Die direkte Erzeugung von
Strom aus Sonnenlicht wird als Photovoltaik (PV) bezeichnet. Der Photoeffekt
ist das Grundprinzip für die photovoltaische Stromerzeugung. Die Photonen des
Sonnenlichts sorgen für die Übertragung von Energie auf in Materie gebundene
Elektronen. In speziell fabrizierten Halbleitermaterialien wird so ein
Spannungspotenzial erzeugt, das über einen Stromkreis genutzt werden kann (s.
folgende Abbildung,).
Abbildung:Funktionsweise
einer kristallinen Solarzelle, Quelle: ina Planungsgesellschaft mbH; Hegger,
Fuchs, Stark, Zeumer, Energie Atlas, München, 2007, S. 138, B 4.108
Solarzellen werden in verschiedene Kategorien eingeteilt. Hierbei wird nach ihrer Struktur sowie den verwendeten Basismaterialien differenziert. Nach der Struktur wird zwischen kristallinen (mono- und polykristallin), Dünnschicht und organischen Solarzellen unterschieden. Als Halbleitermaterialien werden Silizium-, Kupfer-Indium-Selen- und Cadmium-Tellurid-Solarzellen verwendet.
Polykristallines Silizium: kostengünstigere Alternative zu monokristallinem Silizium
Amorphes Silizium (a-Si): Dünnschichtmodule, ist flexibler
Um der Solarzelle Strom entnehmen zu können, müssen auf Vorder- und Rückseite metallische Kontakte aufgebracht werden. Auf der Rückseite ist das Aufbringen einer ganzflächigen Kontaktschicht möglich. Die Vorderseite hingegen muss möglichst gut lichtdurchlässig sein. Deshalb werden hier die Kontakte meist in Form eines dünnen Gitters oder einer Baumstruktur aufgebracht. Eine durchsichtige Antireflexschicht bewirkt eine Verminderung von Reflexionsverlusten an der Zelloberfläche.
Die vordere Halbleiterschicht ist negativ geladen (n-dotiert), die hintere positiv (p-dotiert). Wenn Photonen aus der Sonnenstrahlung auf die Halbleiterschicht treffen, lösen sich daraus Elektronen und beginnen sich zu bewegen: Die negativ geladenen Elektronen wandern zur Vorderseite der n-dotierten Schicht. Sie hinterlassen in der Halbleiterschicht positiv geladene Löcher, die sich ihrerseits zur p-dotierten Schicht bewegen. Durch die Bewegung entsteht in der Übergangsschicht zwischen den zwei Halbleitern eine elektrische Spannung, die über Metallschichten abgeleitet und von einem Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt wird.
Die verschiedenen Arten von Solarzellen lassen sich in drei Zelltypen einteilen:
1. Dickschichttechnologie: Poly- und monokristalline Siliziumzellen
Die bekannteste und am häufigsten eingesetzte Form der Solarzelle sind poly- und monokristalline Zellen, die aus Silizium in verschiedenen Verfahren mittels sogenannter Wafer hergestellt werden. Dies führt zu dem unterschiedlichen Erscheinungsbild der Zellen. Die energetische Amortisationszeit bei monokristallinen und polykristallinen Zellen liegt unter 2 Jahren (Einflussfaktoren: Wirkungsgrad, Aufstellort, solare Globalstrahlung, Energie für die Herstellung).
Sowohl bei polykristallinen als auch bei monokristallinen Siliziumzellen bewirkt die Antireflexschicht jeweils eine Veränderung in der Zellfärbung. Durch Variation der Schichtdicke der Antireflexschicht lassen sich bestimmte Farbtöne erzielen. Herstellbar sind derzeit die Farben Grün, Gold, Braun und Violett.
Die schimmernde Färbung der polykristallinen Zellen verleiht Gebäuden einen innovativen Charakter. Ihre Farbe ist blau (mit Antireflexschicht) bzw. silbergrau (ohne Antireflexschicht). Die Struktur von monokristallinen Solarzellen ist homogen, ihre Farbe ist dunkelblau bis schwarz (mit Antireflexschicht) bzw. dunkelgrau (ohne Antireflexschicht). Durch ihre matte Farbe zeigen sie ein elegantes, sachliches Erscheinungsbild.
