Sie befinden sich hier:

Solarstrom

Fotovoltaik: Grundlagen

Der BUND informiert über die Technik der Solarzellen


Vom Sand zum Silizium


Das Ausgangsmaterial für Silizium-Solarmodule ist Quarzsand mit der chemischen Formel SiO2. Durch Re-duktion mit Kohlenstoff wird das Silizium gewonnen. Danach hat es einen Reinheitsgrad von ca. 98 %. Um hochreines Silizium zu erhalten, müssen noch geringfü-gige Beimischungen entfernt werden. Das Endprodukt ist granulatartiges, hochreines Silizium (mit einem Rein-heitsgrad von nahezu 100 %).

Das hochreine Silizium, das für die Herstellung von Wa-fern Verwendung findet, wird als Abfall von der Elektro-nikindustrie aufgekauft. Durch den Boom auf dem Com-putersektor ist hochreines Silizium in den letzten Jahren auf dem Weltmarkt recht knapp. Als Wafer bezeichnet man die reine Siliziumscheibe vor der Weiterverarbei-tung zur Solarzelle. Die Wafer unterteilen sich in Pro-dukte aus monokristallinem, polykristallinem und amor-phem Silizium.

Die verschiedenen Herstellungsverfahren für diese Typen sind unterschiedlich weit entwickelt. Die fertigen Solar-zellen haben unterschiedlich hohe Wirkungsgrade. Be-merkenswert ist, dass der Wirkungsgrad mit zunehmen-der Außentemperatur sinkt. Optimal wäre also ein son-niger Wintertag.

a) monokristallines Silizium

An einem Impfkristall erstarrt eine Schmelze von Silizi-um. Es entsteht ein einziger Kristall von bis zu 30 cm Durchmesser und einer Länge von mehreren Metern. Der Kristall wird in Scheiben von etwa 0,2 mm Dicke ge-schnitten. Dabei geht ein großer Teil des Materials als Sägeschnitt verloren, was teilweise die hohen Kosten erklärt. Der Wirkungsgrad monokristalliner Zellen liegt bei etwa 20 – 22 %.
 
b) polykristallines Silizium

Silizium erstarrt in einem Behälter. Aus dabei entste-henden Blöcken werden die dünnen Wafer geschnitten. Dieses Verfahren ist kostengünstiger und schneller. Da-für haben die polykristallinen Zellen aber auch einen etwas geringeren Wirkungsgrad (15 – 20 %).

c) amorphes Silizium

Die Solarzellen aus amorphem Silizium sind sogenannte Dünnschicht-Zellen. Hierbei wird das Silizium auf eine Trägerschicht aufgedampft. Sie bietet viele Möglichkei-ten, da der Materialverbrauch sehr gering ist. Die Silizi-umschicht hat nur eine Dicke von unter einem Mikrome-ter (0,001 mm), was eine Kostenreduzierung bedeutet. Der Nachteil amorpher Zellen besteht in einem wesent-lich geringeren Wirkungsgrad (7-8%) und in einem Nachlassen des Wirkungsgrades mit der Zeit.

Neben Silizium eignen sich auch andere Materialien für Dünnschicht-Zellen:
Cadmiumtellurid, Galliumarsenid, Kupfer-Indium-(Gallium)-selenid (CIS, CIGS).

Vom Wafer zur Solarzelle - Funktion

Als Solarzelle bezeichnet man den phosphordotierten, mit Metallkontakten versehenen Wafer. Auch die Antire-flexionsschicht ist schon aufgebracht. Die Siliziumschei-be wird dazu mit Bor-Atomen gezielt verunreinigt (do-tiert). Auf der Oberseite wird eine weitere Dotierung mit Phosphor-Atomen vorgenommen. Dadurch entstehen zwei Schichten, die p-Halbleiter- und die n-Halbleiterschicht. Silizium ist vierwertig, hat in seinem Atom also vier Elektronen auf der äußersten „Schale“. Phosphor ist fünf- und Bor dreiwertig. Wird nun ein Phosphoratom in ein bor-dotiertes Siliziumkristall ein-gebunden, so bleibt ein Elektron ,,übrig“, das sich frei in der Siliziumscheibe bewegt. Es sei denn, es trifft auf sein Gegenstück, ein Atom mit einem Elektron zu wenig. Das Bor ist genau dieses Gegenstück.

