25 bis 0 3 mm.

Eine weitere Quelle für Wafer ist Ausschuss an Rohlingen für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen der Computerindustrie. Sind die Rohlinge dort Weiterverarbeitung nicht geeignet können sie teilweise noch Solarzelle verwendet werden.

Die monokristallinen Zellen zeichnen sich durch homogene Oberfläche aus während bei den polykristallinen gut die einzelnen Zonen mit verschiedener Kristallorientierung werden können. Sie bilden ein eisblumenartiges Muster der Oberfläche. Zu diesem Zeitpunkt sind Vorder- Rückseite der Zelle noch nicht festgelegt.

Waferprozessierung

Die gesägten Wafer durchlaufen nun noch chemischen Bäder um Sägeschäden zu beheben und Oberfläche auszubilden die geeignet ist Licht einzufangen. Hier gibt es verschiedene herstellerspezifische

Im Normalfall sind die Wafer schon einer Grund dotierung mit Bor versehen. Diese bewirkt dass überschüssige freie Löcher (positive Ladungen) gibt das heißt es Elektronen eingefangen werden. Dies wird auch p-Dotierung Auf dem Weg zur fertigen Solarzelle mit p-n-Übergang muss nun die Oberfläche noch eine bekommen was durch Prozessierung der Zelle in Ofen in einer Phosphor -Atmosphäre geschieht. Die Phosphoratome schaffen eine Zone Elektronenüberschuss auf der Zelloberfläche die ca. 1 µm ist.

Als nächster Schritt werden die Zellen einer Antireflexionsschicht aus SiN x oder TiO 2 versehen.

Danach erfolgt die Bedruckung der Zelle den notwendigen Lötzonen und der Struktur welche den besseren Abgriff des generierten elektrischen Stroms Die Vorderseite erhält meist zwei breitere Streifen denen später die Bändchen zum Verbinden mehrerer befestigt werden. Außerdem wird ein sehr dünnes gut leitendes Raster aufgebracht was einerseits den so wenig wie möglich behindern soll andererseits Ladungsträger so schnell wie möglich einsammeln soll der ohmsche Widerstand so gering wie möglich Die Rückseite wird meist vollflächig mit einem leitenden Material beschichtet.

Nach der Prozessierung werden die Zellen optischen und elektrischen Merkmalen klassifiziert sortiert und die Modulproduktion ausgeliefert.

Andere Solarzellentypen

Dünnschichtzellen

Die Dünnschichtzellen werden im Gegensatz zu bisher beschriebenen Zellen meist durch Abscheiden aus Gasphase direkt auf einem Trägermaterial aufgebracht. Dies Glas Metallblech Kunststoff oder auch ein anderes sein. Der Materialeinsatz ist sehr gering während Kombinationen der Halbleiter so gewählt sind dass ein recht hoher Wirkungsgrad entsteht. Noch sind Wirkungsgrade für großtechnische Anwendung niedriger als bei konventionellen Technik und die Haltbarkeit der Zellen Dauereinsatz muss erst noch bewiesen werden. Durch Fortschritte den geringen Materialeinsatz und das große der möglichen Trägermaterialien hofft man in Zukunft kostengünstige Herstellung zu ermöglichen so dass diese auf lange Sicht die sehr kostenintensive Dickschichttechnik kann. Mögliche Materialien sind zum Beispiel amorphes (a-Si) Gallium-Arsenid (GaAs) Cadmium-Tellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-Gallium-Schwefel-Selen-Verbindungen oder CIGS wobei hier S für Schwefel Selen stehen kann je nach Zelltyp).

Elektrochemische Farbstoff-Solarzelle

Dieser Zelltyp ist auch bekannt als Grätzel-Zelle . Bei diesem Zelltyp wird der Strom als bei den bisher aufgeführten Zellen über Licht absorption eines Farbstoffes gewonnen. Es wird organischer Farbstoff (zum der Blattfarbstoff Chlorophyll ) als Lichtakzeptor verwendet. Die Funktionsweise der ist noch nicht im Detail geklärt die Anwendung gilt als recht sicher ist aber noch nicht in Sicht.

Fluoreszenz-Zelle

Hierbei handelt es sich eigentlich um Kollektor für Solarstrahlung eine Beschreibung findet sich beim Thema Solarmodul .

