Solarzelle

Eine Solarzelle wandelt Licht in elektrische Energie und erzeugt immer Gleichspannung bzw. Gleichstrom. Sie arbeitet nach dem Photoeffekt, der auf der sich bildenden Raumladungszone (RLZ) zwischen einem positiv und negativ dotierten Halbleiter basiert.


Der Photoeffekt als Prinzip der Solarzelle

Solarzellen arbeiten nach dem Photoeffekt. Sie absorbieren Photonen, was dazu führt, dass Ladungsträger aus dem Leitungsband herausgerissen werden und die Energielücke zwischen diesem und dem Valenzband überspringen und das Leitungsband anregen.

Aufbau einer Solarzelle

Aufbau einer Solarzelle

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 Halbleiter, der Lichteinfall über eine lichtdurchlässige Elektrode an dem negativ dotierten Halbleiter.

Solarzelle mit Kontaktfingern und Sammelschiene

Solarzelle mit Kontaktfingern und Sammelschiene

Solarzellen sind quadratisch und haben eine Kantenlänge von 10 cm, 12,5 cm oder 15 cm. Sie sind mit einer Antireflexionsschicht (ARC) überzogen. Diese reduziert die Reflexion des Sonnenlichts und verbessert dadurch die Absorption und damit den Wirkungsgrad der Solarzelle. Die Solarzellen selbst werden aus monokristallinem, polykristallinem und amorphem Silizium hergestellt. Der generierte Gleichstrom wird über Vorder- oder Rückseitenkontakte abgeführt. Diese Kontakte werden als Kontaktfinger bezeichnet und sind in der Regel in Form eines Gitters angebracht. Über sie wird der Strom zur Sammelschiene weitergeleitet. Die Kontaktfinger haben eine Breite zwischen 50 µm und 100 µm. Mehrere Solarzellen werden zu einem größeren Solarmodul zusammengefügt.

Das Silizium der Solarzellen

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

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

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.

Kennwerte von Solarzellen

Wirkungsgrad von Silizium-Solarzellen

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 (Isc), die Leerlaufspannung, der Füllfaktor, der Maximum Power Point (MPP) und der Wirkungsgrad entnommen werden.

I-U-Kennlinie einer Solarzelle

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 Dünnschichtsolarzellen eingesetzt, deren Wirkungsgrad ist allerdings wesentlich geringer als der von Silizium-Solarzellen und liegt bei ca. 6 % bis 10 %.

Die Entwicklung von Solarzellen zielt auf die Verbesserung des Wirkungsgrades. Zu den verbesserten Konstruktionen gehören Solarzellen mit Antireflexionsschicht, Oberflächenstrukturierung mit aufgerauhter Oberfläche und das Rückseitenfeld, Back Surface Field (BSF). Darüber hinaus gibt es mehrschichtige Solarzellen wie die Stapelsolarzelle oder die Tandemsolarzelle, die das Wellenlängenspektrum des Sonnenlichts besser ausnutzen, sowie die CPV-Solarzelle bei der das Licht über Linsen gebündelt wird.

Informationen zum Artikel
Deutsch: Solarzelle
Englisch: solar cell
Veröffentlicht: 11.03.2014
Wörter: 612
Tags: #Solartechnik, Photovoltaik
Links: Absorption, Antireflexionsschicht, Basismaterial, Beleuchtungsstärke, Blau