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In diesem Kapitel geben wir einen Überblick über die physikalisch-technischen Grundlagen einer Fotovoltaik-Anlage. Für umfangreichere Informationen verweisen wir auf unser Quellenverzeichnis und dort insbesondere auf ein
Online-Lernprogramm der ETH Zürich zur Fotovoltaik.

3.1 Der Aufbau einer Dünnschichtzelle

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Erläuterung der 6 verschiedenen Schichten

• 1. und 6. Schicht: Front- und Rückglas

  Die erste und die letzte Schicht sind Schutzschichten aus splitterbindendem Einscheibensicherheitsglas mit entsprechenden Eigenschaften. Sie sind aus Glas, weil sie die Lichtstrahlen durchlassen sollen.

• 2. Schicht: Transparente Elektrode

  Die zweite Schicht soll das Sonnenlicht durchlassen und gleichzeitig den elektrischen Strom gut leiten. Deshalb besteht die transparente Elektrode aus Aluminium-dotiertem Zink-Oxid.

• 3. Schicht: p-Schicht

  Die p-Schicht ist mit Bor dotiert, das heißt, dass einige Siliziumatome durch Boratome ersetzt werden. Boratome haben ein äußeres Elektron weniger als Siliziumatome. Es fehlt also im Vergleich zur abgesättigten Bindung (8-er Schale) in reinem Silizium pro Boratom jeweils ein Elektron. Dieses fehlende Elektron bezeichnet man als Loch. Die Löcher sind frei beweglich (bzw. ein Elektron springt in ein Loch und hinterlässt dort dann wieder ein Loch, usw.). Trotzdem ist die p-Schicht neutral, weil die Zahl der Elektronen und die Anzahl der Protonen im Kern ausgeglichen sind.

  Silizium mit Bor dotiert:

  

• 4. Schicht: n-Schicht

  Die n-Schicht ist mit Phosphor dotiert, das heißt, dass ein bestimmter Anteil Siliziumatome durch Phosphoratome ersetzt wird, die je ein äußeres Elektron mehr haben als ein Siliziumatom. Diese zusätzlichen Elektronen (s. o. 8-er Schale) sind im Kristall frei beweglich. Trotzdem ist die n-Schicht neutral, weil die Zahl der Elektronen durch die Anzahl der Protonen im Kern ausgeglichen wird.

Silizium mit Phosphor dotiert:



• 5. Schicht: Reflektierender Rückseitenkontakt

  Der reflektierende Rückseitenkontakt ist gut leitfähig und reflektiert das Sonnenlicht, um die Sonnenenergie in der Grenzschicht besser zu nutzen.
  
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An der Grenzschicht rekombiniert ein großer Teil der freien Elektronen aus der n-Schicht mit einem großen Teil der Löcher aus der p-Schicht. Daher ist die n-Schicht an der Grenzschicht positiv und die p-Schicht negativ geladen.

Grenzschicht:	Rekombination:
Schichten werden geladen:
	Weil die Elektronen und die Löcher an der Grenzschicht rekombinieren, gibt es keine freien Ladungsträger in der Grenzschicht! Die Grenzschicht ist ca. 1/1000 mm dick!

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Wenn jetzt Licht auf die Grenzschicht fällt, so werden "Elektronen-Loch-Paare" erzeugt, weil einige Elektronen durch die Lichtenergie auf eine nächsthöhere Energiestufe (genauer "Energieband") springen. - Die Elektronen "streben nach mehr Bewegungsfreiheit", und die erreichen sie, indem sie auf eine höhere Energiestufe springen. - Dadurch entstehen jeweils ein freibewegliches Elektron (-) und ein Loch (+).

Die negativen Ladungen (Elektronen) wandern zur positiven Seite der Grenzschicht, also zur n - Schicht.
Die positiven Ladungen (Löcher) wandern zur negativen Seite der Grenzschicht, also zur p - Schicht.
Durch den Elektronenüberschuss wird die n-Schicht negativ geladen, umgekehrt wird die p-Schicht durch den Löcherüberschuss positiv geladen!
In der Grenzschicht werden also die Ladungsträger getrennt, es entsteht eine Spannung zwischen p- und n-Gebiet. Die Spannung kann sich über der Grenzschicht nicht entladen, weil in der Grenzschicht keine freien Ladungsträger mehr vorhanden sind.

