Das Wort Photovoltaik ist eine Zusammensetzung aus dem griechischen Wort für Licht und dem Namen des Physikers Alessandro Volta. Es bezeichnet die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie mittels Solarzellen. Der Umwandlungsvorgang beruht auf dem bereits 1839 von Alexander Bequerel entdeckten Photoeffekt. Unter dem Photoeffekt versteht man die Freisetzung von positiven und negativen Ladungsträgern in einem Festkörper durch Lichteinstrahlung.

Wie funktioniert eine Solarzelle?

Solarzellen bestehen aus verschiedenen Halbleitermaterialien. Halbleiter sind Stoffe, die unter Zufuhr von Licht oder Wärme elektrisch leitfähig werden, während sie bei tiefen Temperaturen isolierend wirken.
Über 95 % aller auf der Welt produzierten Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium (Si). Silizium bietet den Vorteil, dass es als zweithäufigstes Element der Erdrinde in ausreichenden Mengen vorhanden und die Verarbeitung des Materials umweltverträglich ist.
Zur Herstellung einer Solarzelle wird das Halbleitermaterial "dotiert". Damit ist das definierte Einbringen von chemischen Elementen gemeint, mit denen man entweder einen positiven Ladungsträgerüberschuß (p-leitende Halbleiterschicht) oder einen negativen Ladungsträgerüberschuß (n-leitende Halbleiterschicht) im Halbleitermaterial erzielen kann.
Werden zwei unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten gebildet, entsteht an der Grenzschicht ein so genannter p-n-Übergang.

An diesem Übergang baut sich ein inneres elektrisches Feld auf, das zu einer Ladungstrennung der bei Lichteinfall freigesetzten Ladungsträger führt. Über Metallkontakte kann eine elektrische Spannung abgegriffen werden. Wird der äußere Kreis geschlossen, das heißt ein elektrischer Verbraucher angeschlossen, fließt ein Gleichstrom.
Siliziumzellen sind etwa 10 cm mal 10 cm groß (oder auch 15 cm mal 15 cm). Eine durchsichtige Antireflexschicht dient zum Schutz der Zelle und zur Verminderung von Reflexionsverlusten an der Zelloberfläche.

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Eigenschaften einer Solarzelle

Die an Solarzellen abgreifbare Spannung ist abhängig vom Halbleitermaterial. Bei Silizium beträgt sie etwa 0,6 V. Schaltet man etwa 72 Siliziumzellen in Serie, so erhält man eine Spannung von etwa 44 Volt. Diese Spannung entspricht etwa der Spannung (Leerlaufspannung) eines handlungsüblichen Moduls mit einer Leistung von etwa 180 Watt. Die Stromstärke liegt dann etwa bei etwa 4 Amper.
Die Klemmenspannung ist nur schwach von der Lichteinstrahlung abhängig, während die Stromstärke bei höherer Beleuchtungsstärke ansteigt. Die Leistung (Produkt aus Strom und Spannung) einer Solarzelle ist temperaturabhängig. Höhere Zelltemperaturen führen zu niedrigeren Leistungen und damit zu einem schlechteren Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad gibt an, wieviel der eingestrahlten Lichtmenge in nutzbare elektrische Energie umgewandelt wird.

Unterschiedliche Zelltypen

Je nach Kristallart unterscheidet man drei Zelltypen: monokristallin, polykristallin und amorph.
Zur Herstellung von monokristallinen Siliziumzellen benötigt man hochreines Halbleitermaterial. Aus einer Siliziumschmelze werden einkristalline Stäbe gezogen und anschließend in dünne Scheiben gesägt. Dieses Herstellungsverfahren garantiert relativ hohe Wirkungsgrade.
Kostengünstiger ist die Herstellung von polykristallinen Zellen. Dabei wird flüssiges Silizium in Blöcke gegossen, die anschließend in Scheiben gesägt werden. Bei der Erstarrung des Materials bilden sich unterschiedlich große Kristallstrukturen aus, an deren Grenzen Defekte auftreten. Diese Kristalldefekte haben einen geringeren Wirkungsgrad der Solarzelle zur Folge.
Wird auf Glas oder anderes Substratmaterial eine Siliziumschicht abgeschieden, spricht man von amorphen- oder Dünnschichtzellen. Die Schichtdicken betragen weniger als 1 µm (Dicke eines menschlichen Haares: 50-100 µm), so daß die Produktionskosten allein wegen der geringeren Materialkosten niedriger sind. Die Wirkungsgrade amorpher Zellen liegen allerdings noch weit unter denen der anderen beiden Zelltypen. Anwendung finden sie vor allem im Kleinleistungsbereich (Uhren, Taschenrechner) oder als Fassadenelemente.

Von der Zelle zum Modul

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Um für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche geeignete Spannungen bzw. Leistungen bereitstellen zu können, werden einzelne Solarzellen zu größeren Einheiten miteinander verschaltet. Eine Serienschaltung der Zellen hat eine höhere Spannung zur Folge, eine Parallelschaltung einen höheren Strom. Die miteinander verschalteten Solarzellen werden meist in transparentem Ethylen-Vinyl-Acetat eingebettet, mit einem Rahmen aus Aluminium oder Edelstahl versehen und frontseitig transparent mit Glas abgedeckt.
Die typischen Nennleistungen solcher Solarmodule liegen zwischen 10 Wpeak und 250 Wpeak. Die Kenndaten der Solarmodule beziehen sich auf die Standardtestbedingungen von 1000 W/m² Sonneneinstrahlung bei 25 °C Zelltemperatur. Die von den Herstellern angegebenen Garantiezeiten sind mit in der Regel 10 Jahren recht hoch und bezeugen den hohen Qualitätsstandard und die hohe Lebenserwartung heutiger Produkte

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Herstellung eines Solarmoduls

Woraus besteht ein Solar-Modul? Ganz einfach: aus Sand – dem häufigsten Element, das wir auf dem Land haben. Natürlich braucht es einige Produktionsschritte, bis ein fertiges Solar-Modul entsteht:

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Sand

Ausgangsmaterial für die Herstellung einer Solar-Zelle ist Quarzsand (kristallines Silizium). Davon ist reichlich auf der Erde vorhanden, z.B. als Siliziumoxid, also Quarz, in jeder Sanddüne. Aufgrund seiner Funktion als Halbleiter und seiner grossen Vorkommnisse ist Silizium der ideale Rohstoff für die Solar-Industrie.

Roh-Silizium

Aus Quarzsand wird über einen mehrstufigen Prozess hochreines Roh-Silizium gewonnen.

Ingot

Aus dem Roh-Silizium entstehen unter hohen Temperaturen (1400-1800°) so genannte Ingots. Bei polykristallinen Ingots wird das Roh-Silizium in Blöcke gegossen. Bei monokristallinen Ingots wird aus der flüssigen Siliziumschmelze ein „Stab“ gezogen (ähnlich wie beim Kerzenziehen).

Wafer

Die Ingots werden mittels High-Tech-Drahtsägen oder Wasserstrahlschneiden in dünne Scheiben von 0.25-0.4 mm Dicke gesägt. Diese „Wafer“ sind also reine Siliziumscheiben, die zur Weiterverarbeitung zur Solar-Zelle bereit sind.

Solar-Zelle

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Eine Solar-Zelle ist in zwei Schichten mit unterschiedlicher Ladung aufgebaut. Um die Schichten zu erzeugen werden auf der oberen und unteren Schicht gezielt verschiedenartige Fremdatome eingebracht. Dies geht zum Beispiel so vor sich, dass aus einem geeigneten Gas und bei hoher Temperatur Fremdatome auf einer Seite der Silizium-Scheibe eindringen ("diffundieren") lässt. Dieser Prozess wird Dotierung genannt. Anschliessend wird eine in der Regel bläulich schimmernde Antireflex-Schicht aufgebracht. Mit deren Hilfe erreicht man eine möglichst grosse Lichtabsorption. Um die durch den Sperrschicht-Effekt entstehende Spannung von beiden Seiten der Solar-Zelle abgreifen zu können, müssen auf der Vorder- und Rückseite Metallkontakte aufgebracht werden. Auf der Vorderseite werden meist Metallgitter aufgedruckt (z.B. im Siebdruckverfahren). Diese Gitter sollen einerseits die optimale Ausnutzung der Oberfläche für die Stromgewinnung sicherstellen und andererseits so wenig wie möglich den Lichteinfall in die Solarzelle behindern. Auf der Rückseite kann der Metallkontakt dagegen ganzflächig ausgeführt werden.

Solar-Modul

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Laminieren eines Solar-Moduls: Im Vakuum und bei Hitze werden die Zellen mit Hilfe von „EVA“ zwischen einer Tedlar-Folie und dem Glas dauerhaft einlaminiert. Mehrere Solar-Zellen werden nun in Serie geschalten (verlötet). Um diese vor Witterungseinflüssen und mechanischer Beanspruchung zu schützen, werden die Zellen einlaminiert. Zum Schluss wird das Laminat mit einem Rahmen versehen, der es vor der Witterung schützt – und fertig ist ein Solar-Modul, das während 20 bis 50 Jahren gratis Strom produziert!

EVA - Ethyl-Vinyl-Acetat

Im Solarmodul werden die Solarzellen durch eine allseitige Verkapselung vor Witterungseinflüssen und Korrosion geschützt.
Bei Glas-Folien-Solarmodulen und Glas-Glas-Laminaten wird in der Regel das Material Ethyl-Vinyl-Acetat, auch kurz EVA genannt benutzt. Das EVA wird als Folie angeliefert und verarbeitet.
Im Produktionsprozess wird das Solarmodul schichtweise zusammengefügt: