Kristalline Silizium-Solarzellen

Solarzellen-Prinzip, Quelle: Hahn Meitner Institut, Berlin

Für etwa 90 Prozent aller heute gefertigten Solarzellen ist das Ausgangsmaterial Silizium, das in der Natur in chemischer Verbindung mit Sauerstoff in Form von Sand oder Quarz unbegrenzt verfügbar ist. Silizium ist in hohem Maße umweltverträglich und recyclingfähig. Der relativ große Energieaufwand zur Herstellung von Solarzellen ist nach drei bis fünf Betriebsjahren einer Solaranlage ausgeglichen.

Bei der Siliziumaufbereitung wird in einem metallurgischen Verfahren der unerwünschte Sauerstoff abgetrennt. Es entsteht ein zu 98 Prozent reines Silizium. Das kristalline Silizium für die  Solarstrom-Zelle muss jedoch noch reiner sein. Auf eine Billionen Si-Atome darf nur ein fremdes Atom kommen (Reinheit 10-12). Durch chemische Prozesse wird Reinstsilizium gewonnen, dem Ausgangsmaterial für monokristalline oder polykristalline Siliziumblöcke, die so genannten Ingots.

Bislang war die Verfügbarkeit von Solarsilizium ein beschränkender Faktor für das Wachstum der Photovoltaikbranche. Ab 2008 ist durch den Ausbau neuer Kapazitäten und neue Dünnschichttechnologien mit einer Entspannung auf dem Siliziummarkt zu rechnen.

Verunreinigungen können auch auf direktem Weg aus dem metallurgischen Silizium entfernt werden. In einer Schmelze sammeln sich metallische Fremdstoffe und können so abgeschieden werden. Bor- und Phosphor werden durch Versetzung der Schmelze mit Schlacke entfernt. Andere Verunreinigungen werden durch Laugen und Säuren bzw. mechanische Trennung abgeschieden. Die Anzahl der Reinigungsschritte bestimmt die Herstellungskosten. Forschungseinrichtungen, wie das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE arbeiten intensiv daran, kristalline Solarzellen kostengünstiger herzustellen.

Die Siliziumblöcke (Ingots) sind Rohmaterial für extrem dünne Scheiben, die so genannten Wafer, die bis zu  0,2 mm dünn sind und meist 15 x 15 cm groß sind. Mit immer dünneren und größeren Wafern sollen Siliziumbedarf und Kosten gesenkt werden. Wafer sind entweder monokristallin oder multikristallin - je nachdem, ob das Silizium in Kristallform aus der Schmelze gezogen wurde oder in Tiegeln unter gesteuerten Prozessbedingungen erstarrte. Multikristalline Solarzellen sind kostengünstiger, liegen aber im Wirkungsgrad etwas unter den monokristallinen. Der Wirkungsgrad, das Verhältnis von Nutzenergie zu einfallender Lichtenergie, wird durch physikalische Faktoren begrenzt. Kommerzielle Solarzellen bringen es heute auf max. 15 bis 18 Prozent Wirkungsgrad; im Labor erreicht man 25 Prozent.

Durch gezieltes Verunreinigen (Dotieren) mit Fremdatomen (meist Bor und Phosphor) trennt man schließlich die Zelle in zwei Schichten, eine positive und eine negative. Treffen Lichtquanten (Photonen) auf die Solarzelle, entsteht an der Grenzschicht ein elektrisches Feld und an den Elektroden elektrische Spannung. Wird ein Verbraucher angeschlossen, fließt elektrischer Strom. Die Spannung einer Zelle beträgt etwa 0,6 Volt, der Strom etwa 3 Ampere. Mehrere Zellen zu einem Solarmodul zusammengeschaltet summieren je nach Schaltung (in Reihe oder parallel) Spannung oder Strom. Gegen Witterungseinflüsse und Feuchtigkeit sind die Module in Laminat eingeklebt sowie frontseitig durch gehärtetes Glas und rückseitig durch Glas oder Folie geschützt. Die Hersteller gehen heute von einer Lebensdauer von mindestens 25 Jahren aus und garantieren nach 20 Jahren mindestens 80 Prozent der Mindestnennleistung. Prüfzeichen und Zertifikate sind deutliche Hinweise auf die Qualität des jeweiligen Moduls.

Die ETI wird finanziert aus Mitteln des Ministeriums für Wirtschaft und Energie des Landes Brandenburg und der Industrie- und Handelskammer (IHK) Potsdam.