Geschichte

Schon 1836 erkannte Alexandre Edmond Becquerel eine Batterie die von der Sonne beschienen eine größere Leistung hervorbrachte als eine ohne Er nutzte den Potentialunterschied (Säurebad mit belichtetem unbelichtetem Teil) zwischen einer verdunkelten und einer Seite einer chemischen Lösung in den er Platinelektroden eintauchte. Als er nun diese Konstruktion die Sonne stellte beobachtete er dass ein zwischen den zwei Elektroden entstand. So entdeckte den photovoltaischen Effekt konnte ihn allerdings noch erklären. Das weltweit erste Patent für eine wurde 1891 an den Metallfabrikanten Clarence M. aus Baltimore vergeben. Hierbei handelte es sich einen einfachen Wärmekollektor für Warmwasser. Strom konnte einem solchen Gerät allerdings nicht gewonnen werden. entdeckte der deutsche Physiker Philipp Lenard dass beim Auftreffen auf bestimmte Metalle Elektronen aus Oberfläche herauslösen und lieferte damit die ersten für den Effekt der Photovoltaik. Doch er noch nicht genau warum dies passiert und welchen Metallen es geschieht. Dennoch erhielt er seine Entdeckung 1905 den Physiknobelpreis. Den endgültigen schaffte im selbem Jahr Albert Einstein als mit Hilfe der Quantentheorie die gleichzeitige Existenz Lichts sowohl als Welle als auch als als Teilchen erklären konnte. Bis dahin glaubte dass Licht nur als eine Energie mit Wellenlänge auftritt. Doch Einstein stellte in seinen die Photovoltaik zu erklären fest dass sich in manchen Situationen genau so wie ein verhält und dass die Energie jedes Lichtteilchen Photons nur von der Wellenlänge des Lichts Er beschrieb das Licht als eine Ansammlung Geschossen die auf das Metall treffen. Wenn Geschosse genügend Energie besitzen wird ein freies das sich im Metall befindet und von Photon getroffen wird vom Metall gelöst. Außerdem er dass die maximale Energie die abgegeben von der Intensität des Lichtes unabhängig ist nur von der Energie abhängt die ein Photon abgibt. Diese Energie hängt wiederum nur der Wellenlänge und der Frequenz des Lichtes Für seine Arbeit zur Photovoltaik erhielt er den Nobelpreis für Physik.

Die Entdeckung des pn-Übergangs im Jahre durch William Shockley Walther H. Brattain und Bardeen war ein weiterer großer Schritt zur in ihrer heutigen Form. In diesen Versuchen die drei Wissenschaftler auch den Transistoreffekt. Dies der Effekt der mit Hilfe eines Transistors Halbleiterbauelement aus Silizium oder Germanium durch Energiezufuhr Stromfluss in einer Solarzelle verursacht. Nach diesen stand dem Bau einer Solarzelle in ihrer Form nichts mehr entgegen. Es ist jedoch glücklichen Zufall zu verdanken dass diese erste 1954 in den Laboratorien der amerikanischen Firma gebaut wurde. Die Mitarbeiter der Firma beobachteten sie einen Gleichrichter der mit Hilfe von arbeitete untersuchten dass dieser mehr Strom lieferte er in der Sonne stand als wenn zugedeckt war. Die Firma Bell entwickelte so ersten Solarzellen. Diese hatten allerdings nur einen von 4% - 6%. Schon 1958 wurden Solarzellen auf Satelliten getestet. Die dort erzielten waren grandios. Es wurden Wirkungsgrade bis 10 berechnet. Diese Ergebnisse waren jedoch nicht auf Verhältnisse auf der Erdoberfläche übertragbar da im die natürliche Sonnenstrahlung keinen Tag-Nacht- Rhythmen und Absorption durch Wolkendecken und Atmosphäre unterliegt. Seit Zeit versucht die Industrie immer größere Wirkungsgrade erreichen. Zellen mit einem Wirkungsgrad von 17% man bereits kaufen wobei Alterungseffeke die Leistung (in 10 Jahren Abfall auf ??%). Labormuster nahe an den theoretischen Wirkungsgrad von ca. herangekommen sein.

Bis gegen Ende der 90er Jahre zwanzigsten Jahrhunderts waren Zellen mit ca. 100 Kantenlänge (im Fachjargon auch Vier-Zoll-Zellen genannt) die Baugröße. Danach wurden auch Fünf-Zoll-Zellen verstärkt eingeführt seit etwa 2002 sind auch Sechs-Zoll-Zellen (Kantenlänge 150 mm) für Standardmodule eine gängige Größe.

Formen und Größen

Zu Beginn der Kommerzialisierung der Solartechnik wurden häufig runde Zellen eingesetzt deren von den meist runden Siliziumsäulen der Computerindustrie Inzwischen ist diese Zellenform relativ selten und werden quadratische Zellen oder fast quadratische mit oder weniger abgeschrägten Ecken eingesetzt.

