Solarzelle-Technik der Photovoltaik

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formulierte seine Lichtquantenhypothese, die die Erklärung des photovoltaischen Effekts enthielt: Photonen lösen die Elektronen aus ihren atomaren Bindungen, so dass freie Ladungsträger entstehen.

Das Prinzip der Photovoltaik ist relativ simpel. Auf die Solarzelle auftreffendes Licht (Sonnenenergie) wird ohne Umschweife direkt in elektrische Energie umgewandelt.

Besonders geeignet für Solarzellen sind Halbleiter. Sie sind meist kristalline Festkörper, deren Widerstand von Temperatur und auch Belichtung abhängt. Silizium ist einer der wichtigsten Halbleiter. Im wesentlichen sind zwei Leitungsmechanismen bei Halbleitern wichtig: Eigen- und Störstellenleitung.

Zunächst sei die Eigenleitung erklärt (Beachte Grafik 3, Anhang II, S. ii). Silizium lagert sich zu einem Kristallgitter an, indem seine vier Valenzelektronen mit anderen Si-Atomen eine Elektronenpaarbindung eingehen. Diese

Kristallbindungen können durch temperaturbedingte Schwingung der Atome um eine Gleichgewichtslage aufbrechen, wodurch freie Ladungsträger entstehen (Generation). Elektronen hinterlassen dabei eine ,,Lücke" ( Loch oder Defektelektron) mit entsprechend gleich großer positiver Ladung. Diese Elektronen ,,wandern" im Gitter umher, bis sie eine Möglichkeit finden ein vorher generiertes Defektelektron zu schließen. Man nennt das Schließen von Defektelektronen durch ,,fremde" Elektronen Rekombination. Es entsteht durch Elektronen- und Löcherbewegung ein Fließen von Ladung, was bedeutet, dass ein Strom fließt. Elektronen- und Löcherstrom sind einander entgegengerichtet.

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Die Photodiode ist in Sperrrichtung mit einer Spannungsquelle verbunden. Wenn nun Photonen diese Diode treffen, so werden in der Sperrschicht freie Ladungsträger generiert. Der Sperrstrom, der dadurch hervorgerufen wird, ist proportional zu der Beleuchtungsstärke. Allerdings kommt es auch zur Generation, wenn bei Beleuchtung keine Spannungsquelle angeschlossen ist. Vielmehr die Diode selbst ist zur Spannungsquelle geworden.

2.2 Solarzelle

2.2.1 Charakteristische Größen u. Kenndaten von Solarzellen

Jede Solarzelle weist besondere Charakteristika auf, die im Folgenden betrachtet werden.

Wird eine kristalline Solarzelle schon leicht belichtet, so kann man eine Gleichspannung (Leerlaufspannung U oc oder

V oc ) von 0,5 ... 0,6 V messen (Grafik 5, Anhang II, S.iii). Die Spannung steht in Abhängigkeit zur Temperatur, da sie

um 0,4 %/K herabgesetzt wird. Gerade für den Einsatz von Photovoltaikanalgen (kurz: PV - Anlagen) ist diese Charakteristik äußerst wichtig, da sich die Solarzelle je nach Einstrahlung bis auf über 30 K erwärmen kann, was wiederum eine Spannungsreduzierung und damit eine Herabsetzung der Leistung um bis zu 12 % nach sich zieht.

Außerdem ist V oc von der Breite der verbotenen Zone E g abhängig (Gr.7+8, Anhang II, S.iii). Um dies besser zu verstehen, gehe ich kurz auf das Bändermodell ein, mit dessen Hilfe auch die Generation freier Ladungsträger beim Halbleiter erklärt werden kann. ,,Das Bändermodell deutet die Energiezustände der e - in einem Kristall" 2 . Es gibt grundsätzlich zwei Bänder: das Valenz- und Leitfähigkeitsband. Das Leitfähigkeitsband liegt über dem Valenzband und ist mit e - völlig unbesetzt. Beide Bänder werden durch die sogenannte verbotene Zone getrennt. Ein e - muss durch eine bestimmte Aktivierungsenergie E A aus dem Valenz- ins Leitfähigkeitsband gehoben werden, wobei E A der Breite der verbotenen Zone entsprechen muss, um diese überwinden zu können.

