Eine Projektstudie zur Realisierung einer Photovoltaik-Anlage

Inhalt

Abkürzungen

1 Allgemeines
1.1 STC - Bedingungen
1.2 Air Mass
1.3 Die Sonnenstrahlung

2 Der Solargenerator
2.1 Die Solarzelle
2.1.1 Kristalline Solarzellen und Sonderformen
2.1.2 Solarzellen mit p/n - Übergang
2.1.3 Dotieren von Halbleiterelementen
2.1.4 Das Bändermodell
2.1.5 Der p/n - Übergang
2.1.6 Der innere Photoeffekt
2.1.7 Der photovoltaische Effekt
2.2 Die Solarzellentypen
2.2.1 Monokristalline Siliziumzelle
2.2.2 Polykristalline Siliziumzelle
2.2.3 Amorphe Siliziumzelle
2.2.3.1 CIS - Zellen
2.2.3.2 CdTe - Zellen
2.2.3.3 GaAs - Zellen
2.2.4 Auswertung und Vergleich der Solarzellen
2.3 Kennwerte einer Solarzelle
2.3.1 Maximum Power Point - PMPP
2.3.2 Der Füllfaktor - FF
2.3.3 Der Wirkungsgrad - Ș
2.3.4 Performance Ratio - PR
2.4 Solarmodul und Solargenerator
2.4.1 Reihenschaltung von Solarzellen
2.4.2 Parallelschaltung von Solarzellen
2.4.3 Zusammenschaltung zum Solarmodul
2.4.4 Schutz der Solarmodule bei Abschattungen

3 Standortwahl einer PV - Anlage
3.1 Modulausrichtung und Nachführung
3.2 Zusammenfassung und Praxisbezug

4 Wechselrichter
4.1 Klassifizierung der Wechselrichter
4.1.1 ENS
4.2 Zentralwechselrichter
4.3 Stringwechselrichter
4.4 Modulwechselrichter
4.5 Inselwechselrichter

5 Einspeisung von PV - Anlagen
5.1 Inselbetrieb
5.2 Netzparallelbetrieb

6 Praxisbeispiel einer Photovoltaikanlage
6.1 Vorbetrachtung zum Projekt
6.2 Unterkonstruktion
6.3 Modulverkabelung
6.4 Generatoranschlusskasten - GAK
6.5 Wechselrichter
6.6 Anschlusskasten - AK
6.7 Zählerplatz
6.8 Blitz- und Überspannungsschutz
6.9 Arbeitsschutz
6.10 Abnahme und Inbetriebnahme
6.11 Wartung und Instandsetzung
6.12 Zusammenfassung

7 Erneuerbare Energien Gesetz - EEG

8 Richtlinien und Normen beim Errichten einer PV-Anlage
8.1 Sonstige Richtlinien und Regeln

9 Versicherung der Photovoltaikanlage
9.1 Sachversicherung
9.2 Haftpflichtversicherung

10 Marktentwicklung der Photovoltaik in Deutschland
10.1 Perspektiven der Photovoltaik in den nächsten Jahren

Quellen und Literaturverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Anlagenverzeichnis

Autorenreferat

Drews; Kevin: Photovoltaik, Projektstudie für die Realisierung einer Photovoltaikanlage, Berufsakademie Sachsen, Staatliche Studienakademie Bautzen, Studienrichtung Elektrotechnik, Diplomarbeit, 2006.

120 Seiten, 33 Literaturquellen, 21 Anlagen

Unsere Energie beziehen wir heutzutage überwiegend aus fossilen Energieträgern wie Kohle, Erdgas und Erdöl. Aufgrund der damit verbundenen Umweltbelastungen und dem Rückgang fossiler Energieträger spielen erneuerbare Energien eine immer größere Rolle. Dabei gibt es verschiedene Möglichkeiten der Energiegewinnung, wie z.B. Windkraft, Wasserkraft, Gezeitenkraftwerke, geothermische Kraftwerke und die Photovoltaik.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Photovoltaiktechnik. Diese Form der Energieerzeugung beruht auf dem Prinzip, Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Die solare Stromversorgung ist auf dem Weg, eine Basistechnologie für die Stromversorgung von morgen zu werden. Einführend wird ein Überblick über unterschiedliche Solarzellentypen sowie deren Herstellung gegeben. Weiterhin sind die Aspekte der Standortwahl, Wechselrichter und Einspeisung von Photovoltaikanlagen dargestellt. Auf- bauend auf die theoretischen Grundlagen ist ein ausführliches Praxisbeispiel einer komplett installierten Photovoltaikanlage beschrieben. Dabei handelt es sich um eine 30kWp Dachanlage, die in das öffentliche Energienetz einspeist. Abschließend finden sich allgemeine Hinweise zur Einspeisevergütung, zu Richtlinien und Normen, Versicherungsregelungen und zur derzeitigen Markt- entwicklung in Deutschland. Die beigefügte Anlagendokumentation stellt den internen Standard der Firma HBS Elektrobau GmbH dar und bezieht sich spe- ziell auf das beschriebene Praxisbeispiel.

