Solarzellen

Solarzellen – Definition und verschiedene Typen

Inhalt des Wiki-Artikels

• Übersicht über die verschiedenen Solarzellen-Typen
• Aufbau und Funktion von organischen Solarzellen

Solarzellen dienen dazu, die Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie umzuwandeln. Sie werden zu Modulen beziehungsweise Panels zusammengefügt und in Photovoltaikanlagen eingebracht. Der Aufbau der Solarzellen unterscheidet sich, da es verschiedene Typen gibt. In ihrer Funktion sind Solarzellen sich ähnlich. Sie bestehen aus Materialien, die Photonen absorbieren, dabei bilden sich positive und negative elektrische Ladungsträger, die sich frei innerhalb der Solarzellen bewegen können. Die Energie der Photonen geht großteils auf diese Ladungsträger über, die nach ihrer Ladung getrennt zu den äußeren Elektroden in photovoltaischen Energiekonvertern wandern und diese elektrisch aufladen. Zwischen den Elektroden einer Solarzelle entsteht auf diese Weise eine elektrische Spannung, mittels der die Ladungsträger elektrische Energie in einem externen Stromkreis erzeugen können. Dieser Strom ist umgewandelte Solarenergie. Damit die Funktion einer Solarzelle effizient ist, sind drei wichtige Punkte zu beachten. Erstens muss eine Rekombination der positiv und negativ geladenen Ladungsträger vermieden werden, deshalb müssen diese möglichst schnell zu den Elektroden transportiert werden. Im Rahmen solcher Rekombinationsprozesse wird die Energie nämlich in Wärme, die nicht gewünscht ist, umgewandelt. Zweitens müssen die Energiekonverter der Solarzellen das breit gefächerte solare Spektrum wirksam umsetzen. Drittens ist es von Bedeutung, dass diese Energiekonverter wirtschaftlich sind, die Kosten bei der Herstellung dürfen einen gewissen Wert nicht überschreiten. Dies ist bei der Photovoltaik deshalb besonders wichtig, weil es sich um eine großflächige Technologie handelt. In Photovoltaikanlagen wird eine große Anzahl an Solarzellen zu Modulen vereint, um die Effizienz zu steigern. Die Produktion von Solarmodulen ist weltweit gestiegen, von etwa 35 Megawatt im Jahr 1999 auf über 50 Gigawatt 2015. Spitzenreiter in der Installation von Photovoltaik nach Leistung ist bislang China, dicht gefolgt von Deutschland und Japan.¹

