Solarzelle-Technik der Photovoltaik

1. Einleitung

Weltweit ist der Energieverbrauch drastisch gestiegen. Heutzutage besitzt fast jede Familie nicht nur ein, sondern zwei oder sogar mehrere Autos. Zu dem ansteigenden Energieverbrauch kommt noch das stete Bevölkerungswachstum. Rein statistisch gesehen verdoppelt sich die Bevölkerung alle 35 Jahre. Äquivalent dazu werden die Energiereserven der ,alten` Energieträger (fossile Brennstoffe, wie z.B. Erdöl, Erdgas, Kohle) drastisch dezimiert, da diese nur begrenzt auf dieser Erde vorkommen. Außerdem ist unsere Umwelt durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe fast irreversibel geschädigt, was über kurz oder lang unsere Existenz gefährdet.

Was wir brauchen ist also eine Energie, die nicht nur unerschöpflich, sondern darüber hinaus noch umweltfreundlich ist. Abgesehen von Wind- und Wasserenergie ist die Solarenergie (Photoenergie) eine der zukunftsträchtigen regenerativen Energien¹.

Diese Facharbeit beschäftigt sich des Weiteren mit der Solarzelle und greift als konkretes Beispiel für eine genauere Untersuchung die Siliziumzelle auf.

Inhaltlich soll diese Abhandlung die Grundlagen der Photovoltaik, die Grundstruktur der Siliziumzelle, ihre Herstellung, wie auch die Anwendung vermitteln bzw. behandeln. Im Schlussteil soll dann ein Resümee bzw. ein Fazit über die Nutzung von Solarzellen gegeben werden.

Spätestens nach der Ölkrise Ende der 70`er Jahre war klar, dass man sein Augenmerk auf alternative Energien lenken müsse. Gustav Heinemann hat schon 1973 gewarnt: ,,Wir sind im Begriff, im kommenden Jahrhundert [...] in eine Weltkatastrophe hineinzutaumeln, wenn wir nicht bereit sind, jetzt und heute eine völlige Revolution im wirtschaftlichen und technischen Denken oder Planen einzuleiten. [...] Wenn wir fortfahren, [...] Entwicklungen nur unter dem Gesichtspunkt gegenwärtiger Wirtschaftlichkeit zu prüfen, werden Umweltschäden und Erschöpfung der Natur zur tödlichen Bedrohung für unsere Kinder und Enkel auswachsen."

(Tintrup. Solartechnik. München. 1991.S.50.). (Beachte auch Grafik 1 u. 2 im Anhang II, S. i)

2. Hauptteil

2.1 Grundlagen der Photovoltaik

2.1.1 Halbleiter

Trotz der Aktualität der Photovoltaik liegt ihr Anfang doch etwas weiter zurück.

1839 beobachtete der französische Naturforscher Alexandre Edmond Becquerel, dass bei Lichteinstrahlung bestimmter Strukturen eine elektrische Spannung erzeugt werden kann. Allerdings konnte Becquerel keine Erklärung für diesenEffektliefern. Erst 1905 gelang es keinem anderen als Albert Einstein, diesen Effekt zu erläutern. Einstein Hausarbeiten.de -Solarzelle-Technik der Photovoltaik formulierte seine Lichtquantenhypothese, die die Erklärung des photovoltaischen Effekts enthielt: Photonen lösen die Elektronen aus ihren atomaren Bindungen, so dass freie Ladungsträger entstehen.

Das Prinzip der Photovoltaik ist relativ simpel. Auf die Solarzelle auftreffendes Licht (Sonnenenergie) wird ohne Umschweife direkt in elektrische Energie umgewandelt.

Besonders geeignet für Solarzellen sind Halbleiter. Sie sind meist kristalline Festkörper, deren Widerstand von Temperatur und auch Belichtung abhängt. Silizium ist einer der wichtigsten Halbleiter. Im wesentlichen sind zwei Leitungsmechanismen bei Halbleitern wichtig: Eigen- und Störstellenleitung.