Im Innern der Siliziumscheibe entsteht durch die unter-schiedlichen Verunreinigungen ein elektrisches Feld, der pn-Übergang. Trifft nun Licht auf die Solarzelle, so gera-ten die Phosphor- und Bor-Atome in einen angeregten Zustand. Zur Freisetzung von Elektronen wird eine be-stimmte Menge Energie benötigt. Diese liefert das Licht. Freie Elektronen können sich durch den Siliziumkristall bewegen. Geraten sie in die Nähe des pn-Übergangs werden sie von der darunter liegenden, nun positiv gela-denen Zone angezogen. Je mehr Licht auf die Solarzelle trifft, umso mehr Elektronen werden bewegt - umso mehr Strom fließt. Verluste entstehen beim Auftreffen von Elektronen auf „Löcher“ an Boratomen.

Besteht eine elektrische Verbindung zur Unterseite der Zelle über einen äußeren Stromkreis, so können die Elektronen über die aufgebrachten Metallkontakte ab-fließen. Die Spannung, die dabei entsteht, beträgt bei einer Siliziumzelle etwa 0,6 Volt.
Jedes Elektron strebt den stabilen Zustand an, d. h. es wandert an seinen Ausgangspunkt zurück. Dies ge-schieht über die an Ober- und Unterseite angebrachten, elektrisch verbundenen Metallkontakte. An dieser Ver-bindung zwischen den Zellschichten kann der Strom nun durch einen Verbraucher (z.B. eine Lampe) geleitet wer-den.

Module und komplette Anlagen

In der Praxis werden mehrere Solarzellen zu Modulen zusammengeschaltet. Ein solches „Panel“ gibt es in un-terschiedlichen Größen und Leistungen.

Um die Spannung der einzelnen Solarzelle (ca. 0,6 Volt) zu erhöhen, werden mehrere Solarzellen in Reihe ge-schaltet (Serienschaltung). Dabei bleibt die Stromstärke konstant. Ist die Spannung ausreichend, werden weitere Solarzellen in Parallelschaltung angeschlossen. Dadurch erhöht sich die Stromstärke, die Spannung bleibt gleich.

Die Leistung erhöht sich natürlich in beiden Fällen. Hier-bei bestimmt die Solarzelle, die der geringsten Lichtin-tensität ausgesetzt ist, den Stromfluss und damit die Leistung des gesamten Moduls bzw. mehrerer zusam-mengeschalteter Module. Schon kleine Schatten, z. B. von Antennen oder Schornsteinen führen daher zu deut-lichen Ertragseinbußen.

Für Komplettanlagen werden mehrere Module oder Pa-nels zusammengeschaltet. So erreicht man größere Leis-tungen. Da Solarzellen ihre volle Leistung nur bei Son-nenschein und optimaler Ausrichtung erreichen, ver-wendet man statt der üblichen Angabe in Kilowatt (kW) die Bezeichnung Kilowatt „peak“ (kWp). Dies bedeutet Spitzenleistung unter standardisierten Bedingungen.
 
Mit einer heute für Einfamilienhäuser denkbaren Leis-tung von fünf kWp können pro Jahr in Deutschland ca. 4.500 kWh Strom erzeugt werden (900 kWh/kWp). Pro Kilowatt peak sind ca. 8 m2 Dachfläche notwendig. Diese müssen nicht unbedingt zusammenhängend sein. Bei einem Vierpersonenhaushalt kann so der gesamte Stromverbrauch bilanziell umweltfreundlich erzeugt werden.

Wichtig ist, dass die Dachfläche möglichst nach Süden ausgerichtet ist. Abweichungen bis 45° sind tolerierbar. Die Dachneigung sollte 20 bis 45° betragen. Solarmodule können auf praktisch allen Dachflächen montiert werden.

Die Preise für Fotovoltaikanlagen sind in den letzten Jahren sehr stark gesunken. Wer einen guten Teil des selbst produzierten Stromes vor Ort selbst verbraucht, kann auch ohne EEG-Vergütung kostendeckend arbeiten.

Stand: 10/2016

Herausgeber:
Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland (BUND)
Landesverband Rheinland-Pfalz e.V.
Hindenburgplatz 3
55118 Mainz
Tel.: 06131 62706-0
Fax.: 06131 62706-66
e-mail: info@bund-rlp.de
www.bund-rlp.de

Download

   

Das Faltblatt im Originalformat als PDF downloaden




 

 



Weitere Tipps und Tricks zum effizienten Energiesparen finden Sie in unserer Strompsarsektion der Ökotipps

Ihre Spende hilft.

Suche

Metanavigation: