[1. Prinzip der Photovoltaik]

Unter Photovoltaik versteht man die direkte Umwandlung des Sonnenlichts in elektrischen Strom mithilfe von Solarzellen. Direkte Umwandlung heißt, dass das Sonnenlicht nicht zum Erwärmen von Dampf mit nachgeschalteter Dampfturbine und Generator in Strom umgewandelt wird, sondern unter direkter Ausnutzung des physikalischen Photoeffektes.

Wie der Name schon sagt, wird durch die Absorption von Licht (Photonen) in einem Halbleiter1 eine elektrische Spannung (Volt) aufgebaut. Das Prinzip beruht darauf, dass Elektronen (negativ geladen), die vor dem Lichteinfall an Atome gebunden waren, freigesetzt werden und sich nun im ganzen Festkörper frei bewegen können. Gleichzeitig entstehen dabei positiv geladene Löcher, die ebenfalls frei beweglich sind. Elektronen und Löcher sind also die negativen und positiven Ladungen in einer Solarzelle2. Es gibt Solarzellen aus verschiedenen Halbleitermaterialien. Die wichtigsten sind nachfolgend genannt: Monokristalline Silicium Wafer, Solsix® monoMultikristalline Silicium Wafer, Solsix® multi Polykristallines Kupfer-Indium-Diselenid (CIS)
Amorphes Silicium (a-Si) Monokristallines Galliumarsenid/Galliumindiumphosphid (GaAs, GaInP) Monokristallin bedeutet, dass die gesamte Halbleiterscheibe (=Wafer) aus dem die Solarzelle besteht, ein einziger Kristall ist. Alle Atome sind in einem idealen Gitter angeordnet. Multikristallin bedeutet, dass der Wafer aus verschiedenen Einzelkristallen (=Körnern) zusammengesetzt ist, die über Korngrenzen fest verbunden sind. Die Einzelkristalle haben eine Größe von 0.1 mm bis mehrere cm. Unter polykristallin versteht man Halbleiter, die aus vielen kleinen Kristalliten (Größe ~0.01 mm) zusammengesetzt sind. Amorphe Halbleiter haben keinerlei kristalline Ordnung. Nur Gruppen von wenigen Atomen sind miteinander unregelmäßig verbunden, d.h. es besteht keine dreidimensionale Ordnung der Atome.

[1.1 Prinzipeller Aufbau einer Solarzelle/pn-Übergang]

Jede Solarzelle besteht aus mindestens vier Schichten, von denen nur die positiv- bzw. negativleitenden Schichten aus einem Halbleiter bestehen. Diese Schichten werden auch abgekürzt p-Schicht und n-Schicht genannt. Durch die gezielte Einbringung kleiner Mengen bestimmter Fremdstoffe (Dotierstoffe) kann der Halbleiter p- oder n-leitend gemacht werden. Donatoren haben im Vergleich zum Halbleiter ein Elektron zuviel, das sie leicht abgeben. Dadurch wird der Halbleiter n-leitend. Akzeptoren hingegen haben ein Elektron zu wenig und nehmen ein Elektron vom Halbleiter auf. Das fehlende Elektron (=Loch) bewirkt, dass der Halbleiter p-leitend ist. Mit der Anzahl der Dotieratome kann somit gezielt die Leitfähigkeit des Halbleiters eingestellt werden. Die Art des Dotierstoffes bestimmt also die Art und die Größe der Leitfähigkeit des Halbleiters. Die Photonen (Lichtteilchen) des Sonnenlichts werden also in der Solarzelle absorbiert. Dort erzeugen sie Elektronen (negative Ladungen) und Löcher (positive Ladungen). Diese können sich zunächst frei im Halbleiter bewegen. Bleiben diese gegensätzlichen Ladungen aber zu lange beieinander

