Funktionsweise von Solarzellen

Die Funktionsweise von Solarzellen, auch Photovoltaikzellen genannt, basiert auf dem Prinzip der Umwandlung von Lichtenergie, hauptsächlich Sonnenlicht, in elektrische Energie. Dieser Prozess wird durch den photovoltaischen Effekt ermöglicht, ein Phänomen, das erstmals 1839 von Edmond Becquerel entdeckt wurde. Hier folgt eine detaillierte Beschreibung der Funktionsweise von Solarzellen, wobei vor allem auf den physikalischen Mechanismus, Materialien und den Aufbau eingegangen wird:

1. Aufbau einer Solarzelle:

Die meisten Solarzellen bestehen aus Silizium, einem Halbleitermaterial, das ideal für die Photovoltaik geeignet ist. Es gibt zwei Hauptarten von Silizium in Solarzellen:

  • Monokristallines Silizium: Besteht aus einem einzigen, kontinuierlichen Kristallgitter und hat die höchste Effizienz unter den Siliziumtypen.
  • Polykristallines Silizium: Besteht aus vielen kleinen Siliziumkristallen. Es ist weniger effizient als monokristallines Silizium, aber kostengünstiger in der Herstellung.

Solarzellen bestehen aus mehreren Schichten:

  • Oberste Schicht: Antireflexionsschicht, die hilft, Licht einzufangen und Reflexionen zu minimieren.
  • Frontkontakt: Dünne Metallstreifen, die den elektrischen Strom aus der Zelle abführen.
  • N-Typ-Siliziumschicht: Dünne Schicht aus Silizium, die mit Phosphor dotiert ist, wodurch zusätzliche freie Elektronen (negative Ladungsträger) entstehen.
  • P-Typ-Siliziumschicht: Dickere Schicht aus Silizium, die mit Bor dotiert ist, was zu einem Mangel an Elektronen führt (positive Ladungsträger, sogenannte "Löcher").
  • Rückkontakt: Metallschicht auf der Rückseite der Zelle, die den Stromkreis schließt.

2. Physikalischer Prozess:

  • Lichtabsorption: Wenn Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft, absorbieren die Siliziumatome die Lichtenergie (Photonen). Die Energie der Photonen wird genutzt, um Elektronen aus ihren Bindungen im Siliziumgitter freizusetzen. Dieser Prozess erzeugt freie Elektronen und gleichzeitig "Löcher".
  • Erzeugung von Ladungsträgern: Die freien Elektronen bewegen sich in der N-Typ-Schicht, während die Löcher in der P-Typ-Schicht wandern.
  • P-N-Übergang: An der Grenze zwischen den N-Typ- und P-Typ-Schichten bildet sich eine elektrische Feldzone, die sogenannte Raumladungszone. Dieses Feld treibt Elektronen zur N-Schicht und Löcher zur P-Schicht.

3. Elektrische Energieerzeugung:

  • Trennung der Ladungsträger: Das elektrische Feld im P-N-Übergang wirkt als eine Barriere, die Elektronen und Löcher trennt, sobald sie generiert werden. Dies verhindert, dass sie sofort rekombinieren.
  • Stromfluss: Wenn eine externe elektrische Last an die Solarzelle angeschlossen ist, fließen Elektronen durch den externen Stromkreis von der N-Schicht zur P-Schicht, liefern Energie an die Last und kehren durch die P-Schicht zurück.

4. Physikalisch begrenzende Faktoren der maximalen Effizienz von Solarzellen:

Die Effizienz/Wirkungsgrad von Solarzellen, definiert als der Prozentsatz der Sonnenenergie, der in elektrische Energie umgewandelt wird, ist durch mehrere physikalische Faktoren begrenzt. Der wohl bekannteste dieser Faktoren ist der sogenannte Shockley-Queisser-Grenzwert für Einzel-Schicht-Solarzellen aus Silizium, der theoretisch bei etwa 33,7% liegt. Diese Grenze ergibt sich aus verschiedenen inhärenten Verlustmechanismen, die in der Funktionsweise von Solarzellen verankert sind.

4.1. Bandlückenenergie

Die Bandlückenenergie eines Halbleitermaterials bestimmt die Wellenlängen des Lichts, die absorbiert werden können, um Elektronen von einem niedrigen Energiezustand (Valenzband) in einen höheren Energiezustand (Leitungsband) zu heben und somit Strom zu erzeugen. Photonen mit Energien unterhalb der Bandlücke können nicht genutzt werden, was zu Verlusten führt. Gleichzeitig führt die Absorption von Photonen mit Energien, die deutlich über der Bandlückenenergie liegen, dazu, dass der Überschuss als Wärme verloren geht, anstatt in elektrische Energie umgewandelt zu werden.

4.2. Thermodynamische Effizienz

Aufgrund der thermodynamischen Gesetze, insbesondere des zweiten Hauptsatzes, ist der Energieumwandlungsprozess in Solarzellen niemals 100% effizient. Ein Teil der Energie wird immer in Form von Wärme verloren gehen. Dieser unvermeidbare Wärmeenergieverlust begrenzt die maximal mögliche Effizienz der Solarzelle.

4.3. Ladungsträgerrekombination:

In Solarzellen werden Elektronen durch Licht aus ihren Atomen gelöst, um Strom zu erzeugen. Diese Elektronen können jedoch mit Löchern rekombinieren, bevor sie den elektrischen Kreislauf erreichen, was zu Energieverlusten führt. Die Qualität des Halbleitermaterials und dessen kristalline Struktur sind entscheidend für das Ausmaß dieser Rekombinationsverluste.

4.4. Reflexions- und Abschattungsverluste

Ein weiterer limitierender Faktor sind Reflexionsverluste, bei denen ein Teil des einfallenden Lichts von der Oberfläche der Solarzelle reflektiert wird, anstatt absorbiert zu werden. Hersteller minimieren dies durch Anti-Reflex-Beschichtungen und strukturierte Oberflächen. Zudem können auch Metallkontakte auf der Oberfläche der Zellen Schatten werfen, die die lichtaktive Fläche reduzieren.

4.5. Resistive Verluste

Elektrische Widerstände innerhalb der Solarzelle und in den Anschlusskomponenten führen ebenfalls zu Energieverlusten. Diese resistiven Verluste resultieren aus dem Material und der Geometrie der Zelle sowie der Qualität der elektrischen Kontakte.

Schlussfolgerung zur Effizienz

Diese physikalischen und materialwissenschaftlichen Einschränkungen definieren die obere Grenze der Effizienz, die bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom durch herkömmliche Solarzellentechnologien erreicht werden kann. Durch fortlaufende Forschung und Entwicklung, insbesondere in der Materialwissenschaft und der Halbleitertechnologie, wird jedoch versucht, diese Grenzen zu verschieben und die Effizienz von Solarzellen stetig zu verbessern.

5. Typen von Solarmodulen

Die Technologien hinter Solarzellen lassen sich grob in kristalline Siliziumzellen, Dünnschicht-Solarzellen und neuere, organische bzw. hybride Technologien einteilen. Diese Technologien unterscheiden sich hauptsächlich durch die verwendeten Materialien, den Herstellungsprozess, die Kosten und die Effizienz.

Detaillierte Betrachtung der Solarzellentechnologien

  1. Kristalline Siliziumzellen:

    • Monokristalline Solarzellen: Hergestellt aus einem einzigen Siliziumkristall, bieten diese Zellen eine hohe Effizienz (bis zu 20%). Sie sind jedoch teurer in der Herstellung und empfindlich gegenüber mechanischen Beanspruchungen .
    • Polykristalline Solarzellen: Diese Zellen werden aus gegossenem Silizium hergestellt, das in Blöcke und dann in Scheiben geschnitten wird. Sie sind günstiger als monokristalline Zellen, weisen aber mit 14-18% eine etwas geringere Effizienz auf .

  2. Dünnschicht-Solarzellen:

    • Diese Zellen werden durch das Auftragen dünner Schichten von photovoltaischem Material auf ein Substrat wie Glas hergestellt. Sie sind kostengünstiger und flexibler in der Anwendung, haben jedoch typischerweise niedrigere Wirkungsgrade (etwa 10-13%) und einen höheren Flächenbedarf. Zu den Materialien gehören Cadmiumtellurid (CdTe), Kupferindiumgalliumselenid (CIGS) und amorphes Silizium (a-Si) .

  3. Organische und hybride Solarzellen:

    • Organische Photovoltaikzellen (OPV): Diese Zellen nutzen organische Moleküle zur Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität und bieten Vorteile wie niedrige Herstellungskosten und mechanische Flexibilität. Sie weisen jedoch geringere Wirkungsgrade und kürzere Lebensdauern auf .
    • Perowskit-Solarzellen: Eine neuere Entwicklung mit Potenzial für hohe Wirkungsgrade und niedrige Herstellungskosten. Perowskit-Zellen haben in kurzer Zeit Effizienzen erreicht, die mit denen von kristallinen Siliziumzellen vergleichbar sind .

Wirkungsgrade

Tabelle, die die Wirkungsgrade der verschiedenen Solarzellentechnologien

Solarzellentechnologie Durchschnittlicher Wirkungsgrad
Standard Siliziumzellen 15% - 18%
Bifaziale Solarzellen Bis zu 30% mehr Energieertrag unter idealen Bedingungen (abhängig von der Umgebung)
Heterojunction (HJT) 22% - 25%
PERC-Solarzellen 20% - 22%
MonoPERC Am oberen Ende von 20% - 22%
TOPCon Solarzellen 22% - 25%

6. Ausblick auf zukünftige Technologien

Zukünftige Solarzellentechnologien, insbesondere Perowskit und Tandem-Solarzellen, versprechen eine signifikante Verbesserung der Effizienz und Kosteneffektivität in der Photovoltaik. Diese Technologien nutzen innovative Materialkombinationen und Herstellungsverfahren, um die Grenzen der traditionellen Silizium-basierten Solarzellen zu überwinden.

Detaillierte Betrachtung zukünftiger Solarzellentechnologien

  1. Perowskit-Solarzellen:

    • Technologie und Eigenschaften: Perowskit-Solarzellen bestehen aus einem hybriden organisch-anorganischen Bleihalogenid-Material, das für seine hervorragende Lichtabsorption, einfache Herstellung und die Möglichkeit der Herstellung durch Drucktechniken bekannt ist.
    • Effizienz: Der Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen hat in Laborumgebungen bereits über 33% erreicht, was sie zu einem der vielversprechendsten Materialien in der Solarzellentechnologie macht.
    • Herausforderungen: Trotz ihrer hohen Effizienz kämpfen Perowskit-Solarzellen mit Fragen der Langlebigkeit und Umweltstabilität. Weiterhin besteht Bedarf an der Entwicklung bleifreier Alternativen und der Verbesserung der Feuchtigkeitsresistenz.

  2. Tandem-Solarzellen:

    • Konzept: Tandem-Solarzellen kombinieren zwei oder mehrere Schichten von Solarzellenmaterialien mit unterschiedlichen Bandlücken, um ein breiteres Spektrum des Sonnenlichts effizienter zu nutzen.
    • Silizium-Perowskit Tandem: Eine beliebte Kombination ist die von Silizium mit Perowskit. Diese Tandem-Zellen können potenziell Effizienzen von über 30% erreichen, indem sie die Vorteile der hohen Effizienz von Silizium und der breiten Absorptionseigenschaften von Perowskit nutzen.
    • Weitere Entwicklungen: Andere Tandem-Konfigurationen, wie die Kombination von GaAs (Galliumarsenid) mit Perowskit, werden ebenfalls erforscht und zeigen Potenzial für noch höhere Wirkungsgrade.

  3. Zukunftsperspektiven und Entwicklungspotenziale:

    • Markteinführung und Skalierung: Die Herausforderung liegt in der Übertragung der Laborergebnisse in die Massenproduktion. Hierfür sind Investitionen in neue Fertigungstechnologien und die Optimierung der Materialstabilität erforderlich.
    • Nachhaltigkeit und Umweltverträglichkeit: Zukünftige Forschungen müssen auch umweltfreundliche Materialien und recycelbare Komponenten berücksichtigen, um die Umweltauswirkungen der Solarindustrie zu minimieren.
    • Integrierte Photovoltaik: Ein weiterer Forschungsbereich ist die Entwicklung von Solarzellen, die in Bauelemente wie Fensterglas oder Fahrzeugkarosserien integriert werden können, um die Anwendungsbereiche für Photovoltaik zu erweitern.