Zunächst sei die Eigenleitung erklärt (Beachte Grafik 3, Anhang II, S. ii). Silizium lagert sich zu einem Kristallgitter an, indem seine vier Valenzelektronen mit anderen Si-Atomen eine Elektronenpaarbindung eingehen. Diese Kristallbindungen können durch temperaturbedingte Schwingung der Atome um eine Gleichgewichtslage aufbrechen, wodurch freie Ladungsträger entstehen (Generation). Elektronen hinterlassen dabei eine ,,Lücke" ( Loch oder Defektelektron) mit entsprechend gleich großer positiver Ladung. Diese Elektronen ,,wandern" im Gitter umher, bis sie eine Möglichkeit finden ein vorher generiertes Defektelektron zu schließen. Man nennt das Schließen von Defektelektronen durch ,,fremde" Elektronen Rekombination. Es entsteht durch Elektronen- und Löcherbewegung ein Fließen von Ladung, was bedeutet, dass ein Strom fließt. Elektronen- und Löcherstrom sind einander entgegengerichtet.

Im Folgenden geht es um die Störstellenleitung (Beachte Grafik 4, Anhang II, S.ii). Mit der sogenannten Dotierung kann man durch Hinzugabe von Fremdatomen (Verunreinigungen) die Leitfähigkeit des Halbleiters und damit die Stromstärke I erhöhen. Zur Dotierung werden Elemente der dritten und fünften Hauptgruppe verwendet. Werden Elemente der fünften Hauptgruppe hinzugegeben, so spricht man von einer n-(egativ) Dotierung, da ein Valenzelektron dieses Elements nicht gebraucht wird, es ist sozusagen überflüssiger Weise da (das Element ist ein Donator). Selbst bei geringer Energiezufuhr kann dieses Elektron freigesetzt werden und das Ladungsträgergleichgewicht wird verschoben und Si so n-leitend.

Bei Hinzugabe von Elementen der dritten Hauptgruppe fehlt an jeder so dotierten Stelle ein Elektron, wodurch an diesen Stellen e- aufgenommen werden (Element ist Akzeptor). Es entstehen mehr Defektelektronen als freie e-, d.h. Si ist p-(ositiv) dotiert.

Beim n-dotiertem Si überwiegt bei Anlegung einer Gleichspannung der Elektronenstrom, da die e- Majoritäts- und die Löcher Minoritätsladungsträger sind. Beim p-dotierten Si ist es dementsprechend genau umgekehrt.

2.1.2 Entstehung der Photospannung

Die Photozelle (Solarzelle) ist im Prinzip eine Diode mit p-n-Übergang.

Ein p-n-Übergang besteht aus zwei Grenzbereichen: eine p-Zone, die an eine n-Zone angrenzt. Die p-Zone wird negativ aufgeladen, da an der Grenzschicht e- durch ihre Wärmebewegung in diese diffundieren. Die n-Zone wird reziprok positiv aufgeladen. In der n-Zone bleiben durch Abwandern der e- feste, unbewegliche positive Ladungen zurück. Das selbe geschieht in der p-Zone mit dem Abwandern der Defektelektronen. In der Grenzschicht (Sperrschicht) neutralisieren sich die e- und Defektelektronen, was notgedrungen zwei Konsequenzen nach sich zieht:

Zum einen verliert sie ihre Leitfähigkeit, da keine freien Ladungsträger länger zur Verfügung stehen. Zum anderen bildet sich ein elektrisches Feld (eine Spannung U) aufgrund der festsitzenden Ladungen, wobei die n-Zone zur Kathode, die p-Zone zur Anode wird. Diese Spannung stellt sich erst beim dynamischen Gleichgewicht ein, d.h. der Diffusionsstrom ist auf Null reduziert. Bei Einbau eines Schalters, der geschlossen ist, bleibt es bei dem Diffusionsvorgang, während sich hingegen bei offenem Schalter die Sperrschicht verbreitet. Die logische Schlussfolgerung, die sich daraus ergibt ist, dass ein Strom fließt. Erst bei der sogenannten Schleusenspannung (Antidiffusionsspannung) beginnt ein Stromfluss, wobei diese Spannung für Si bei ca. 0,6V liegt.