oder begegnen sich wieder, dann rekombinieren sie (d. h. sie vernichten sich gegenseitig) und liefern keinen Strom. Deshalb muss eine Solarzelle die beiden Ladungen so effektiv und schnell wie möglich trennen. Das passiert durch den pn-Übergang. Der pn-Übergang entsteht an der Grenzfläche zwischen der p- und n-leitenden Schicht. Elektronen, die in die Nähe des pn-Übergangs kommen, fließen auf die n-Seite ab, Löcher fließen auf die p-Seite ab. Dadurch erfolgt eine effektive Ladungstrennung. Die Elektronen und Löcher können nicht mehr rekombinieren, d.h. sich gegenseitig vernichten. Die Zeit zwischen der Erzeugung der Elektronen und Löcher und deren Rekombination nennt man Lebensdauer der Ladungsträger. Die Lebensdauer ist ein sehr empfindliches Maß für die Qualität und Reinheit der Wafer (s. u.) und ist Teil der Spezifikationen der Solsix® Wafer. Die Lebensdauer liegt im Bereich von wenigen Mikrosekunden (0.000001 Sek.). Die Elektronen fließen dann zum Rückseitenkontakt, die Löcher
zum Vorderseitenkontakt. Von da kann der Strom über Kabel abgegriffen werden und zum Verbraucher geführt werden. In Abb. 2 ist der pn-Übergang schematisch dargestellt. Die positiv und negativ leitenden Schichten werden bei der Herstellung der Solarzelle erzeugt. In der positiv leitenden Schicht gibt es fast nur Löcher, in der negativ leitenden fast nur Elektronen. Die Elektronen bewegen sich im Leitungsband (oberes Niveau in Abb.2) und die Löcher im Valenzband (unteres Niveau in Abb.2). Dazwischen ist die Bandlücke, in der sich weder Elektronen noch Löcher aufhalten können. In Abb.2 ist von rechts nach links der Ort in der Solarzelle aufgetragen, wobei die zur Sonne zeigende Oberfläche rechts ist. Nach oben ist die Energie der Teilchen aufgetragen. Elektronen streben immer die niedrigste Energie an, (Löcher immer die höchste). Deshalb fließen die Elektronen nach rechts über den pn-Übergang „nach unten“ und die Löcher
nach links über den pn-Übergang „nach oben“.

[1.2 Herstellung des pn-Übergangs]

Bei mono- bzw. multikristallinem Silicium ist die Scheibe (Wafer) aus p-leitendem Material. Phosphor (ist ein Donator) wird bei Temperaturen über 800°C in den Wafer hineindiffundiert und bildet eine n -Schicht. Das heißt, die Teilchen für die negativleitende Schicht wandern aus der Umgebung (geschl. Ofen mit Gas) ein kleines Stück in den Wafer hinein und wandeln so die oberste Schicht von p- auf n-leitend um. Dadurch ergibt sich der pn-Übergang. Er entsteht sehr nahe an der Vorderseite (ca. 0.001 mm). Man nennt diesen Vorgang Diffusion, weil bei den hohen Temperaturen die Atome in das Material hineinwandern (=diffundieren). In Silicum ist Bor das Dotiermaterial für p-Typ und Phosphor für n-Typ.

[1.3 Verunreinigungen]

Halbleiter reagieren sehr empfindlich auf metallische Verunreinigungen. Z.B. Eisen oder Titan erzeugen Zwischenzuständeähnlich denen an der Oberfläche. Das führt zu einer erhöhten Rekombination (Vernichtung von Ladungen) im Inneren des Wafers, was für den Wirkungsgrad sehr schädlich ist. Eine Konzentration von 1 ppb3 (d.h. 1 Teilchen Eisen unter 1 Milliarde Silicium-
Teilchen) führt bereits zu einer deutlichen Verschlechterung der Solarzelle und muss unbedingt vermieden werden. Deswegen sind die Reinheitsanforderungen in der Produktion von Solarzellen sehr sehr hoch.

[2. Erzielung hoher Wirkungsgrade]

[2.1 Reflexion]

Mit den oben genannten Verfahren kann man aber noch keine effizienten Solarzellen herstellen. Die meisten Halbleitermaterialien haben eine große Reflexion an der Vorderseite, d.h. ein Großteil des Lichts geht gar nicht erst in die Solarzelle, sondern wird bereits an der Oberfläche der Solarzelle zurückgestrahlt. Ein unbeschichteter Wafer sieht daher silbrig aus und glänzt. Deshalb bringt man eine sogenannte Antireflexschicht auf. Sie verhindert, dass das Licht reflektiert wird und damit verloren geht. Der beschichtete Wafer sieht dann dunkelblau bis schwarz aus, es wird also kein Licht mehr reflektiert. Die Reflexionsverluste reduzieren sich von etwa 40 % auf 5 %.