Die oben erwähnte Abhängigkeit von V oc und E g lässt sich in folgender Gleichung festhalten:

V oc = E g / 3 * e

wobei e die Elementarladung (1,6 * 10 -19 C) ist. Der rechnerisch optimale Wirkungsgrad für Si liegt bei etwa 35% mit E g ~ 1,1 bis 1,2 V.

Kommen wir zurück zur Strom-Spannungs-Charakteristik. Im Gegensatz zu V oc verhält sich der Kurzschlussstrom

I sc etwas anders, da er nicht so temperaturabhängig ist wie die Leerlaufspannung. I sc steigt 0,07 % pro K.

Der Grund, warum V oc bei erhöhender Temperatur kleiner, I sc aber größer wird (wenn auch nur geringfügig) ist, dass Die Sperrschicht am p-n-Übergang bei zunehmender Temperatur an Dicke verliert, wodurch die Zellspannung herabgesetzt wird.

Schaut man sich ein Diagramm an (Gr.6, Anhang II, S. iii), dass die Strom-Spannungs-Charakteristik zeigt, so lässt sich feststellen, dass das Optimum der Zellleistung am Knickpunkt dieser Charakteristik-Kurve liegt.

Den entsprechenden Strom nennt man I m und die Spannung V m , wobei der Knickpunkt P m heißt. Berechnet man den Quotienten aus maximaler Leistung I m * V m und dem Produkt I sc * V oc , so erhält man den Füllfaktor FF:

FF = I m * V m / I sc * V oc

FF definiert also die Flächendifferenz unter der Kennlinie I sc /V oc und I m /V m .

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Fast die wichtigste Größe einer Solarzelle ist der Wirkungsgrad _. _ beschreibt den in Strom umgewandelten Strom aus der auftreffenden Strahlungsenergie.

>ist definiert als Quotient aus dem Produkt I m * V m und der transformierten elektromagnetischen Leistung P i :

= I m * V m / P i = FF * I sc * V oc / P i (Quelle: siehe Fußnote) 3

Die Leistung einer Solarzelle ist also abhängig von der Zellengröße 4 , der Strahlungsintensität 5 und der bereits erläuterten Temperatur.

2.2.2 Grundaufbauprinzip von Solarzellen

Man erhält die Grundstruktur einer Solarzelle (Gr. 4, Anhang II, S.ii), sobald man die Vorder- und Rückseite eines p-n-Übergangs metallisch kontaktiert 6 . Um die Fläche der Sonneneinstrahlung zu erhöhen, wählt man die Gitter- oder Gridstruktur . Die Zellen werden mit einer besonderen Schicht überzogen, die Reflexionsverluste vermindert.

2.2.3 Herstellung der Zelle

Die Herstellung einer Siliziumzelle ist recht aufwendig und kompliziert, so dass im Folgenden die Produktion schematisch dargestellt werden soll.

geschmolzen.

2

2

Es entsteht durch Reduktion Si mit 98% Reinheit. Für eine Anwendung sowohl in der Elektronik, als auch in der Solartechnik ist dieser Reinheitsgrad nicht ausreichend. Nicht nur für die Chipindustrie, sondern ebenfalls für die Photovoltaik benötigt man zu 99,9999 % reines Si.

Si + HCl ·

8

3

In einem weiteren Reaktor wird durch Reduktion mit Wasserstoff reines Si gewonnen, dass sich bei einer Temperatur von ca. 1350 °C an dünnen Siliziumstäben abscheidet. Diese Siliziumstäbe sind bis zu 2m lang und im Durchmesser 30cm.

Das liquide Si kristallisiert an einen Kristallkeim, der zunächst in die Schmelze eingetaucht und dann langsam rotierend wieder heraufgezogen wird. Das Produkt ist ein perfekter Monokristall bestehend aus fast 100%igem Si.

wird der Einkristall in 200 bis 500 µm dicke Scheiben geschnitten. Sie werden anschließend alkalisch verätzt, um Oberflächenbeschädigungen zu entfernen.

.

