Wie funktioniert Photovoltaik

Aufbau einer Photovoltaikanlage

Eine Photovoltaikanlage besteht im Wesentlichen aus mehreren Solarmodulen die mit einem oder mehreren Wechselrichtern elektrisch verschaltet sind. Die Photovoltaikmodule werden mit Hilfe einer Unterkonstruktion stabil auf der Dachfläche befestigt und mittels Steckverbindungen elektrisch miteinander verschaltet. Durch den von Albert Einstein entdeckten photovoltaischen Effekt wandeln die Module Sonnenenergie in Gleichstrom um. Der Gleichstrom wird über langlebige und UV- beständige Solarkabel gebündelt und zum Wechselrichter geleitet. Aufgabe des Wechselrichters ist es, den ankommenden Gleichstrom in netzkonformen Wechselstrom (230 Volt, 50 Hertz) umzuwandeln und in das öffentliche Stromnetz einzuspeisen. Der nachfolgende Stromzähler dokumentiert die eingespeiste Strommenge und dient somit als Grundlage für die Vergütung vom Netzbetreiber.

Der photovoltaische Effekt

Photovoltaik ist die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom. Die Grundlage für diesen physikalischen Prozess wird photovoltaischer Effekt genannt. Hierbei werden Elektronen aus einem Halbleitermaterial durch Photonen aus dem Sonnenlicht angeregt und in ein höheres Energieniveau gehoben. Diese nun beweglichen Elektronen können durch Anlegen eines elektrischen Feldes in eine bestimmte Flussrichtung gelenkt werden. Es fließt Strom.

Von der Zelle zum Modul

Ein Solarmodul ist aus vielen kleinen Solarzellen aufgebaut. Jede einzelne Solarzelle produziert bereits im Sonnenlicht Strom. Die Einzelzellen sind im Modul elektrisch miteinander verschaltet. Zellen die in Reihe geschaltet sind erhöhen dabei die Spannung [V] des "Zellverbundes", parallel verschaltete Zellen erhöhen die Stromstärke [A]. Um die Zellen vor Nässe und Witterungseinflüssen zu schützen ist der verschaltete Zellverbund in einem transparenten Kunststoffmantel (meist EVA: Ethyl-Vinyl-Acetat) eingebettet.
Der Zellverbund im Kunststoffmantel wird Laminat genannt. Die Unterseite des Laminats wird meist durch eine Rückseitenfolie (i.d.R. Tedlar), bei einigen Modulen auch durch ein Rückseitenglas, geschützt. Die Vorderseite des Laminats wird mit einem speziellen Solarglas versehen. Das Solarglas hat neben dem Schutz des Zellverbundes die Aufgabe, die Sonnenstrahlen mit möglichst geringer Reflektion zu den Zellen zu leiten. In der Regel wird der Verbund aus Solarglas, Laminat und Rückseitenschutz durch einen stabilen Aluminiumrahmen versteift. Auf der Modulrückseite befindet sich die Anschlussbox ("junction box") aus Kunststoff oder Aluminium. Darin sind der Kabelanschluss und die Bypass-Dioden untergebracht. Aufgabe der Bypass-Dioden ist es u.a., den fließenden Strom an verschatteten Solarzellen vorbei zu führen. Ohne Bypass-Dioden würden sich verschattete Zellen durch den Stromfluss stark erwärmen (Hot-Spot), sie würden also Strom verbrauchen und nicht produzieren.