Anliegen dieser Arbeit ist es, eine Zusammenfassung über theoretische Kenn- tnisse der Photovoltaik zu geben und diese praktisch anzuwenden, so dass die Verknüpfung von Theorie und Praxis gefördert wird. Bestehende Wissenslü- cken und Unsicherheiten gegenüber der Photovoltaiktechnologie sollen abge- baut werden.

Abkürzungen

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1 Allgemeines

Der Name Photovoltaik setzt sich aus den Bestandteilen Photos - das griechi- sche Wort für Licht, und Volta - nach Alessandro Volta, einem italienischen Physiker- zusammen. Die Photovoltaik ist eine Technologie, welche die Son- nenstrahlung direkt in Strom umwandelt. Die Grundlagen dieser Technologie sind bereits seit mehr als 150 Jahren bekannt. Als erster beobachtete Edmond Becquerel (̅ 1820, † 1891) im Jahre 1839 den photovoltaischen Effekt. Bei einem Versuch, in dem er zwei Metallplatten in eine verdünnte Säure tauchte, bemerkte er, dass dieses galvanische Element mehr Energie erzeugte, wenn es der Sonnenstrahlung ausgesetzt war. Mit Hilfe einer Selenzelle wies Charles Fritts diesen Effekt ein halbes Jahr später nach. Die so genannte Solarzelle war geboren. Diese Zelle hatte aber nur einen Wirkungsgrad von ca. 2% und war wegen der enormen Kosten des Selens sehr teuer. Daher blieb diese Technik vorerst ohne Bedeutung. 1955 gelang einem amerikanischen Labor die Herstel- lung einer Silizium-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von ca. 6%. 1958 be- gann die technische Anwendung in der Raumfahrt. Heute werden Solarstrom- anlagen zur Versorgung von elektrischen Einrichtungen unterschiedlichster Leistung vom Solartaschenrechner im Mittelwattbereich bis zu Systemen mit mehreren Mega Watt (MW) Leistungen zur Netzeinspeisung eingesetzt. Man unterscheidet in Inselanlagen und Anlagen im Netzparallelbetrieb, welche ins öffentliche Energienetz einspeisen.

1.1 STC - Bedingungen

Die Einstrahlung der Sonne ist eine konstante Größe außerhalb der Atmosphä- re. Innerhalb unterliegt sie Schwankungen im Tages- und Jahresverlauf. Um dennoch eine Vergleichbarkeit der elektrischen Kennwerte von Solarzellen oder Solarmodulen zu ermöglichen, wurden die STC-Bedingungen (engl. standart- test-condition) entwickelt. Diese Bedingungen geben die Spitzenleistung eines Solarmoduls bei konstanten Werten der Bestrahlungsstärke (Ee) von 1000W/m², der Zellentemperatur (T) von 25°C und einer Luftmasse (AM) von 1,5 vor. Die Leistungsangabe 1kWp (Kilowatt peak) bezieht sich auf 1000W/m² Bestrahlungsstärke, 25°C Zellentemperatur und einer Luftmasse von AM 1,5.