Hausarbeiten.de -Solarzelle-Technik der Photovoltaik Die Photodiode ist in Sperrrichtung mit einer Spannungsquelle verbunden. Wenn nun Photonen diese Diode treffen, so werden in der Sperrschicht freie Ladungsträger generiert. Der Sperrstrom, der dadurch hervorgerufen wird, ist proportional zu der Beleuchtungsstärke. Allerdings kommt es auch zur Generation, wenn bei Beleuchtung keine Spannungsquelle angeschlossen ist. Vielmehr die Diode selbst ist zur Spannungsquelle geworden.

2.2 Solarzelle

2.2.1 Charakteristische Größen u. Kenndaten von Solarzellen

Jede Solarzelle weist besondere Charakteristika auf, die im Folgenden betrachtet werden.

Wird eine kristalline Solarzelle schon leicht belichtet, so kann man eine Gleichspannung (Leerlaufspannung Uoc oder Voc) von0,5...0,6V messen (Grafik5, Anhang II, S.iii). Die Spannung steht in Abhängigkeit zur Temperatur, da sie um0,4%/K herabgesetzt wird. Gerade für den Einsatz von Photovoltaikanalgen (kurz: PV - Anlagen) ist diese Charakteristik äußerst wichtig, da sich die Solarzelle je nach Einstrahlung bis auf über30K erwärmen kann, was wiederum eine Spannungsreduzierung und damit eine Herabsetzung der Leistung um bis zu12% nach sich zieht.

Außerdem ist Voc von der Breite der verbotenen Zone Eg abhängig (Gr.7+8, Anhang II, S.iii). Um dies besser zu verstehen, gehe ich kurz auf das Bändermodell ein, mit dessen Hilfe auch die Generation freier Ladungsträger beim Halbleiter erklärt werden kann. ,,Das Bändermodell deutet die Energiezustände der e- in einem Kristall"². Es gibt grundsätzlich zwei Bänder: das Valenz- und Leitfähigkeitsband. Das Leitfähigkeitsband liegt über dem Valenzband und ist mit e- völlig unbesetzt. Beide Bänder werden durch die sogenannte verbotene Zone getrennt. Ein e- muss durch eine bestimmte Aktivierungsenergie EA aus dem Valenz- ins Leitfähigkeitsband gehoben werden, wobei EA der Breite der verbotenen Zone entsprechen muss, um diese überwinden zu können. Die oben erwähnte Abhängigkeit von Voc und Eg lässt sich in folgender Gleichung festhalten: Voc = Eg /3* e wobei e die Elementarladung (1,6*10-19C) ist. Der rechnerisch optimale Wirkungsgrad für Si liegt bei etwa 35% mit Eg ~ 1,1 bis 1,2 V.

Kommen wir zurück zur Strom-Spannungs-Charakteristik. Im Gegensatz zu Voc verhält sich der Kurzschlussstrom Is c etwas anders, da er nicht so temperaturabhängig ist wie die Leerlaufspannung. Isc steigt0,07% pro K.

Der Grund, warum Voc bei erhöhender Temperatur kleiner, Isc aber größer wird (wenn auch nur geringfügig) ist, dass Die Sperrschicht am p-n-Übergang bei zunehmender Temperatur an Dicke verliert, wodurch die Zellspannung herabgesetzt wird.

Schaut man sich ein Diagramm an (Gr.6, Anhang II, S. iii), dass die Strom-Spannungs-Charakteristik zeigt, so lässt sich feststellen, dass das Optimum der Zellleistung am Knickpunkt dieser Charakteristik-Kurve liegt.

Den entsprechenden Strom nennt man Im und die Spannung Vm, wobei der Knickpunkt Pm heißt. Berechnet man den Quotienten aus maximaler Leistung Im * Vm und dem Produkt Isc * Voc, so erhält man den Füllfaktor FF:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

FF definiert also die Flächendifferenz unter der Kennlinie Isc/Voc und Im/Vm.