Zell- und Modularten

Es gibt über 3000 unterschiedliche Module von über 300 verschiedenen Herstellern auf dem Photovoltaikmarkt. Diese Vielzahl lässt sich auf unterschiedlichste Herstellungstechnologien und -verfahren zurückführen. Einteilen lassen sich Solarmodule in drei Gruppen von Solarzelltechnologien:

• Kristalline Zellen
  • Monokristalline Zellen
  • Polykristalline Zellen
• Dünnschicht-Zellen (z.B. amorphe, mikrokristalline, CdTe- und CIS-Module)
• Nanostrukturierte Zellen (im Entwicklungsstadium)

Die Zellarten unterscheiden sich in Ihrer Struktur und Ihrem Aufbau, jedoch bestehen alle Zellarten aus Halbleitermaterialien die den photovoltaischen Effekt ermöglichen. Kristalline Module (mono- und polykristallin) bestehen aus ca. 200 Mikrometer dicken Wafern (Einzelzelle) die zu einem Zellverbund verlötet werden, Dünnschicht-Zellen hingegen werden nur einige Mikrometer dick auf eine Glasplatte aufgedampft. Die Gruppe der nanostrukturierten Zellen soll hier nur der vollständigkeitshalber erwähnt werden. Diese im Entwicklungsstadium befindenden Zellen bestehen aus vielen nanometerkleinen Zellen die ebenfalls zu Modulen verschaltet werden.

Kristalline Zellen (mono- und polykristallin)

Als wichtigstes Material für kristalline Solarzellen wird Silizium verwendet. Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element auf der Erde. Silizium kommt aber nicht in Reinform vor sondern muss durch thermische und chemische Verfahren aus Quarz oder Sand herausgelöst werden. Es gibt verschiedene Verfahren (Siemens-Verfahren, Wirbelschichtverfahren, Vapor to Liquid Deposition, etc.) zur Herstellung von hochreinem Silizium, welches i.d.R. als Siliziumgranulat nach den Reinigungsschritten vorliegt und das Ausgangsmaterial für mono- und polykristalline Solarzellen bildet.

Monokristalline Siliziumzellen

Monokristallines Silizium wird i.d.R. mit dem Czochralski-Prozess (Tiegelziehprozess) hergestellt. Hierbei wird das Siliziumgranulat bei ca. 1420 °C aufgeschmolzen und mit Hilfe eines eingebrachten Kristallkeims in langsamen Drehbewegungen nach oben herausgezogen. Das geschmolzene Silizium lagert sich an dem Kristallkeim an und erstarrt mit der gleichen Orientierungsrichtung im Kristallgitter – es entsteht ein Einkristall. Dieser gezogene Monokristall kann einen Durchmesser von ca. 30 cm und eine Länge von mehreren Metern erreichen. Die zylindrischen Einkristalle werden seitlich abgefasst und mit einer Drahtsäge in ca. 0,2 mm dünne Wafer-Scheiben geschnitten. Das beim Abfassen und Sägen anfallende Restsilizium kann bei einer neuen Schmelze widerverwendet werden.

Der aus einem Siliziumkristall geschnittene Wafer ist der eigentliche Halbleiter. Trifft Sonnenlicht auf den Wafer werden einzelne Elektronen angeregt und in ein höheres Energieniveau gehievt wodurch sich diese Elektronen frei im Halbleitermaterial bewegen können. Jedoch benötigen die Elektronen eine bestimmte Flussrichtung. Diese wird durch Anlegen eines elektrischen Feldes vorgegeben. Das elektrische Feld wiederum wird durch "Dotierung" der beiden Oberflächen des Wafers erzeugt. Im Schritt der Dotierung werden Fremdatome (Phosphor und Bor) in die äußere Schicht des Wafers eingebracht. Im Vergleich zu einem Siliziumatom hat Phosphor ein Elektron mehr und Bor ein Elektron weniger. Werden die beiden Wafer-Oberflächen mit Phosphor (negativ) und Bor (positiv) dotiert entsteht ein elektrisches Feld (Elektronenmangel und Elektronenüberschuss) welches die Flussrichtung der Elektronen vorgibt. Letzte Schritte der Herstellung einer monokristallinen Solarzelle sind das Aufbringen einer Antireflexschicht (AR) sowie das Aufdrucken der Stromleiterbahnen auf den beiden Oberflächen des Wafers im Siebdruckverfahren.

