Photovoltaik-Strom aus Licht

Photovoltaik- Strom aus Licht

Photovoltaik ist die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom.

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Das griechische Wort „photo“ steht dabei für Licht, während Voltaik vom Namen des italienischen Physikers Alessandro Volta abgeleitet ist.

Photovoltaik ist die eleganteste Art der Stromerzeugung.

Sie geschieht geräuschlos, ohne bewegte Teile und ohne daß Schadstoffe freigesetzt werden. Hierzu werden sogenannte Solarzellen eingesetzt.

Solarzellen bestehen heute in aller Regel aus dem Stoff Silizium. Silizium ist das häufigste Element der Erdkruste.

In der freien Natur findet man Silizium aber nie in reiner Form, sondern immer in chemischer Verbindung mit anderen Elementen.

Die häufigste Verbindung ist die zwischen Silizium und Sauerstoff.

Diese Verbindung nennt man Quarz, und sie ist der Hauptbestandteil von Sand und den meisten Steinformen.

Aus dem Quarz wird unter Abscheidung von Sauerstoff das Silizium gewonnen.

Nach dieser Trennung muß das Rohsilizium aber noch aufwendig gereinigt werden.

Nur ein einzelnes Fremdatom darf sich noch unter 10 Milliarden Siliziumatomen befinden.

Mehr Fremdatome behindern den photoelektrischen Effekt so stark, daß die Qualität der Solarzelle leidet.

In einer Solarzelle müssen die Elektronen, die die Photonen des Sonnenlichts freisetzen, zu den Kontakten wandern.

Damit sie dies tun, baut man in die Solarzelle ein sogenanntes Feld ein.

Dazu impft man Vorder- und Rückseite der Solarzelle mit einer sehr kleinen Anzahl bestimmter Atome. Auf die eine Seite kommen Phosphor-, auf die andere Seite kommen Boratome. Ihre Konzentration ist aber minimal: nur ein Phosphor- bzw Boratom auf eine Milliarde Siliziumatome.

Nachdem die Phosphor- und die Boratome eingeimpft worden sind, wird auf der Vorder- und Rückseite

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noch ein

Kontakt aufgebracht.

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Auf der dem Licht zugewandten Seite ist der Kontakt in Form eines Gitters aufgebracht, damit möglichst viel Sonnenlicht in die Solarzelle eindringen kann.

Die Photonen des Lichts setzen jetzt im Silizium Elektronen frei.

Diese werden nun von dem zu der Bor-geimpften Seite gezogen und gelangen so zu einem der beiden Kontakte.

Wird zwischen den Kontakten ein Verbraucher angeschlossen, so fließt ein elektrischer Strom.

Die Siliziumzellen lassen sich nach ihrem Produktionsverfahren in drei Hauptgruppen einteilen:

Solarzellen aus monokristallinem Silizium

Sie haben den größten Marktanteil.

Die Herstellung von Solarzellen mit akzeptablem Wirkungsgrad ist aus diesem Material relativ unproblematisch.

Monokristalline Si-Zellen sind bereits seit einigen Jahren auf dem Markt, ihre Technologie ist ausgereift.

Herstellung:

Eingeschmolzenes Silizium wird zu einem stabförmigen Einkristall gezogen und danach in Scheiben gesägt.

Kennzeichen:

Monokristalline Siliziumzellen erkennt man an ihrer gleichmäßigen, glatten Oberfläche sowie an ihrer runden Form.

Wirkungsgrad:

Labor: 23,3% Produktion: 15-17,5%

Solarzellen aus multikristallinem Silizium

Sie werden von der Mehrzahl der Photovoltaik-Firmen für die beste Materialvariante des kristallinen Siliziums gehalten.

Das Kostensenkungs-Potential wird hier höher als beim monokristallinen Silizium eingeschätzt.

Firmen in der BRD, in den USA und in Japan arbeiten zur Zeit an der Weiterentwicklung des Materials und an neuen Gieß- und Kristallisationsverfahren zur Kostensenkung bei der Produktion.

Herstellung:

Geschmolzenes Silizium wird in Blöcke gegossen, dabei wird die Einkristallbildung unterbunden. Aus dem grobkörnig erstarrtem Silizium werden Scheiben gesägt.

Kennzeichen:

Multikristalline Siliziumzellen besitzen eine unregelmäßige Oberfläche, auf der deutlich die Kristalle mit einem Durchmesser von einigen Millimetern bis Zentimetern zu erkennen sind.