Darüber hinaus werden Module mit verschiedenen Transparenzgraden angeboten, welche als Verschattungselemente dienen können. Bedruckungen der Module für z.B. Werbeslogans sind zudem möglich. Jedoch muss an dieser Stelle bedacht werden, dass Farbigkeit und Transparenz auch immer eine Senkung des Modulwirkungsgrads und somit der Effizienz zur Folge hat.
Abbildung: Modul aus amorphem Silizium, Quelle: https://solarwissen.selfmade-energy.com/amorphes-silizium-was-ist-das/
2. Dünnschichttechnologie
Mit der Dünnschichttechnologie sollen der Materialverbrauch und die Kosten der Solartechnologie gesenkt und zudem eine neue Gestaltungs- und Anwendungsmöglichkeit genutzt werden. Dünnschichtzellen werden aus verschiedenen Materialien hergestellt.
Um die hohen Materialverluste bei der traditionellen Herstellung von kristallinen Siliziumwafern zu reduzieren, werden in einem Bandziehverfahren ca. 0,001 mm dicke Siliziumbänder produziert.
In einem anderen Verfahren für Dünnschichtzellen aus kristallinem Silizium, z.B. mikrokristallinem Silizium, wird nach einer Wärmebehandlung eine dünne Siliziumschicht direkt auf einen Glasträger aufgebracht. Diese Technik nennt man CSG (Crystalline Silicon on Glass).
Bei amorphen Siliziumzellen wird gestaltloses (amorphes), geschmolzenes Silizium ebenfalls direkt auf eine Trägerschicht (meistens Glas) aufgebracht. Die Struktur dieser Zellen ist homogen, die Farbe rötlichbraun bis schwarz. Die Zellform ist frei wählbar. Flexible Solarzellen auf Metall- oder Kunststofffolien sind möglich.
Die energetische Amortisationszeit von amorphen Siliziumzellen liegt bei etwas über einem Jahr. Ihr Modul-Wirkungsgrad liegt jedoch im Durchschnitt nur bei 6-10% %.
Eine Alternative sind Zellen aus Kupfer-Indium-Selenid, die sogenannten CIS-Zellen. Diese weisen Modul-Wirkungsgrade von bis zu 17 % auf. Die Struktur ist homogen, die Farbe schwarz.
Abbildung: Fassadenintegrierte Dünnschichtmodule am ift Rosenheim, Quelle: http://www.ikz-energy.de
Abbildung: assade mit CIS-Modulen, Quelle: https://www.solarserver.de/2020/11/11/photovoltaik-solarfassadenmodule-von-avancis-fuer-holz-hybrid-neubau-in-tuebingen/
Daneben sind noch Cadmiumtellurid-Zellen (CdTe-Zellen) auf dem Markt. Das Material ist preiswerter als Silicium, besonders als Dünnschichtsolarzelle, aber nicht so leistungsfähig. Da sie giftige Schwermetalle enthalten ist deren Einsatz nicht zu empfehlen.
3. Dünnschichttechnologie und Konzentratorlinsen
Die dritte Typologie von Solarzellen kombiniert die Vorteile der Dünnschichttechnik (Materialersparnis, Mehrschichtigkeit = breiteres Absorptionsspektrum) mit Konzentratorlinsen (s. folgende Abbildung, links). Mit der Bündelung der einfallenden Sonnenstrahlen auf eine kleinere Mehrschicht-Zelle (Tandem/Tripel) wird ein sehr hoher Wirkungsgrad von bis zu 40 % erreicht. Es werden weniger, aber leistungsfähigere Zellen benötigt. Diese müssen stark gekühlt und dem Sonnenstand nachgeführt werden. Eine Studie hinsichtlich der Lebenszeit dieser Konzentratorzellen liegt noch nicht vor.