Durch Sägen der fertig prozessierten Zellen für spezielle Anwendungen im Kleingerätebereich auch Zellen kleineren Kantenlängen. Sie liefern annähernd die gleiche wie die großen Zellen jedoch entsprechend der Fläche einen kleineren Strom.

Im EFG-Verfahren werden auch Zellen hergestellt denen die Seiten des entstehenden Rechtecks nicht gleichen Längen haben.

Technische Merkmale

Die Kenngrößen einer Solarzelle werden für Bedingungen (STC Standard Test Conditions) angegeben (Einstrahlungstärke 1000 W/m 2 in Modulebene Temperatur der Solarzelle 25°C Strahlungspektrum AM 1 5 global; DIN EN IEC 1215 DIN EN 60904 IEC 904). steht AM 1 5 global für den Air Mass die 1 5 dafür das die hierbei das 1 5-fache der Atmosphärenhöhe durchlaufen sie schräg auftreffen. Dadurch verschiebt sich auch Spektrum des auf das Modul treffenden Lichtes. steht für Globalstrahlung die sich aus dem Diffus- und Direktstrahlungsanteil der Sonne zusammensetzt.

Hierbei ist zu beachten dass in Realität insbesondere die Zelltemperatur bei einer solchen die in Deutschland nur an wenigen Tagen erreicht wird bei normalem Betrieb wesentlich höher (je nach Anbringung Windanströmung etc. kann sie ca. 30 und 60 °C liegen). Aus Grund wurde auch eine weitere Bezugsgröße geschaffen NOCT die Leistung bei normaler Betriebstemperatur (normal cell temperature).

gebräuchliche Abkürzungen für die Bezeichnungen sind

  • SC: Short Circuit - Kurzschluss
  • OC: Open Circuit - Leerlauf
  • MPP: Maximum Power Point - Betriebspunkt Leistung

Die Kennwerte einer Solarzelle sind

  • Leerlaufspannung <math>U_{OC}</math>
  • Kurzschlussstrom <math>I_{SC}</math>
  • Spannung im bestmöglichen Betriebspunkt <math>U_{MPP}</math>
  • Strom im bestmöglichen Betriebspunkt <math>I_{MPP}</math>
  • Leistung im bestmöglichen Betriebspunkt <math>P_{MPP}</math>
  • Füllfaktor <math>FF</math>
  • Koeffizient für die Leistungsänderung mit der Zelltemperatur
  • Zellwirkungsgrad <math>\eta</math>

Verschiedene Arten von Solarzellen

Solarzellen kann man nach verschiedenen Kriterien Das gängigste Kriterium ist die Materialdicke. Hier nach Dickschicht- und Dünnschichtzellen unterschieden. Ein weiteres ist das Material: es werden zum Beispiel GaAs CuInSe eingesetzt weltweit am häufigsten jedoch Die Atomstruktur kann kristallin oder amorph sein. Materialien haben keine einheitliche Gitterstruktur. Nach der Technik bei der Fertigung der Zelle aus Wafer unterscheidet man verschiedene Oberflächenstrukturierungen und Anordnungen Zellenkontaktierung. In der Dünnschichttechnik sind zudem noch Kombinationen von Solarzellen möglich die gestapelt werden wodurch der Wirkungsgrad der Gesamtanordnung erhöht werden

Eine Einteilung nach Materialien

  1. Siliziumzellen
    • Dickschicht
      • monokristalline Zellen (c-Si)
        hohe Wirkungsgrade (großtechnisch bis zu 20 % erzielbar gut beherrschte Technik allerdings erfordert die einen sehr hohen Energieeinsatz der sich deutlich auf die Energierücklaufzeit auswirkt
      • polykristalline Zellen (mc-Si)
        inzwischen sind großtechnisch wohl Wirkungsgrade bis über % möglich relativ kurze Energierücklaufzeiten bisher und auch noch einige Zeit die Zelle mit günstigsten Preis-Leistungs-Verhältnis
    • Dünnschicht
      • amorphes Silizium (a-Si)
      • kristallines Silizium
  2. GaAs-Zellen
    hohe Wirkungsgrade sehr temperaturbeständig geringerer Leistungsabfall bei als kristalline Siliziumzellen immer noch sehr teuer der Herstellung werden häufig in der Raumfahrt
  3. CdTe
    soll großtechnisch sehr günstig herstellbar sein Wirkungsgrade noch deutlich unter 10 % Langzeitverhalten noch bekannt
  4. CIS- CIGS-Zellen

Hersteller Solarzellen (Auswahl)

(Hersteller von Solarmodulen siehe Solarmodul )

Weblinks



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