Einkristalline Siliziumzellen werden monokristallin, die aus gegossenem Si poly- bzw. multikristallin genannt.

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2.2.4 Andere Solarzellentypen

Auf dem Prinzip des kristallinen Si beruhend gibt es, neben den im vorherigen Kapitel bereits erwähnten mono- und polykristallinen Silizium-Solarzellen, die Metall-Isolator-Silizium-Inversionsschicht-(MIS-I)-Solarzelle

(vgl. Gr.10, Anhang II, S. iv ). Ihr Wirkungsgrad liegt zwischen 12 und 14 %. Sie sind in gewisser Weise sehr herstellungsfreundlich, da der aufwendige Schritt der n-Dotierung durch einen induzierten p-n-Übergang (mit n- leitender Inversionsschicht) wegfällt. Ein weiterer Vorteil der MIS-I Zellen ist, dass man in, im Vergleich zur Herstellung einer monokristallinen Zelle, einem relativ geringen Temperaturbereich bleiben kann. Ein weiterer Solarzellentyp ist die Solarzelle mit amorphem Silizium. Sie besitzt keine feste (kristalline) Struktur und kann somit bis zu fünfzigmal mehr Licht absorbieren, als kristallines Si. Bei ihnen trägt man eine lediglich 1 µm dicke Trägerschicht auf, weshalb sie auch Dünnschichtzellen (a-Si-Dünnschichtzellen) genannt werden (Aufbau: vgl. Gr. 9, Anhang II, S. iv).

2.2.5 Möglichkeit zur Spannungs - und Stromverstärkung- Solarmodule

Eine etwa 100cm 2 große Solarzelle erzeugt im Idealfall - und der ist nicht wirklich oft anzutreffen - etwa 0,7V und 2,5A. Zur Versorgung elektrischer Systeme sind natürlich gr ößere Spannungen und Ströme notwendig.

Die Lösung zielt auf zwei bereits sehr gut bekannte Prinzipien der Elektronik hin:

Serien- und Parallelschaltung.

Für ein Standardmodul schaltet man um die 35 Zellen zusammen.

Bei der Serienschaltung stellt man eine Verbindung zwischen der Pluselektrode (Kathode) einer Zelle mit der Anode (Minuselektrode) einer zweiten her. Bei solchen Reihenschaltungen entspricht die Gesamtsumme der Summe der Einzelspannungen. Bei Reihenschaltung von etwa 35 Zellen könnte somit theoretisch eine Spannung U ges = 24,5V erzielt werden.

Möchte man jedoch die Stromstärke I erhöhen, so ist es nötig, die einzelnen Zellen parallel zu schalten, wobei Kathode mit Kathode und Anode mit Anode verbunden werden (Verbindung der Anschlüsse gleicher Polaritäten). Das, was bei der Reihenschaltung für die Spannung gilt, gilt bei der Parallelschaltung für die Stromstärke. Sie sind nämlich additiv, d.h. die Gesamtsumme entspricht der Summe der Einzelstromstärken. Prinzipiell kann man sagen, dass die Parallelschaltung einer Zellenflächenvergrößerung entspricht.

In der Praxis kombiniert man die Reihen- und Parallelschaltung, um so eine effiziente Leistungssteigerung der Solarzelle zu erzielen. Leistungen von bis zu 200 bis 300W sind durchaus realistisch.

Die Ströme, die hier fließen sind gleich gerichtet. Will man den Strom ins Netz einspeisen, so ist es nötig den Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln und mit Hilfe eines Transformators die richtige Spannungsstufe einzustellen.

2.2.6. Anwendungsbereiche

2.2.6.1 Wochenend- und Ferienhäuser

Immer häufiger kommt es vor, dass Familien den Strom für ihren Camping - Wagen über die Sonne beschaffen.

Ein Modul bringt die Leistung von 50 Watt. Nicht nur das Modul, sondern auch eine 100-Ah-Batterie sind im Preis für eine solche Anlage (1000 DM oder 500 €). Im ungünstigsten Fall könnte bei 4 Äquivalentsonnenstunden etwa 144Wh pro Tag geerntet werden, wobei mit 84Wh ein Farbfernseher für zwei Stunden und zwei Sparlampen á 7W vier Stunden brennen. Und insgesamt bräuchte man 140Wh.

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2.2.6.2 Verkehrswesen

Im Verkehrswesen werden mittlerweile sogar Beleuchtungsanlagen mit Solarenergie versorgt, wenn sich eine Verkabelung ans Netz nicht lohnt oder der Ort zu weit von selbigen entfernt ist.

2.2.6.3 Garten

Im Garten werden PV-Anlagen (Photovoltaik -Analgen) verwendet, um beispielsweise die Gartenbeleuchtung oder aber die Teichpumpen mit Strom zu versorgen. Positiver Nebeneffekt: Bei Teichpumpen wird gleichzeitig Sauerstoff in den Teich zugeführt, was eine Verbesserung der Wasserqualität zur Folge hat.

2.2.6.4 Solarautos

Als letztes Beispiel für Anwendungsbereiche von PV-Anlagen soll das Solarauto dienen.

Das Solarauto wird von einem Elektromotor angetrieben, der von einer Batterie gespeist wird, die wiederum von einem Solargenerator aufgeladen wird.

3. Schlussteil

In der Tat ist es so, dass die bisherigen Energieträger zur Neige gehen. Auch unumstritten ist, dass der Energieverbrauch nicht zuletzt durch die wachsende Weltbevölkerung steigt. Logisch ist daher, dass man versucht regenerative Energien zu nutzen. Die Photovoltaik ist eine sinnvolle Alternative zu Kohlekraftwerken, die unsere Umwelt verschmutzen und Atomkraftwerken, die bei Sicherheitsmängel ein zweites Tschernobyl herauf beschwören können.

Auch ist die Photovoltaik eine empfehlenswerte Ergänzung zu den anderen regenerativen Energieträger, wie z.B. Windenergie.

Die Forschung ist sehr darum bemüht, nicht zuletzt weil das Thema seit der in der Einleitung erwähnten Ölkrise nicht an Aktualität verloren, sondern im Gegenteil eher noch gewonnen hat, photovoltaische Anlagen bzw. die Nutzung der Photovoltaik durch bessere Solarzellen zu verbessern. Ein riesengroßer Nachteil ergibt sich allerdings in der Kostenfrage. Leider ist die Herstellung so aufwendig und teuer, dass man sich aus rein wirtschaftlichen Gründen schon überlegt, ob man diese Technik nutzen möchte oder nicht.

Dennoch bin ich davon überzeugt, dass die Solarzelle in Zukunft stets verbessert, und damit auch die Herstellung preiswerter werden wird. Wir werden uns die PV einfach leisten können müssen, wenn die Zerstörung unserer Umwelt so weitergeht. Immerhin gibt es ein aktuelles Beispiel, das zeigt, was passiert, wenn wir weiter alle Warnzeichen der Natur missachten und den CO 2 - Ausstoß nicht reduzieren. Ich spreche von der Insel Tuvalu im Pazifik. Sie ist das drittkleinste von der UNO anerkannte Land der Welt. Und sie versinkt zur Zeit im Meer.

Wir müssen einfach auf alternative Energien ausweichen. Ich denke zwar nicht, dass die Solarzelle das Optimum ist, aber so ist sie dennoch eine sinnvolle Ergänzung zu anderen (regenerativen) Energien.

1 Anhang fehlt

2 Quelle: Herder Lexikon. Freiburg. 1991. S. 28

3Quelle: Hadamovsky u. Jonas. Solarstrom – Solarwärme. Würzburg. 1996. S. 35

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4 bestimmt I sc

5 Zunahme Strahlungsintensität = schwache Zunahme V oc u. starke Zunahme I sc à Leistungsanstieg der gesamten

Zelle

6 die metallische Kontaktierung ist bei Silizium logischerweise Silizium!

7 SiO 2 = reiner Quarz

8 SiHCL 3 = Trichlorsilan

9 Querschnitt von 430 * 430 mm

10 die Kristallisationsgeschwindigkeit beträgt hierbei 0,5 kg/min

11 Quelle: Hadamovsky u. Jonas. Solarstrom – Solarwärme. Würzburg.1996. S. 38

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