Fast die wichtigste Größe einer Solarzelle ist der Wirkungsgrad _. _ beschreibt den in Strom umgewandelten Strom aus der auftreffenden Strahlungsenergie.

>ist definiert als Quotient aus dem Produkt Im* Vmund der transformierten elektromagnetischen Leistung Pi: =[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten](Quelle: siehe Fußnote)³

Die Leistung einer Solarzelle ist also abhängig von der Zellengröße⁴, der Strahlungsintensität⁵und der bereits erläuterten Temperatur.

2.2.2 Grundaufbauprinzip von Solarzellen

Man erhält die Grundstruktur einer Solarzelle (Gr. 4, Anhang II, S.ii), sobald man die Vorder- und Rückseite eines p-n-Übergangs metallisch kontaktiert⁶. Um die Fläche der Sonneneinstrahlung zu erhöhen, wählt man die Gitter- oder Gridstruktur. Die Zellen werden mit einer besonderen Schicht überzogen, die Reflexionsverluste vermindert.

2.2.3 Herstellung der Zelle

Die Herstellung einer Siliziumzelle ist recht aufwendig und kompliziert, so dass im Folgenden die Produktion schematisch dargestellt werden soll.

Kohlenstoff wird mit SiO2⁷, dem Ausgangsmaterial, in einemLichtbogenofengeschmolzen. [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]

Es entsteht durch Reduktion Si mit 98% Reinheit. Für eine Anwendung sowohl in der Elektronik, als auch in der Solartechnik ist dieser Reinheitsgrad nicht ausreichend. Nicht nur für die Chipindustrie, sondern ebenfalls für die Photovoltaik benötigt man zu 99,9999 % reines Si.

Nun folgt dieHydrochlorierungdes Si unter Hinzugabe von gasförmiger HCl imWirbelbettreaktor: [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]⁸

Um nun Verunreinigungen abzuscheiden, wird SiHCL3fraktioniert destilliert. In einem weiteren Reaktor wird durch Reduktion mit Wasserstoff reines Si gewonnen, dass sich bei einer Temperatur von ca. 1350 °C an dünnen Siliziumstäben abscheidet. Diese Siliziumstäbe sind bis zu 2m lang und im Durchmesser 30cm.

Bruchstücke der kristallinen Stäbe werden jetzt eingeschmolzen. Dies geschieht in einemQuarztiegelunter Vakuum in einerKristallziehmaschine. Das liquide Si kristallisiert an einen Kristallkeim, der zunächst in die Schmelze eingetaucht und dann langsam rotierend wieder heraufgezogen wird. Das Produkt ist ein perfekter Monokristall bestehend aus fast 100%igem Si.

Mit Hilfe derDrahttrenntechnikwird der Einkristall in 200 bis 500 µm dicke Scheiben geschnitten. Sie werden anschließend alkalisch verätzt, um Oberflächenbeschädigungen zu entfernen.

Ein anderes Verfahren ,sogenanntesSolarsiliziumzu synthetisieren, ist dasGießenvon Si. Entwickelt wurde das Verfahren von der Firma Wacker-Chemitronic, bei dem 120 kg Si-Barren⁹gegossen werden¹⁰. Das Si lässt man in der Gussform erstarren, während vom Boden stengelförmige Kristallite wachsen. Im Anschluss wird das Si in Scheiben geschnitten, die grobkörnige multikristalline Gefüge besitzen, die wiederum als ,,Zonen erhöhter Rekombination" wirken und ,,den Wirkungsgrad senken"¹¹. Einkristalline Siliziumzellen werden monokristallin, die aus gegossenem Si poly- bzw. multikristallin genannt.

2.2.4 Andere Solarzellentypen

Auf dem Prinzip des kristallinen Si beruhend gibt es, neben den im vorherigen Kapitel bereits erwähnten mono- und polykristallinen Silizium-Solarzellen, die Metall-Isolator-Silizium-Inversionsschicht-(MIS-I)-Solarzelle (vgl. Gr.10, Anhang II, S. iv). Ihr Wirkungsgrad liegt zwischen 12 und 14 %. Sie sind in gewisser Weise sehr herstellungsfreundlich, da der aufwendige Schritt der n-Dotierung durch einen induzierten p-n-Übergang (mit n- leitender Inversionsschicht) wegfällt. Ein weiterer Vorteil der MIS-I Zellen ist, dass man in, im Vergleich zur Herstellung einer monokristallinen Zelle, einem relativ geringen Temperaturbereich bleiben kann. Ein weiterer Solarzellentyp ist die Solarzelle mit amorphem Silizium. Sie besitzt keine feste (kristalline) Struktur und kann somit bis zu fünfzigmal mehr Licht absorbieren, als kristallines Si. Bei ihnen trägt man eine lediglich 1 µm dicke Trägerschicht auf, weshalb sie auch Dünnschichtzellen (a-Si-Dünnschichtzellen) genannt werden (Aufbau: vgl. Gr. 9, Anhang II, S. iv).

2.2.5 Möglichkeit zur Spannungs- und Stromverstärkung- Solarmodule

Eine etwa 100cm2große Solarzelle erzeugt im Idealfall - und der ist nicht wirklich oft anzutreffen - etwa 0,7V und 2,5A. Zur Versorgung elektrischer Systeme sind natürlich größere Spannungen und Ströme notwendig.

Die Lösung zielt auf zwei bereits sehr gut bekannte Prinzipien der Elektronik hin: Serien- und Parallelschaltung.

Für ein Standardmodul schaltet man um die 35 Zellen zusammen.

Bei der Serienschaltung stellt man eine Verbindung zwischen der Pluselektrode (Kathode) einer Zelle mit der Anode (Minuselektrode) einer zweiten her. Bei solchen Reihenschaltungen entspricht die Gesamtsumme der Summe der Einzelspannungen. Bei Reihenschaltung von etwa 35 Zellen könnte somit theoretisch eine Spannung Uges = 24,5V erzielt werden.

Möchte man jedoch die Stromstärke I erhöhen, so ist es nötig, die einzelnen Zellen parallel zu schalten, wobei Kathode mit Kathode und Anode mit Anode verbunden werden (Verbindung der Anschlüsse gleicher Polaritäten). Das, was bei der Reihenschaltung für die Spannung gilt, gilt bei der Parallelschaltung für die Stromstärke. Sie sind nämlich additiv, d.h. die Gesamtsumme entspricht der Summe der Einzelstromstärken. Prinzipiell kann man sagen, dass die Parallelschaltung einer Zellenflächenvergrößerung entspricht.

In der Praxis kombiniert man die Reihen- und Parallelschaltung, um so eine effiziente Leistungssteigerung der Solarzelle zu erzielen. Leistungen von bis zu 200 bis 300W sind durchaus realistisch.

Die Ströme, die hier fließen sind gleich gerichtet. Will man den Strom ins Netz einspeisen, so ist es nötig den Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln und mit Hilfe eines Transformators die richtige Spannungsstufe einzustellen.

2.2.6. Anwendungsbereiche

2.2.6.1 Wochenend- und Ferienhäuser

Immer häufiger kommt es vor, dass Familien den Strom für ihren Camping - Wagen über die Sonne beschaffen.

Ein Modul bringt die Leistung von 50 Watt. Nicht nur das Modul, sondern auch eine 100-Ah-Batterie sind im Preis für eine solche Anlage (1000 DM oder 500 €). Im ungünstigsten Fall könnte bei 4 Äquivalentsonnenstunden etwa 144Wh pro Tag geerntet werden, wobei mit 84Wh ein Farbfernseher für zwei Stunden und zwei Sparlampen á 7W vier Stunden brennen. Und insgesamt bräuchte man 140Wh.

2.2.6.2 Verkehrswesen

Im Verkehrswesen werden mittlerweile sogar Beleuchtungsanlagen mit Solarenergie versorgt, wenn sich eine Verkabelung ans Netz nicht lohnt oder der Ort zu weit von selbigen entfernt ist.

