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Aufbau einer Solarzelle

Der Lichteinfall wird im Halbleiter absorbiert und führt dazu, dass die Ladungsträger aus dem Valenzband die Energielücke zwischen diesem und dem Leitungsband überspringen und das Leitungsband anregen. Die Ladungsträger aus dem Valenzband, das sind die Löcher, und aus dem Leitungsband, die Elektronen, können durch die Raumladungszone getrennt werden. Der Elektronenabfluss erfolgt über eine Elektrode an dem positiv dotierten, der Lichteinfall über eine lichtdurchlässige Elektrode an dem negativ dotierten Halbleiter.

Silizium-Solarzellen: monokristallin, schwarz (links)und blau (Mitte), und polykristallin, blau, Foto: solarnova.de

Solarzellen sind quadratisch und haben eine Kantenlänge von 10 cm, 12,5 cm oder 15 cm und sind mit einer Antireflexionsschicht (ARC) überzogen. Diese reduziert die Reflexion des Sonnenlichts und verbessert dadurch die Absorption des Solarmoduls. Die Solarzellen selbst werden aus monokristallinem, polykristallinem und amorphem Silizium hergestellt.

Monokristallines Silizium besteht aus einem Kristall dessen Atome regelmäßig angeordnet sind. Bei der Fertigung der Solarzelle werden die Atome des geschmolzenen Siliziums in eine Richtung ausgerichtet. Daher ist die Herstellung sehr aufwendig und teuer, allerdings hat monokristallines Silizium mit 14 % bis 18 % auch den höchsten Wirkungsgrad, dessen Oberfläche eben und graphitfarben ist.

Polykristallines Silizium besteht aus mehreren Kristallen, die jedes für sich eine regelmäßige atomare Struktur aufweisen. Polykristalline Solarzellen sind etwa 200 µm bis 300 µm dünn. Sie können preiswerter hergestellt werden als monokristalline Solarzellen, haben allerdings einen geringfügig geringeren Wirkungsgrad. Dieser liegt zwischen 10 % und 15 %. Die Oberfläche von polykristallinem Silizium ist blau.

Amorphes Silizium hat keine geordneten atomaren Strukturen, diese sind unregelmäßig. Es kann relativ preiswert hergestellt werden, der Wirkungsgrad liegt lediglich bei 6 % bis 10 %. Dafür hat amorphes Silizium ein hohes Absorptionsvermögen.

Wirkungsgrad von Silizium-Solarzellen

Die Leerlaufspannung (Vco) der Solarzellen ist abhängig vom Halbleitermaterial. Bei Silizium beträgt die Quellenspannung etwa 0,5 V und ist unabhängig von der Sonneneinstrahlung. Die Stromstärke steigt hingegen mit höherer Beleuchtungsstärke an und kann bei einer Sonneneinstrahlung von 1.000 W/qm einen Strom von bis zu 2 A generieren. Der Zusammenhang zwischen dem Strom und der Spannung entspricht dem charakteristischen Verhalten der Solarzelle und wird in der I-U-Kennlinie dargestellt. Aus dieser Kennlinie können der Kurzschlussstrom, die Leerlaufspannung, der Füllfaktor, der Maximum Power Point (MPP) und der Wirkungsgrad entnommen werden.

I-U-Kennlinie einer Solarzelle

Neben den Silizuim-basierten Basismaterialien gibt es bereits Solarzellen aus anderen Halbleiterverbindungen wie Cadmiumtellurid (CdTe), Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) und Galliumarsenid (GaAs), aber auch solche, die auf der organischen Photovoltaik (OPV) basieren. Die genannten Materialien werden in Dünnschichtsolarmodulen eingesetzt, deren Wirkungsgrad ist allerdings wesentlich geringer als der von Silizium-Solarzellen und liegt bei ca. 6 % bis 10 %.