1.2 Air Mass

AM bedeutet Luftmasse (engl. Air Mass) und beschreibt die unterschiedlichen Atmosphärenverhältnisse, die das Sonnenlicht von der Sonne bis zur Erdoberfläche durchläuft (Abb. 1). Dabei nimmt die Strahlungsleistung des Sonnenlichts ab. Bei einem AM von 1 nimmt das Sonnenlicht den direkten und den kürzesten Weg durch die Erdatmosphäre. Bei einem AM von 0 befindet sich das Sonnenlicht im Weltraum und trifft verlustfrei am äußeren Rand der Erdatmosphäre ein. Man nennt diesen Wert auch Solarkonstante (E0).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Darstellung der AM-Werte von der Erdatmosphäre zur Erdoberfläche¹

Beim Durchgang des Sonnenlichts durch die Erdatmosphäre wird die Sonnen- strahlung geschwächt durch Reflexion und Streuung (Abb. 2). Darum geht die Bestrahlungsstärke auf der Erde auf 1000W/m² zurück. Steht die Sonne hinge- gen in einem anderen Winkel, verlängert sich die Strecke um den Faktor AM. Dies bewirkt eine geringere Strahlungsintensität und eine veränderte spektrale Zusammensetzung des Sonnenlichts. Der wichtigste Standardwert ist AM 1,5 und entspricht in Deutschland einer Bestrahlungsstärke von 1000W/m².

1.3 Die Sonnenstrahlung

Die Sonne hat einen Durchmesser von 1,4 Millionen km, die Entfernung zur Erde beträgt 150 Millionen km. Jährlich trifft etwa das 20.000fache der benötig- ten Weltjahresenergie in Form von Sonnenenergie auf die Erdoberfläche. Das bedeutet, dass täglich fast 50mal mehr Energie von der Sonne auf die Erde gestrahlt wird, als die Menschheit in einem Jahr verbraucht. Auf dem Weg zur Erde durch die Erdatmosphäre (Abb. 2) nimmt die Strahlenleistung der Sonne durch Reflexion, Ablenkung an Wolken und Gebirgen stetig ab. Bei schönem Wetter erreicht die Bestrahlungsstärke auf der Erdoberfläche Spitzenwerte von 1000W/m². Dieser Wert wird darum auch zur Bestimmung der Nennleistung von Solarzellen unter STC-Bedingungen verwendet.

Abbildung 2: Darstellung der Sonneneinstrahlung von der Atmosphärenhülle bis auf die Erdoberfläche

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Die Atmosphäre ist für die Solarstrahlung zum größten Teil undurchlässig, nur im optischen Wellenlängenbereich (0,3 bis 5µm) kann die Strahlung die Atmos- phäre passieren. Dieser Wellenlängenbereich umfasst im Wesentlichen den Bereich des sichtbaren Lichts von 0,38 bis 0,78µm. Infolge der Strahlungs- schwächung innerhalb der Erdatmosphäre verändert sich das Energievertei- lungsspektrum des Sonnenlichts. Abb. 3 zeigt das Spektrum vor und nach dem Durchgang durch die Atmosphäre mit deutlicher Abschwächung der Sonnen- strahlung.

Abbildung 3: Das Strahlungsspektrum der Sonne von AM 0 und AM 1,5⁴

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Verschiedene Solarzellenmaterialien können unterschiedliche Bereiche des Sonnenlichts in Energie umwandeln (Kapitel 2.1.6). In Abb. 4 sind das Sonnenspektrum bei AM 1,5 und die spektrale Empfindlichkeit von unterschiedlichen Solarzellenmaterialien dargestellt.

Abbildung 4: Sonnenspektrum und spektrale Empfindlichkeit von unterschiedlichen Solarzellen⁶

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Die Streuungsmechanismen innerhalb der Atmosphäre bewirken, dass auf die Erdoberfläche letztlich diffuse und direkte Strahlung auftrifft. Unter Direktstrah- lung wird die direkt von der Sonne kommende Strahlung verstanden und bei der Diffusstrahlung handelt es sich um eine Strahlung, die durch Streuung in der Atmosphäre entsteht. Die Summe aus Direktstrahlung und Diffusstrahlung, jeweils bezogen auf eine horizontale Empfangsfläche, wird als Bestrahlungs- stärke (Ee) bezeichnet. Der Anteil der Diffus- bzw. Direktstrahlung ist tages- und jahreszeitlichen Schwankungen unterworfen. In Deutschland ist ein starkes Nord-Süd-Gefälle der Ee zu erkennen (Abb. 5), da meteorologische Faktoren und geographische Gegebenheiten des jeweiligen Standorts unterschiedlich sind. Die Ee ist weiterhin orts- und zeitabhängigen Schwankungen unterworfen. Werden diese gemessenen Strahlungswerte, die als stündliche, tägliche oder monatliche Mittelwerte vorliegen, jeweils über das Jahr aufsummiert und die langjährigen Mittelwerte gebildet, erhält man die an diesem Standort zu erwar- tende Globalstrahlung (G). In Deutschland liegt dieser Jahreswert der Global- strahlung zwischen 920 und 1240kWh/m[2](Abb. 5).