2.2.6.3 Garten

Im Garten werden PV-Anlagen (Photovoltaik-Analgen) verwendet, um beispielsweise die Gartenbeleuchtung oder aber die Teichpumpen mit Strom zu versorgen. Positiver Nebeneffekt: Bei Teichpumpen wird gleichzeitig Sauerstoff in den Teich zugeführt, was eine Verbesserung der Wasserqualität zur Folge hat.

2.2.6.4 Solarautos

Als letztes Beispiel für Anwendungsbereiche von PV-Anlagen soll das Solarauto dienen.

Als letztes Beispiel für Anwendungsbereiche von PV-Anlagen soll das Solarauto dienen.

Das Solarauto wird von einem Elektromotor angetrieben, der von einer Batterie gespeist wird, die wiederum von einem Solargenerator aufgeladen wird.

3. Schlussteil

In der Tat ist es so, dass die bisherigen Energieträger zur Neige gehen. Auch unumstritten ist, dass der Energieverbrauch nicht zuletzt durch die wachsende Weltbevölkerung steigt. Logisch ist daher, dass man versucht regenerative Energien zu nutzen. Die Photovoltaik ist eine sinnvolle Alternative zu Kohlekraftwerken, die unsere Umwelt verschmutzen und Atomkraftwerken, die bei Sicherheitsmängel ein zweites Tschernobyl herauf beschwören können.

Auch ist die Photovoltaik eine empfehlenswerte Ergänzung zu den anderen regenerativen Energieträger, wie z.B. Windenergie.

Die Forschung ist sehr darum bemüht, nicht zuletzt weil das Thema seit der in der Einleitung erwähnten Ölkrise nicht an Aktualität verloren, sondern im Gegenteil eher noch gewonnen hat, photovoltaische Anlagen bzw. die Nutzung der Photovoltaik durch bessere Solarzellen zu verbessern. Ein riesengroßer Nachteil ergibt sich allerdings in der Kostenfrage. Leider ist die Herstellung so aufwendig und teuer, dass man sich aus rein wirtschaftlichen Gründen schon überlegt, ob man diese Technik nutzen möchte oder nicht.

Dennoch bin ich davon überzeugt, dass die Solarzelle in Zukunft stets verbessert, und damit auch die Herstellung preiswerter werden wird. Wir werden uns die PV einfach leisten können müssen, wenn die Zerstörung unserer Umwelt so weitergeht. Immerhin gibt es ein aktuelles Beispiel, das zeigt, was passiert, wenn wir weiter alle Warnzeichen der Natur missachten und den CO2 - Ausstoß nicht reduzieren. Ich spreche von der Insel Tuvalu im Pazifik. Sie ist das drittkleinste von der UNO anerkannte Land der Welt. Und sie versinkt zur Zeit im Meer.

Wir müssen einfach auf alternative Energien ausweichen. Ich denke zwar nicht, dass die Solarzelle das Optimum ist, aber so ist sie dennoch eine sinnvolle Ergänzung zu anderen (regenerativen) Energien.

[...]

¹Anhang fehlt

²Quelle: Herder Lexikon. Freiburg. 1991. S. 28

³Quelle: Hadamovsky u. Jonas. Solarstrom - Solarwärme. Würzburg. 1996. S. 35

⁴bestimmt Isc

⁵Zunahme Strahlungsintensität = schwache Zunahme Voc u. starke Zunahme Isc à Leistungsanstieg der gesamten Zelle

⁶die metallische Kontaktierung ist bei Silizium logischerweise Silizium!

⁷SiO2 = reiner Quarz

⁸SiHCL3 = Trichlorsilan

⁹Querschnitt von 430 * 430 mm

¹⁰ die Kristallisationsgeschwindigkeit beträgt hierbei 0,5 kg/min

¹¹ Quelle: Hadamovsky u. Jonas. Solarstrom - Solarwärme. Würzburg.1996. S. 38