[2.2 Passivierung]

Wie in Kapitel 1.1 beschrieben, können Elektronen und Löcher rekombinieren bzw. sich egenseitig vernichten, wenn sie zu lange in der Nähe voneinander verbleiben, oder wenn Verunreinigungen es ihnen erleichtern. Das Gleiche passiert auch an den Oberflächen eines Halbleiters. Dort gibt es sogenannte Zwischenzustände, die das Rekombi- nieren sehr leicht machen. Je kleiner der Abstand von einem Zustand zum nächsten ist, umso leichter erfolgt die Rekombination. Die ganze Bandlücke stellt einen so großen Abstand dar, dass es ohne Zwischenzustände nur wenig Rekombination gibt. Alle Ladungen, die an eine Oberfläche kommen, gehen dort verloren. Wenn man eine entsprechende Schicht (z.B. Si3 N4) auf die Oberfläche aufbringt, wird die Oberfläche
passiviert. Das bedeutet, dass die Zwischenzustände, die bisher das Rekombinieren ermöglichten, „ausgeschaltet“ werden. Dadurch kann die Leistung der Solarzelle deutlich

erhöht werden. Die Passivierung an der Rückseite nennt man auch Rückseitenfeld oder Back Surface Field (BSF). Der Passivierungseffekt beruht darauf, dass eine Barriere (= erhöhte
Dotierung) den Elektronen keinen Zugang zur Oberfläche ermöglicht. Die Löcher, die dennoch die Oberfläche erreichen, können alleine nicht rekombinieren. So wirkt das Rückseitenfeld als Passivierung.

[2.3 Kontaktgrid]

Der in der Solarzelle erzeugte Strom muss über die Vorderund Rückseitenkontakte abgeführt werden. Da das Licht auf die Vorderseite fällt, soll dort die Kontaktfläche möglichst klein sein. Das Sonnenlicht kann nicht durch die Kontakte hindurchscheinen, so dass die Kontaktfläche für die Solarzelle„verloren“ ist. Macht man den Vorderseitenkontakt aber zu klein, erhöht sich der elektrische Widerstand in den Metallfingern, und die Leistung der Solarzelle wird geringer. Es bedarf also einigen Aufwandes, um den Vorderseitenkontakt optimal für jede Solarzelle anzupassen. Die beste Form für einen Vorderseitenkontakt ist die eines Gitters, d.h. lauter dünne Metallfinger sammeln den Strom und bringen ihn zur Sammelschiene (auch Busbar genannt).

Die Kontaktfinger haben i.d.R. eine Dicke von 20 μm (Mikrometer=1/1000 Millimeter) und eine Breite von 50 – 100 μm. Die meisten Kontakte bestehen aus Aluminium oder Silber. Gute Kontakte enthalten zusätzlich eine Legierung aus Titan und Palladium. Kontakte können aufgedruckt oder aufgedampft werden, siehe Kap.4.1.

[3.1 Wirkungsgrad]

Der wichtigste Parameter einer Solarzelle ist ihr Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad gibt den Anteil der Leistung wieder, den die Solarzelle von dem einfallenden Licht in elektrischen Strom umwandelt. Als Formel schaut das folgendermaßen aus: 1) Der Wirkungsgrad beträgt bei industriell gefertigten Solarzellen zwischen 10 % und 15 %. Mit deutlich höherem technischen Aufwand können im Labor Wirkungsgrade von bis zu 24 % mit Silicium und über 33 % mit Galliumarsenid (3 pn-Übergänge) erzielt werden.

[3.2 Strom- Spannungskennlinie]

Die Kennlinie einer Solarzelle spiegelt die zwei wichtigsten Eigenschaften des p/n-Übergangs wider:
1. Die Solarzelle liefert einen lichtgenerierten Strom, der unabhängig von der angelegten Spannung ist (=Konstantstromquelle).
2. Die Solarzelle hat einen internen Verbraucher, die Diode, der umso mehr Strom verbraucht, je höher die Spannung ist.
Diese beiden Eigenschaften sind beide auf den p/n-Übergang zurückzuführen und lassen sich nicht trennen, so dass die Strom-/Spannungskennlinie einer Solarzelle durch die physikalischen Eigenschaften fest vorgegeben ist. Die Solarzelle kann mit einem Ersatzschaltbild dargestellt werden , das die beiden Effekte des pn-Übergangs

verdeutlicht. Aus den eben genannten Eigenschaften lassen sich folgende wichtige Parameter ableiten: der Kurzschlussstrom (Isc)5 ist gleich dem lichtgenerierten Strom, da die Diode bei Spannung 0 keinen Strom verbraucht. Die Leerlaufspannung (Voc) ergibt sich daraus, dass
die Diode so viel Strom verbraucht, wie durch den lichtgenerierten Strom erzeugt wird. Deshalb ist dann der Strom gleich Null. Kommerzielle Solarzellen haben einen Kurzschlussstrom
von etwa 3 Ampere (=30mA/cm2) und eine Leerlaufspannung von 0.5 Volt. Die Forschung und Entwicklung von Solarzellen konzentriert sich daher auf eine Steigerung des lichtgenerierten Stroms und auf eine Verringerung des Stromverbrauchs der Diode, um den maximalen Wirkungsgrad einer Solarzelle herauszuholen. Die Leistung einer Solarzelle entspricht dem Produkt Strom*Spannung. Dieses Produkt ist maximal im Maximum Power Point (MPP), wo die Solarzelle ihre höchste Leistung abgibt. Der Füllfaktor ist ein Maß dafür, wie sehr die IV-Kennlinie einem Rechteck ähnelt. Je geringer also der Stromverbrauch der Diode in der Solarzelle ist, desto mehr Leistung kann die Solarzelle abgeben und desto größer ist der Füllfaktor. Der Füllfaktor ist immer kleiner als 1 und ist folgendermaßen definiert: 2)

[3. Die Leistung einer Solarzelle]

Der Füllfaktor ist also das Flächenverhältnis des kleinen, roten Rechtecks in Abbildung 7 zum großen gestrichelten Rechteck. Typische Werte für den Füllfaktor liegen zwischen 70 % und 85 %. Drei verschiedene Sonnenlichtintensitäten sind gezeigt: 1000 W/m2 entspricht der maximalen Sonneneinstrahlung, mittags bei wolkenlosem Himmel 600 W/m2 entspricht leichter Bewölkung
200 W/m2 entspricht der Sonnenstrahlung morgens oder abends. Wie in Abbildung 7 zu erkennen ist, hängt der Kurzschlussstrom linear von der Beleuchtungsstärke ab. Die Leerlaufspannung und der Füllfaktor sind nahezu unabhängig von der Beleuchtung. Daraus folgt, dass die abgegebene
Leistung der Solarzelle (Pmpp = Isc*Voc*FF ) linear mit der Beleuchtung geht. Das bedeutet, dass eine Solaranlage, die bei voller Sonnenstrahlung (1000 W/m2) 500 Watt leistet bei halber Sonnenstrahlung nur noch 250 Watt liefert. Um verschiedene Solarzellen miteinander vergleichen zu können, wird immer die Leistung bei maximaler Sonnenstrahlung angegeben, daher heißt die Einheit nicht Watt sondern Wattpeak6, oder kurz Wp. In unserem Beispiel hätte die Solaranlage 500 Wp. Der Wirkungsgrad einer Solarzelle lässt sich also mit verschiedenen Parametern berechnen:wobei die Einstrahlungsleistung der Sonne (normalerweise 1000 W/m2 oder 100 mW/cm2) ist. Um verschieden große Solarzellen besser vergleichen zu können, werden alle Angaben auf einen cm2 normiert. D.h. man gibt nicht den gesamten Strom in Ampere an, sondern die Stromdichte in A/cm2. Die Leerlaufspannung und der Füllfaktor sind natürlich unabhängig von der Größe der Solarzelle.

[4. Industrielle Herstellung von Solarzellen]

Jeder Hersteller hat sein eigenes Herstellungsverfahren für Solarzellen. Das hier beschriebene Verfahren ist ein einfacher Standardprozess, wie er im Prinzip überall eingesetzt werden kann.

[4.1 Einfacher Herstellprozess für Silicium Solarzellen]

Drei verschiedene Zwischenprodukte werden auf dem Weg vom solartauglichen Rohmaterial bis zum fertigen Modul erreicht:
1. Der Wafer ist eine unprozessierte Siliciumscheibe mit einer Dicke von 1/3 mm.
2. Die Solarzelle ist ein Bauteil von ca. 10 x 10 cm2 und kann Strom erzeugen. Sie muss jedoch gegen Witterung versiegelt werden und mit anderen Solarzellen verbunden werden, was zum nächsten Produkt führt:
3. Das Modul besteht aus mehreren Solarzellen (8 bis über 50) und hat eine Leistung von 15 bis 300 Watt.

[4.1.1 Scheibenherstellung]

Das Silicium-Rohmaterial (bis zu 250 kg) wird in einen Tiegel aus Quarz mit Keramikbeschichtung gefüllt und aufgeheizt, bis es schmilzt. Der Schmelzpunkt von Silicium liegt bei 1410°C. Dann wird das Silicium langsam abgekühlt und erstarrt dabei zu Kristallen. Je nach Prozess wird es dann zum Einkristall (sehr reines und teures Material) oder ein Multikristall (Solsix® multi), der aus vielen verschiedenen Kristallen besteht und wesentlich billiger als ein Einkristall ist. Dieser Siliciumblock wird dann in Säulen gesägt und dieseSäulen wiederum in dünne Scheiben (Wafer) zerteilt. Die Waferdicke beträgt etwa 0.3 mm. Die Grösse der Wafer ist spezifiziert auf 10 x 10 cm2 oder 12.5 x 12.5 cm2 bis 15 x 15 cm2.

[4.1.2 Solarzellenherstellung]

Der Solarzellenprozess hat mehrere Einzelschritte, die aus einem Wafer schrittweise eine Solarzelle machen. Nach einer chemischen Eingangsreinigung wird die n-Schicht in den Wafer eindiffundiert (siehe Kap. 1.2). Der Wafer ist pleitend oder man sagt auch p-dotiert. Nach dem durch die Diffusion der pn-Übergang erzeugt ist, wird die Vorderseite und Rückseite mit einer Siliciumnitrid-Antireflexschicht (Kap. 2.1.) beschichtet die auch gleichzeitig passiviert, siehe Kap.2.2. Anschliessend werden die Kontakte auf Vorderund Rückseite aufgedruckt. Dabei wird eine metallhaltige Paste auf die Solarzelle gebracht, die dann bei Temperaturen von etwa 800 °C eingebrannt wird. Dadurch entsteht ein guter Kontakt zwischen Metall und Halbleiter. nschließend
werden die Solarzellen getestet.

[4.1.3 Modulherstellung]

Die Modulherstellung besteht im Wesentlichen aus drei Einzelschritten: Die Solarzellen werden zu Strängen von etwa 12 Solarzellen in einer Reihe verlötet. Mehrere dieser Stränge werden dann nebeneinander auf die Glasscheibe (4 mm stark) des Moduls gelegt. Dazwischen kommt eine transparente Klebefolie (Ethylvinylacetat = EVA). Die Rückseitenabdeckung besteht dann wieder aus einer EVA-Klebefolie und je nachdem wieder Glas oder einem robusten Kunststofffolien-Verbund aus Tedlar® und Polyester.Anschließend wird das Modul laminiert, d.h. bei hohem
mechanischen Druck, 150 °C und Vakuum (um die Luftblasen herauszuziehen) wird der ganze Verbund miteinander verschweißt, so dass er anschließend wetterfest ist. Die fertigen Module werden dann noch einer Endkontrolle unterzogen, die u.a. das Messen des Wirkungsgrades sowie
die Hochspannungsfestigkeit bis +/- 2000 V umfasst.

[5. Übersicht Wirkungsgrade]

Bisher wurde überwiegend die Siliciumsolarzelle beschrieben, bzw. alle Beispiele bezogen sich auf Silicium. Jetzt soll ein kurzer Vergleich die Potenziale verschiedener Materialien zeigen. In Abbildung 10 werden die bisher erreichten höchsten Wirkungsgrade verschiedener Solarzellen-Technologien gezeigt. Im Labormaßstab sind die Wirkungsgrade natürlich höher als in einer Produktion, da im Labor sehr viel Aufwand betrieben werden kann, um hohe Wirkungsgrade zu erreichen. Diese Wirkungsgrade sind allerdings mit kommerziellen Herstellmethoden nicht erreichbar. Laborzellen sind meist auch nur 1 cm2 groß, wohingegen kommerzielle Module eine Fläche von 0.1 bis 1 m2 haben. Die Herstellkosten steigen stark mit steigendem Wirkungsgrad an. Ein höherer Wirkungsgrad bewirkt allerdings auch, dass der Flächenbedarf für die Solaranlage zur Erzeugung von z.B. 1 kWp kleiner ist als bei einem geringeren Wirkungsgrad. Durch die kleinere Fläche kann die Solaranlage letztendlich sogar billiger sein (siehe Kap. 6). DieDünnschichttechniken (Kupfer-Indium-Diselenid und Cadmium-Tellurid) sind noch nicht über den Status von Pilotfertigungen entwickelt.