Abbildung 5: Mittelwert der Globalstrahlung in Deutschland, Jahr 2005 [24]

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2 Der Solargenerator

2.1 Die Solarzelle

Die direkte Umwandlung von Licht in elektrische Energie erfolgt durch Solarzellen. Hierzu wird ein großflächiger p/n-Übergang in Halbleiterbauelementen wie Silizium, Gallium-Arsenid, Kadmium-Tellurit oder Kupfer-Indium-Diselenid eingesetzt. Der größte Teil der derzeit hergestellten Solarzellen besteht aus Silizium. Seit über 40 Jahren werden diese Zellen weiterentwickelt und erreichen heutzutage Wirkungsgrade bis zu 28% unter STC-Bedingungen und 18% in der Praxis (Tabelle 1, Kapitel 2.2.4) bei monokristallinen Zellen. Man unterscheidet im Wesentlichen vier Arten von kristallinen Zellen (Abb. 6):

Monokristalline-, polykristalline Siliziumzellen, amorphe Dünnschichtzellen aus verschiedenen Materialien und das EFG-Verfahren mit der entstehenden EFG- Zelle. Zellen mit Verbundstoffen basieren auf einem völlig anderen Konzept, wobei das Solarzellenmaterial als hauchdünne Schicht auf verschiedene Trä- germaterialien wie Glas, Kunststoff oder Metallfolien aufgetragen wird. Die einzelnen Solarzellen werden später in eine so genannte transparente Ethylen- Vinyl-Acetat-Masse (EVA) eingebettet mit einem Rahmen aus Aluminium oder Edelstahl versehen und frontseitig transparent mit Glas abgedeckt (Kapitel

2.4.3, Abb. 31).

Abbildung 6: Diagramm der derzeit aktuellen Zellentypen auf dem Markt

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2.1.1 Kristalline Solarzellen und Sonderformen

Grundsätzlicher Aufbau einer kristallinen Zelle ist ein p-leitendes Substrat und eine n-leitende Schicht, die dem Sonnenlicht zugewandt ist (Abb. 7). In der Solarzelle entsteht ein großflächiger p/n-Übergang (Kapitel 2.1.2), an dem bei Bestrahlung mit Sonnenlicht mit genügender Intensität durch das Einwirken von Lichtquanten (Photonen) eine Spannung auftritt, die bei externen leitenden Verbindungen einen Stromfluss bewirkt.

Abbildung 7: Prinzipieller Aufbau einer Solarzelle¹²

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1 Kontaktfinger, 2 n-leitende Schicht, 3 p/n-Übergang, 4 p-leitende Schicht, 5 ganzflächiger Rückseitenkontakt Der positive Anschluss wird großflächig auf der p-leitenden Oberfläche und der negative Anschluss an schmale Kontaktfinger auf der n-leitenden Schicht ange- lötet.

Eine Sonderform der Solarzellen ist die Farbstoffzelle. Sie ist grundsätzlich anders aufgebaut als klassische Solarzellen. Zwischen zwei leitfähigen und transparenten Elektroden befinden sich eine eingefärbte Titandioxid-Schicht und eine leitfähige Salzlösung als Elektrolyt. Trifft Licht auf die Zelle, wird der Farbstoff angeregt, ein Elektron stößt in das Titandioxid ab und setzt so den Stromkreislauf in Gang. Die eingesetzten Materialien sind ungiftig und kosten- günstig herstellbar. Kleine Laborzellen erreichten bisher Wirkungsgrade bis zu 12% unter STC-Bedingungen⁶.

MIS (Metall-Isolator-Silizium). Dieser Solarzellentyp enthält im Unterschied zu den kristallinen Solarzellen keinen p/n-Übergang. Die Funktion der Ladungs- trennung erfüllt hier eine elektrische Inversionsschicht aus Siliziumdioxid mit eingebauten Cäsiumatomen. Der Vorteil liegt in der Vereinfachung des Herstel- lungsprozesses, bei der keine Hochtemperaturschritte zur Dotierung benötigt werden. Wirkungsgrade bis zu 18% unter STC-Bedingungen sind schon er- reicht worden ⁶.

2.1.2 Solarzellen mit p/n - Übergang

In der vierten Gruppe des Periodensystems der Elemente stehen die Halbleiter. Das heißt, dass die Halbleiter vier Valenzelektronen auf ihrer äußeren Schale besitzen und mit dem jeweils benachbarten Atomen und deren Außenelektro- nen den stabilen Zustand anstreben. Dadurch entsteht zwischen einem be- nachbarten Atom und dessen freien Elektronen eine Elektronen-Paarbildung.

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Abbildung 8: Aufbau eines Siliziumkristallgitters

Das Siliziumkristallgitter wird durch Temperatureinwirkungen gestört. Bei 0 Kelvin schafft es kein Elektron, sich vom Siliziumatomkern zu lösen. Bei Raum- temperatur gerät das Gitter in Schwingung, so dass sich einige Elektronen vom Atomkern lösen. Man spricht von der Elektronen-Loch-Paarbildung oder auch Eigenleitung, da Elektronen, die sich aus ihrer Bindung trennen, jeweils ein Loch an dieser Stelle hinterlassen. Nun steht ein freies Elektron zur Energie- übertragung bereit. Erhöht man die Temperatur, verstärkt sich dieser Effekt und die Leitfähigkeit.

2.1.3 Dotieren von Halbleiterelementen

Um die Leitfähigkeit von Halbleitern weiter zu erhöhen, versucht man, Fremd- atome mit höher- oder niederwertigen Stoffen als das Ausgangsmaterial in die Struktur des Siliziumgitters einzubringen und nennt dies Störstellenleitung. Das Einbringen von Fremdatomen nennt man Dotieren. Bringt man fünfwertigen Phosphor in die Struktur eines Siliziumkristalls ein, so bleibt ein Elektron, das Donatorelektron, ohne feste Bindung und steht zur elektrischen Energieleitung zur Verfügung (Abb. 9). Die Leitfähigkeit des Halbleiters steigt an. Ein so dotiertes

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Abbildung 9: Siliziumkristall mit Phosphor dotiert (n-leitend, n-dotiert)

Beim Dotieren von dreiwertigen Stoffen wie Bohr fehlt ein Elektron für die Elektronenpaarbildung, da Bohr nur drei Außenelektronen besitzt (Abb. 10). Hierbei spricht man von einem Loch. Löcher, auch Defektelektronen genannt, tragen ebenfalls zur elektrischen Energieübertragung bei, da Elektronen in sie hinein springen und an ihrer Herkunftsstelle wieder ein Loch hinterlassen. Ein so dotiertes Material heißt p-dotiert und ist p-leitend.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 10: Siliziumkristall mit Bohr dotiert (p-leitend, p-dotiert)

2.1.4 Das Bändermodell

Für die elektrische Leitfähigkeit sind die äußeren Elektronen, die Valenzelektro- nen, von Bedeutung, die sich auf dem Valenzband befinden. Energetisch höhe- re Bänder werden Leitungsbänder genannt. Zwischen beiden Bändern besteht die so genannte Energielücke. Bei Halbleitern ist diese sehr gering und liegt zwischen 1eV und 2eV (elektronen Volt). D.h., ein Elektron kann sehr leicht, z.B. durch Wärme- oder Lichtzufuhr, vom Valenzband in das Leitungsband wechseln, wird frei beweglich und trägt dann zur elektrischen Leitfähigkeit bei (Abb.11). Man bezeichnet den Vorgang des Bandwechsels als Generation von Ladungsträgern oder Elektronen-Loch-Paarbildung, da das Elektron quasi ein Loch im Valenzband hinterlässt, wenn es in das Leitungsband wechselt. In den entstandenen Löchern können nun benachbarte Elektronen aus dem Silizium- gitter hineinspringen und von dort aus in das Leitungsband wechseln. Darum wirken auch Löcher als Ladungsträger. Bei der Generation sind immer gleich viel Löcher wie Elektronen vorhanden, wobei sich die Löcher im Valenzband und die Elektronen im Leitungsband aufhalten.