Die Elektronen wandern zum reflektierenden Rückseitenkontakt, die Löcher wandern zur transparenten Elektrode.

Wird die Strahlungsenergie stärker und die Grenzschichtfläche größer (größere Solarzelle), so werden (in jeder Sekunde) mehr "Elektronen-Loch-Paare" erzeugt, d. h. die von der Zelle produzierte Stromstärke steigt.

Es gibt verschiedene Arten von Solarzellen auf dem Markt. Diese arbeiten zwar nach dem selben Prinzip, unterscheiden sich aber in ihrer Herstellung und ihrem Wirkungsgrad.

Die monokristalline Solarzelle mit einer einheitlich grauen oder dunkelblauen Oberfläche wird aus einem einzigen reinen Siliziumkristall hergestellt. Diese einkristalline Solarzelle wird sehr langsam aus der Silizium-Schmelze herausgezogen, man züchtet einen sog. Einkristall. Mit Solarzellen aus monokristallinem Silizium werden die höchsten Wirkungsgrade erzielt. Serienmäßig gefertigte Module mit Mono-Zellen gibt es mit Wirkungsgraden bis zu 17 % zu kaufen, das bedeutet, sie wandeln 17 % der Lichtenergie, die sie erhalten, in elektrische Energie um. Aufgrund des sehr hohen Produktionsaufwandes sind monokristalline Solarzellen recht teuer.

Die Poly- oder Multi- Silizium- Solarzellen mit einer marmorierten, blauen Oberfläche werden ähnlich wie monokristalline Solarzellen als Scheiben von einem Siliziumblock gewonnen. Dieser ist allerdings kein Einkristall, sondern nur eine kontrolliert abgekühlte Siliziumschmelze mit vielen Kristalliten. Die polykristalline Solarzelle ist daher billiger in der Herstellung; der Wirkungsgrad liegt allerdings mit ca. 13-15 % etwas unter dem der monokristallinen Solarzelle.

Bei der amorphen Solarzelle (Dünnschichtzelle) wird nicht das teure kristalline Silizium eingesetzt, sondern Silizium bei ca. 200 °C mit einem speziellen Verfahren in sehr dünnen Schichten auf eine Oberfläche (z.B. Glas oder Folie) aufgedampft. Bei diesem Prozess bilden die Siliziumatome keine Kristallgitter, sondern es entsteht ein Film aus unregelmäßigem Silizium, das sogenannte "amorphe Silizium". Je nach Schichtdicke sind die Zellen leicht durchschimmernd, transparent dunkelgrau oder rötlichbraun. Diese amorphen Solarzellen haben zwar nur einen Wirkungsgrad von 6-8 %, sind aber wesentlich kostengünstiger als die anderen Zellen, da wesentlich weniger Silizium benötigt wird. Ursprünglich wurden die amorphen Solarzellen mit einem kleinen technischen Unterschied im Vergleich zu den kristallinen Solarzellen produziert. Und zwar befindet sich dabei zwischen der p-Schicht und der n-Schicht eine dritte, undotierte Schicht, die den Namen i-Schicht (i = intrinsisch = von innen her) erhielt, so dass sich der Begriff "pin-Solarzelle" für eine so gestapelte Zelle eingebürgert hat.

Leider weisen diese amorphen Solarzellen jedoch einen starken Alterungsprozess auf. Der im Labor anfänglich erreichte Wirkungsgrad von knapp 15 % sinkt auf schwache 7,5 %, bei industriell gefertigten Solarzellen liegt der Wirkungsgrad letztlich sogar nur noch bei 4-5 %. Diesem Effekt kann man jedoch entgegenwirken, indem man statt einer einzelnen pin-Struktur zwei pin-Schichten übereinanderstapelt, nach dem Prinzip, mehrere dünne Schichten – weniger Alterung. Mit dieser sogenannten pin-pin- oder Tandem-Zelle lässt sich ein stabiler Wirkungsgrad von 9 % erreichen.

Eine weitere Idee, um die Energieausbeute von amorphen Siliziumzellen zu verbessern, ist die Dreifachzelle. Sie besteht aus unterschiedlichen Schichten aus amorphem Silizium, amorphem Silizium-Germanium und mikrokristallinem Silizium. Jede Schicht absorbiert eine andere Wellenlänge, so wird das breite Spektrum des Sonnenlichts besser ausgenutzt. Es werden damit sehr gute stabile Werte von über 14 % erreicht. Bis zur industriellen Fertigung einer solchen Dreifachzelle werden aber noch einige Jahre vergehen, denn momentan ist man noch nicht in der Lage, amorphes Silizium-Germanium und mikrokristallines Silizium in ausreichender Qualität herzustellen.

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Die derzeit üblichen kristallinen Solarzellen von 100 mm x 100 mm Größe geben bei voller Sonnen-Einstrahlung eine Leistung von ca. P=1,5Watt bei einer Stromstärke von etwa I=2,5A ab. Die Spannung von Siliziumzellen ist unabhängig von ihrer Größe und liegt bei ca. U=0,6V.

Da diese Leistung für kaum mehr als einen Taschenrechner reicht, werden mehrere Solarzellen zu Solarmodulen zusammengefasst und durch eine Vorderabdeckung aus Glas, eine Rückseitenabdeckung und meistens auch durch einen Rahmen vor extremer Witterung und Beschädigung geschützt.

Möchte man eine höhere Spannung erzielen, so muss man die Zellen in einem Solarmodul in Reihe schalten. Die einzelnen Spannungen der Zellen addieren sich dann (wie bei Batterien) zu einer Gesamtspannung. Fällt hierbei jedoch eine Solarzelle aus, können die anderen Zellen auch keinen Strom mehr erzeugen, da der Stromkreis unterbrochen ist.
Wird eine höhere Stromstärke benötigt, müssen die Zellen im Solarmodul parallel geschaltet werden, so dass sich die Stromstärken addieren. Sollte dann eine Zelle nicht mehr funktionieren, arbeiten die anderen ungestört weiter.

Normalerweise ist es jedoch üblich, in den Modulen einige Solarzellen in Reihe und diese Reihen dann parallel zu schalten (siehe Zeichnung). Dies hat den Vorteil, dass man dadurch die Spannung und die Stromstärke erhöht. Sollte eine Zelle kaputt sein, fallen "nur" die Zellen in der betroffenen Reihe aus.

Um noch mehr elektrische Energie erzeugen zu können, werden mehrere Solarmodule zu Solargeneratoren (s. a. Abschnitt 6.3 Technische Daten und Funktionsweise) zusammengeschaltet. Bei der Errichtung eines solchen Generators muss darauf geachtet werden, dass alle Solarzellen gleichmäßig dem Licht ausgesetzt sind. Fällt nämlich die Spannung eines Moduls ab, wenn es beispielsweise von einem Baum beschattet wird, so speisen die anderen Module "rückwärts" in dieses Modul ein, was dessen starke Erwärmung bewirkt. Die Vergussmasse kann dadurch anfangen zu schmelzen und sich verfärben, wodurch dass Modul zerstört wird. Dieser unerwünschte "Hot-Spot-Effekt" kann durch Parallelschaltung einer "Bypaß-Diode" (normale Gleichrichterdiode) vermieden werden, die beim Leistungsabfall das Modul überbrückt.

Um Solarmodule verschiedener Hersteller vergleichen zu können, wird die maximale Leistung von Solarzellen und –modulen in der Einheit Wattpeak (Wp) angegeben. Für diese Leistungsmessung werden Normbedingungen (STC = standard test conditions) wie Lichtintensität (1000 W/m²), Zellentemperatur (25°C) und das Lichtspektrum (AM 1,5) vorausgesetzt. Da diese Bedingungen in der Realität jedoch kaum erreicht werden, wären Angaben bei niedrigerer Bestrahlungsstärke (z. B. 800W/m²) und höherer Temperatur wesentlich praxisorientierter. Die Spitzenleistung ist nämlich stark abhängig von der Temperatur der Zellen. Bei steigender Temperatur nimmt die Leistung rapide ab.

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