Übersicht über die verschiedenen Solarzellen-Typen

Der Aufbau von Solarzellen wird beständig weiterentwickelt. Dadurch steigen die Wirkungsgrade der Solarzellen an und ihre Leistung steigert sich. Bislang ist Silizium das bedeutendste Material in der Herstellung von Solarzellen, doch auch andere Halbleitermaterialien sowie Kombinationen sind geeignet. In der Erprobung befinden sich anorganische Stoffe wie Galliumarsenid, Cadmiumtellurid, Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid sowie Perowskite und organische Verbindungen. Durch diese Vielfalt ergeben sich Möglichkeiten wie flexible Folien oder photovoltaische Fenster, die zur Stromerzeugung genutzt werden können. Kristalline Siliziumsolarzellen bestimmen bislang den Markt. Silizium ist ein Material, das häufig in der Natur vorkommt, es ist weltweit verfügbar und recht günstig. Für Solarzellen genutztes Silizium gibt es in verschiedenen Qualitäten, dies beeinflusst den Wirkungsgrad. Besonders hochwertig ist monokristallines Silizium, das in einem aus Solarzellen zusammengesetzten Modul einen Wirkungsgrad von knapp 23 Prozent erzielt. Günstiger herzustellen sind Solarzellen mit polykristallinen Silizium, der Wirkungsgrad ist mit circa 18,5 Prozent im Solarmodul nur geringfügig kleiner. Kostensenkend wirkt sich nicht nur die Massenfertigung von Solarpanels aus, sondern auch die Tatsache, dass der Materialeinsatz beständig reduziert werden konnte, ohne Leistungseinbußen in Kauf zu nehmen. Im Jahr 1990 maß die Siliziumschicht einer Solarzelle noch 400 Mikrometer, 2004 noch 300 Mikrometer, 2016 war deren Dicke bereits auf 180 Mikrometer reduziert worden. Theoretisch kann mit Solarzellen aus Silizium ein Wirkungsgrad von bis zu 29 Prozent erzielt werden, langwellige Photonen kann dieses Material nämlich nicht absorbieren. Sogenannte Dünnschichtsolarzellen zeichnen sich dadurch aus, dass die photovoltaisch aktiven Schichten nur wenige Mikrometer dick sind. Im Gegensatz zu Solarzellen aus kristallinem Silizium lassen sich diese dank ihrer Flexibilität sogar auf Glas, Kunststoff beziehungsweise Metall auftragen und eröffnen damit ganz neue Möglichkeiten bei der Stromerzeugung mittels Photovoltaik. Für Dünnschichtsolarzellen werden vor allem die Halbleitermaterialien Cadmiumtellurid und Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid genutzt, ihr Wirkungsgrad liegt teils bei über 20 Prozent. Vorteilhaft gegenüber Solarzellen aus Silizium ist, dass sich der Stromgewinn bei hohen Temperaturen nicht verringert und sie auch diffuses Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln können. Konzentratorzellen bestehen aus mehrstufigen Solarzellen mit vorgesetzten Linsen, welche die Intensität des Sonnenlichts verstärken. Zwei bis vier Solarzellen mit Halbleitern wie Galliumarsenid und Galliumindiumphosphid werden übereinander gestapelt, um ein möglichst großes Spektrum des Sonnenlichts für die Erzeugung von Strom zu nutzen, jede Solarzelle im Stapel deckt einen anderen Bereich ab. Mit Konzentratorzellen wurden bislang die höchsten Wirkungsgrade erzielt, nämlich bis zu 46 Prozent. Allerdings sind sie in der Herstellung sehr teuer, so dass sich die Massenfertigung kaum lohnt, sie sind eher für Nischen wie die Stromversorgung von Satelliten praktikabel. Solarzellen aus Perowskiten erweisen sich dagegen als vielversprechend für den Markt. Für Solarzellen werden Perowskitkristalle aus Methylammoniumbleiiodid oder anderen Bleihaliden genutzt. Perowskite können als Dünnschichtsolarzellen realisiert werden, Wirkungsgrade von über 20 Prozent wurden bereits erreicht. ²

Aufbau und Funktion von organischen Solarzellen

Organische Solarzellen basieren in ihrem Aufbau nicht auf Halbleitermaterialien oder Kristallen, sondern auf Kohlenwasserstoffverbindungen. Sie befinden sich noch in der Entwicklung, haben jedoch ein großes Potenzial, da sie zum Beispiel in Kleidung und Fensterscheiben integriert werden könnten. Die photovoltaisch aktiven Lagen von organischen Solarzellen können außerdem sehr dünn auf flexible Kunststofffolien aufgetragen werden. Der Aufbau dieser Solarzellen erfolgt über leitfähige Molekülketten und kleine Moleküle wie Kupfer-Phthalocyanin. Zumeist dient eine Schicht als Akzeptor, sie nimmt Elektronen auf, und eine weitere Schicht als Donator, sie setzt Elektronen frei. Fällt Sonnenlicht auf die organischen Solarzellen, bilden sich an der Grenzschicht positive und negative Ladungsträger. Diese Solarzellen profitieren in ihrer Funktion als Stromerzeuger von der Entwicklung organischer Leuchtdioden, da ähnliche Halbleitersubstanzen genutzt werden. Organische Solarzellen haben Wirkungsgrade von über zehn Prozent bereits erreicht, weitere Steigerungen werden erwartet. ³