Abbildung 11: Darstellung des Bändermodells beim Halbleiter

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2.1.5 Der p/n - Übergang

Fügt man n-dotiertes und p-dotiertes Silizium zusammen, entsteht der so ge- nannte p/n-Übergang. An der Grenzfläche der unterschiedlich dotierten Kristalle wandern nun die Elektronen aus dem n-Bereich in den löcherbehafteten p- Bereich und besetzen dort die Löcher (Abb. 12). Dieser Vorgang geschieht bis zu einer gewissen Tiefe, der Diffusionstiefe. Es bildet sich eine sogenannte Raumladungszone aus.

Abbildung 12: Schematische Darstellung des p/n-Übergangs

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Durch das Abwandern der Elektronen aus dem n-Bereich wird dieser nun leicht positiv geladen, da die positiven Atomrümpfe, die so genannten Donatoren, zurückbleiben. Im p-Bereich werden die Löcher von Elektronen des n-Bereichs ausgefüllt, den so genannten Akzeptoren. Dadurch steigt die Zahl der negativen Ladungsträger, der p-Bereich wird leicht negativ geladen. Durch die Ladungs- trennung ist nun ein elektrisches Feld entstanden, welches eine Spannung zur Folge hat. Diese Spannung wird auch Diffusionsspannung genannt und liegt bei Silizium zwischen 0,6 - 0,7V.

2.1.6 Der innere Photoeffekt

Fallen Photonen, Träger der Lichtenergie, auf die Kristallstruktur und dringen in sie hinein, so geben sie ihre Energie an das Kristallgitter ab. Licht mit längeren Wellenlängen, also kleineren Frequenzen hat weniger Energie als Licht mit kürzeren Wellenlängen und größeren Frequenzen. Um in einem Halbleiter ein Elektron aus dem Valenzband in das Leitungsband anzuregen, wird ein Photon benötigt, dessen Energie mindestens der der Energielücke im Halbleiter ent- spricht. Das heißt, es muss Licht mit genügend hoher Energie eingestrahlt werden (Abb. 13). Es entstehen wie auch unter dem thermischen Einfluss Elekt- ronen-Loch-Paare.

Abbildung 13: Darstellung der Lichteinstrahlung und der Wärmeentwicklung

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2.1.7 Der photovoltaische Effekt

Durch Abgabe des fünften Außenelektrons werden die n-dotierte Schicht positiv und die p-dotierte Schicht durch Auffüllen der Löcher negativ geladen. Fällt Sonnenlicht auf die Solarzelle, werden Elektronen aus der Elektronen- paarbindung des Halbleiters gelöst. Durch die elektrostatischen Anziehungs- kräfte zwischen entgegengesetzten Ladungen wandern die entstandenen frei- beweglichen Elektronen zur positiv geladenen n-dotierten Schicht. Durch Auffül- len der Löcher mit Valenzelektronen benachbarter Siliziumatome wandern die Löcher scheinbar zur negativ geladenen p-dotierten Schicht. Es entstehen Elektronenüberschuss in der n-dotierten Schicht und Elektronenmangel in der p-dotierten Schicht (Abb. 14).

Abbildung 14: Lichteinfall auf den p/n-Übergang

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Durch Anbringen von Kontakten an den dotierten Schichten ist die Leerlaufspannung (UOC) der Solarzelle abgreifbar. Schließt man die Kontakte kurz, so fließt der Kurzschlussstrom (ISC) (Kapitel 2.3).

2.2 Die Solarzellentypen

2.2.1 Monokristalline Siliziumzelle

Bei der Herstellung von monokristallinem Silizium wird der Czochralski-Prozess angewandt. Mittels eingetauchtem Kristallkeim wird aus einer hochreinen Sili- ziumschmelze unter langsamem Drehen ein runder Einkristallstab mit bis zu 30cm Durchmesser und mehreren Metern Länge gezogen. Dies ist einer der energieintensivsten Prozesse bei der Herstellung von monokristallinen Zellen und findet bei Temperaturen von 1420°C statt. Der runde Stab wird meist auf einen quadratischen Querschnitt zugeschnitten und anschließend in 0,3mm dicke Scheiben gesägt, welche auch Wafer genannt werden und in Abb. 15 zu sehen sind. Das Design von runden zu quadratischen Wafern hat den Grund der besseren Flächenausnutzung. Beim Zuschneiden der Wafer geht ein Groß- teil des Siliziums als Sägeabfall verloren. Auf die bereits p-dotierten Wafer wird eine dünne n-dotierte Schicht durch Phosphor-Diffusion aufgedampft. Mit dem Aufbringen der Rückseitenkontaktschicht und der Antireflexschicht, welche dafür sorgt, dass möglichst wenig Licht an der Zellenoberfläche reflektiert wird, ist die Solarzelle komplett. Diese Solarzellen besitzen einen hohen Wirkungs- grad von 14 bis 18% in der Praxis und eine voraussichtlich lange Lebensdauer von ca. 30 Jahren.

