06_Welche Arten von Solarzellen gibt es?

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Welche Arten von Solarzellen gibt es?

Die Nutzung der Photovoltaik wurde technologisch erst dann richtig interessant, als in der Mitte des 20. Jahrhunderts Silizium als Material für die Solarzellen entdeckt wurde. Silizium ist ein natürlicher Rohstoff, der z. B. in Form von Quarzsand vorkommt.

Für die meisten Solarzellen wird Silizium verwendet, und zwar hochreines Silizium, das in der Natur so gar nicht vorkommt. Es muss also von anderen Elementen gereinigt werden, was den teuersten Bestandteil der Herstellung ausmacht. Danach werden die Siliziumkristalle „dotiert“, was bedeutet, dass Fremdatome eingebracht werden, um dem Silizium die Halbleitereigenschaften zu geben, die für den Photovoltaischen Effekt notwendig sind.

Derzeit können folgende Arten von Solarzellen unterschieden werden:

1. Kristalline Siliziumzellen: Das sind sozusagen die „Klassiker“ unter den Solarzellen, die auch am meisten verwendet werden. Sie werden erzeugt, indem Siliziumkristall-Blöcke in sehr dünne Scheiben (die „Wafer“, circa 0,3 mm dick) gesägt werden.

Dabei entsteht relativ viel Verschnitt. Alternative Herstellungsweisen für kristalline Solarzellen sind das sogenannte EFG-Verfahren (Edge-defined Film-fed Growth) oder das String-Ribbon-Verfahren, bei denen durch eine Siliziumschmelze Fäden (Strings) bzw. Formteile gezogen werden, zwischen denen dann das Silizium in der gewünschten Form erstarrt.

Es gibt monokristalline und multi-/polykristalline Siliziumzellen. Die monokristallinen sind teurer in der Herstellung, erzielen aber auch höhere Wirkungsgrade (bis zu 20 %, im Vergleich zu multikristallinen, die etwa 16 % Wirkungsgrad aufweisen).

Abbildung 6: Monokristalline (links) und polykristalline (rechts) Solarzelle (Quelle: Fa. Ertex Solar)

2. Dünnschichtzellen: Der Unterschied zu den kristallinen Solarzellen ist, dass hier das Halbleitermaterial in einer oder mehreren sehr dünnen Schichten direkt auf ein sogenanntes „Substrat“ (z. B. Glas, Kunststoff oder Metall) aufgebracht wird. Dadurch entstehen viele neue Anwendungsmöglichkeiten für Photovoltaik (z. B. Dachelemente aus Metall, Fassadenelemente aus Glas).

Auch flexible Solarzellen können erzeugt werden, indem ein biegsames Substrat verwendet wird (z. B. Kunststoff oder auch Textilien für Kleidung oder Ähnliches). Als Halbleitermaterial wird sogenanntes amorphes Silizium (aSi) verwendet oder Cadmiumtellurid (CdTe) sowie Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) oder Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS). Silizium ist aber im Gegensatz zu den anderen ein Rohstoff, der nahezu unbegrenzt verfügbar ist.

Eine Möglichkeit ist auch die Kombination verschiedener Halbleiter in sogenannten Mehrschichtzellen, um mehrere unterschiedliche Wellenlängen des Sonnenlichts gleichzeitig nutzen zu können.
Durch das Produktionsverfahren wird Energie und Material eingespart (Dünnschichtzellen benötigen nur etwa ein Hundertstel des Materials von kristallinen Solarzellen). Dünnschichtzellen können auch diffuse Strahlung effizienter nutzen. Allerdings sind die Wirkungsgrade derzeit noch nicht sehr hoch (6–12 %), daher sind größere Flächen für dieselbe Leistung notwendig.

Sobald jedoch höhere Wirkungsgrade erzielt werden, könnte sich die Dünnschichttechnik gegenüber den kristallinen Solarzellen verstärkt durchsetzen.

3. Eine weitere technologische Möglichkeit zeigt sich mit der Entwicklung von Farbstoffzellen oder von organischen Halbleitern, die aus Kunststoffen auf Kohlenwasserstoff-Basis hergestellt werden. Organische Halbleiter lassen sich mit einfachen kontinuierlichen Verfahren zu großen, dünnen, semitransparenten und flexiblen Schichten verarbeiten.

Die Produktion wird im Vergleich zu Siliziumzellen kostengünstiger, da nicht mehr aufwendig gereinigte Siliziumkristalle hergestellt werden müssen.

Bei Solarzellen aus organischen Halbleitern sind Wirkungsgrade von 5-10 % realistisch. Auch mit Farbstoffzellen wurden im Labor Wirkungsgrade von bis zu 10 % erreicht. Allerdings sind diese Entwicklungen noch nicht marktreif.

Gestalten mit Solarzellen

Solarzellen sind heute bereits in verschiedenen Formen und Farben erhältlich. Damit lassen sie sich gut in die gestalterische Planung von Gebäuden (z. B. für Fassaden, Dachflächen oder Fenster) einsetzen. Für kristalline Siliziumzellen gibt es derzeit mehr Variationen als für Dünnschichtzellen, andererseits können diese auch biegsam sein, ebenso wie Zellen aus organischen Halbleitern.

Formen: Je nach Produktionsverfahren können z. B. rechteckige und quadratische, runde, drei- oder sechseckige Solarzellen hergestellt werden. Auch gewölbte Zellen sind möglich.

Farben: Kristalline Solarzellen sind standardmäßig dunkelblau bis schwarz, um möglichst viel Sonnenlicht zu absorbieren. Sie können aber auch in anderen Farben erzeugt werden, z. B. grün, violett, braun, hellblau, gold oder silber. Auch transparente bzw. halbtransparente Solarzellen werden hergestellt (z. B. mithilfe von mikroskopisch kleinen Löchern), was sich für die Verwendung in Fensterflächen anbietet. Dünnschichtzellen haben aufgrund ihrer Herstellungsweise ein gleichmäßigeres Erscheinungsbild als kristalline Solarzellen.

Abbildung 7: Halbtransparente Solarzelle (Quelle: Fa. Ertex Solar)

Abbildung 7: Halbtransparente Solarzelle (Quelle: Fa. Ertex Solar)

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