Wikungsgrad:

Labor: 17,8% Produktion: 12-14%

Solarzellen aus amorphen Silizium

Vor allem bei der Indoor-Anwendung, das heißt bei Stromversorgung von Kleinverbrauchern wie Taschenrechnern oder Uhren, gibt es für amorphes Silizium einen stabilen Markt.

Bei der Stromversorgung im Kilowatt-Bereich hat amorphes Silizium wegen seines geringen Wirkungsgrades und der Degrationserscheinung (Wirkungsgradrückgang in den ersten Betriebsjahren) einen noch sehr geringen Stellenwert.

Hauptvorteil der amorphen Siliziumzellen sind ihre geringen Herstellungskosten.

Herstellung:

Silizium wird aus der Gasphase auf einen Träger (zumeist Glas) als dünne Schicht aufgebracht.

Kennzeichen:

Eine Kristallstruktur ist hier nicht zu erkennen.

Amorphes Silizium besteht aus ungeordneten Siliziumatomen.

Wirkungsgrad:

Labor: 11,5% Produktion: 5-8%

Solarzellen aus Gallium-Arsenit und Cadmium-Tellurid

Der Wirkungsgrad ist bei diesen Materialien relativ hoch (über 20%). Nachteilig ist jedoch ihre Giftigkeit.

Der photovoltaische Effekt:

Fällt nun Licht auf ein solches Gebilde, spielen sich folgende Vorgänge ab:

Die Photonen übertragen ihre Energie auf Elektronen und lösen sie aus ihren atomaren Bidungen, so daß sie frei beweglich sind.

Es entstehen freie Elektronen und Löcher.

Unter dem Einfluß des inneren Feldes sammeln sich die Elektronen im n- und die Löcher im p-Leiter. Schließt man den Stromkreis, fließt ein Gleichstrom.

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Der Wirkungsgrad

Damit der photovoltaische Effekt eintritt, muß die Energie der Photonen mindestens so groß sein, daß sie die Elektronen aus ihrer atomaren Bindung lösen können.

Die Elektronen müssen eine bestimmte materialabhängige „Energielücke“ überwinden.

Von Photonen höherer Energie wiederum kann nur der Betrag in Höhe der Energielücke auf das Elektron übertragen werden.

Der Überschuß wird in Wärme umgesetzt und geht für die elektrische Energieumwandlung verloren. Von der Solarstrahlung kann also nur der Anteil genutzt werden, der auf die Energielücke „paßt“. Das setzt dem Wirkungsgrad von vornherein prinzipielle Grenzen.

Theoretisch sind maximal 43% möglich.

Wegen verschiedener Verlustmechanismen werden in der Praxis aber nur deutlich geringere Werte erreicht.

Im Labor hat man Werte um 23% erzielt.

Zellen aus der industriellen Produktion kommen auf 15%.

Verlustmechanismen

Ein Teil der Solarstrahlung wird bereits an der Oberfläche reflektiert.

Diese optischen Verluste versucht man durch Antireflexionsschichten zu minimieren.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, durch Ätzen oder Behandlung mit Laserstrahlen feine Furchen in die Oberfläche einzugravieren, so daß eine Struktur von nebeneinanderliegenden Pyramiden entsteht. Licht, das in die Zelle eingedrungen ist, bleibt infolge von Totalreflexion gefangen. Die „effektive“ Dicke einer Zelle wird so um den Faktor 50 erhöht.

Mehr als die Hälfte der Photonenenergie bleibt durch die mangelnde Übereinstimmung zwischen Photonenenergie und Energielücke ungenutzt.

30 bis 50% der erzeugten Ladungsträger gehen an der Grenzschicht verloren und von der verbleibenden Energie werden nochmals 20 bis 40% durch die Rekombination von Elektronen und Löchern vernichtet, das heißt die Elektronen werden wieder atomar gebunden.

Das geschieht bevorzugt an Störungen im Aufbau der Zelle, also durch Verunreinigungen, Defekte im Kristallaufbau, etc.

Deshalb muß das Siliziummaterial für Solarzellen hochrein sein, wenn auch nicht von so extremer Güte wie für die Chipherstellung.

Maßgebend für die elektrischen Verluste ist auch die Dicke der Zelle.

Denn je größer die Weglänge der Elektronen, um so größer ist die Wahrscheinlichkeit für eine Rekombination.

Deshalb ist es erstrebenswert, Solarzellen möglichst dünn zu machen.

Andererseits soll die Zelle so dick sein, daß das gesamte Licht absorbiert wird.