Monokristalline Solarzellen haben einen Wirkungsgrad von 15 – 18,8 %, eine Dicke von 0,14 bis 0,3 mm und Abmessungen von 100 x 100 (4 Zoll), 125 x 125 (5 Zoll) oder 150 x 150 (6 Zoll) mm. Die Zellen liefern je nach Größe und Fertigungstechnologie ca. 0,6 Volt Spannung (Leerlaufspannung) und einen Strom von 3 bis 16 Ampere (Kurzschlussstrom). Farblich erkennbar sind monokristalline Zellen an einer homogenen blauen bis blau-schwarzen Oberfläche.

Polykristalline Siliziumzellen

Bei der Herstellung polykristalliner Solarzellen wird das Siliziumgranulat aufgeschmolzen und in eine Quaderform gegossen. In der sich langsam erstarrenden Schmelze bilden sich viele (möglichst große) Siliziumkristalle. Die Korngrenzen zwischen den Kristallen können als Kristalldefekte gewertet werden die den Wirkungsgrad von polykristallinen Zellen beeinträchtigen.

Die abgekühlten Siliziumblöcke (Ingots) werden zuerst in Stangen und diese wiederum in ca. 0,2 mm dünne Wafer- Scheiben gesägt. Die Dotierung und Kontaktierung polykristalliner Siliziumzellen erfolgt wie bei der Herstellung von monokristallinen Zellen.

Polykristalline Solarzellen haben einen Wirkungsgrad von ca. 13 – 17 % und eine Dicke von 0,16 bis 0,24 mm. Die Abmessungen und elektrischen Kennwerte sind analog zu den monokristallinen Zellen. Polykristalline Zellen haben i.d.R. eine bläuliche Färbung in der sich die einzelnen Kristalle durch unterschiedliche Reflexion des Sonnenlichtes erkennen lassen.

Dünnschicht-Zellen

Um den Material- und Energieverbrauch bei der Herstellung von Solarzellen zu reduzieren wird seit den 90er Jahren verstärkt im Bereich der Dünnschichttechnologie geforscht. Mittlerweile haben sich Dünnschicht- Zellen mit verschiedenen Halbleitermaterialien (z.B. amorphes Silizium ASi, Kupfer-Indium-Diselenid CIS, Cadmium-Tellurid CdTe) auf dem Photovoltaikmarkt etabliert.

Bei der Herstellung von Dünnschicht- Zellen werden die Materialien für den Halbleiter und die elektrischen Kontakte in mehreren Schichten auf eine Glasplatte aufgedampft. Im ersten Schritt wird eine hochtransparente leitende Schicht (Frontseitenkontakt) auf die Glasscheibe aufgedampft. In dem anschließenden Strukturierungsschritt wird die Schicht mittels Lasertechnik in ca. 0,5 mm dicke Streifen unterteilt. Anschließend werden die einzelnen Halbleiterschichten in mehreren Schritten aufgedampft und ebenfalls mit einem Laser in Streifen unterteilt (strukturiert). Darauf wird flächig der Rückseitenkontakt aufgebracht. Im letzten Strukturierungsschritt wird der Rückseitenkontakt in Streifen geschnitten wodurch die interne Zellverschaltung fertig gestellt wird. Die gesamte Schicht aus Halbleitermaterial und elektrischen Kontakten beträgt nur 0,001 mm.

Dünnschichtzellen erreichen je nach Halbleitermaterial unterschiedliche Wirkungsgrade, die generell geringer sind als die Wirkungsgrade von kristallinen Zellen.

• Wirkungsgrad von amorphen Siliziumzellen: 5 bis 7 %
• Wirkungsgrad von mikromorphen Siliziumzellen (Tandemzellen aus mikrokristallinen und amorphen Zellen): 7 bis 12 %
• Wirkungsgrad von CIS-Zellen: 7 bis 12 %

Optisch lassen sich Dünnschichtzellen an ihrer homogenen und gleichfarbigen Oberfläche mit feinen Streifen erkennen.