Abbildung 15: Verschiedene monokristalline Waferbauformen

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2.2.2 Polykristalline Siliziumzelle

Polykristallines Silizium ist einfacher und kostengünstiger herzustellen als mo- nokristallines. Meist wird hierbei das Blockgießverfahren angewandt. So entste- hen Blöcke von 40 x 40cm und einer Höhe von 30cm. Die Blöcke werden zu- nächst in Stangen und danach in 0,3mm dicke Wafer gesägt. Vorteile sind der geringere Sägeabfall als beim Beschneiden von monokristallinen Zylindern und die billigere Herstellung. Die anschließenden Schritte bis zum fertigen Wafer erfolgen genauso wie bei monokristallinen Zellen. Der Unterschied besteht darin, dass sich beim Blockgießverfahren Kristalle unterschiedlicher Orientierung ausbilden, wie in Abb. 16 dargestellt. Nachteil dieser Zellen ist der etwas geringere Wirkungsgrad von 13 bis 15% in der Praxis.

Abbildung 16: Darstellung unterschiedlicher Kristallausbildung von polykristallinen Siliziumzellen

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Bei der Zellenherstellung geht etwa die Hälfte des Siliziums als Sägeverschnitt verloren. Außerdem erfordern die gesägten Wafer aus mechanischen Gründen eine Dicke von etwa 0,3mm. Um Materialverluste zu reduzieren und die Materi- alausnutzung zu erhöhen, wurden verschiedene Bandziehverfahren entwickelt, so auch das so genannte EFG-Verfahren (Edge-defined Film-fed Growth), entwickelt von der Firma RWE-Shott Solar. Dabei lässt man aus Reinstsilizium achteckige Röhren von etwa 5,6m Länge nach unten wachsen. Die Kantenlän- ge der einzelnen Seiten betragen 10cm, die Wandstärke 280µm, (Abb. 17). Nach Fertigstellung der Röhre wird diese entlang der Kanten mit Lasern ge- schnitten. Daraus ergibt sich die Möglichkeit der Herstellung von Zellen mit unterschiedlichen Kantenlängen, z.B. 10 x 15cm oder 10 x 10cm. Es wird eine Ausbeute von etwa 80% des Ausgangsmaterials erzielt. Dieses Verfahren wird auch Octagon-Verfahren genannt.

Abbildung 17: In die Fläche gezogener Wafer durch das EFG-Verfahren⁶

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2.2.3 Amorphe Siliziumzelle

Bei der Herstellung von Amorphen Siliziumzellen (ASI) werden photoaktive Halbleiter als dünne Schichten auf ein Trägermaterial wie Glas, Kunststoff oder Metall aufgebracht. Das amorphe Silizium wird durch chemische Abscheidung bei Temperaturen von nur 200°C aus gasförmigem Silan hergestellt. Ein weite- rer Vorteil ist, dass die Größen dieser Zellen frei auswählbar sind. Nachteile sind ihr zu geringer Wirkungsgrad von 8 bis 10% in der Praxis und ihre lichtin- duzierende Alterung. Anwendung finden diese Dünnschichtzellen der ersten Generation z.B. in Armbanduhren oder Taschenrechnern (Abb. 18).

Abbildung 18: Darstellung einer ASI-Dünnschichtzelle

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2.2.3.1 CIS - Zellen

CIS steht für Kupfer-Indium-Diselenid bzw. Kupfer-Indium-Disulfid. Bei der Herstellung wird das Trägermaterial Glas in einer Vakuumkammer bei Tempe- raturen um 500°C mit einer dünnen Kontaktschicht überzogen, auf die eine p- leitende CIS-Absorptionsschicht aufgebracht wird. Anschließend wird eine n- leitende Cadmium-Sulfid-Pulverschicht aufgebracht. Vorteil sind ihre deutlich günstigeren Produktionskosten im Vergleich zu kristallinen Modulen. Nachteil dieser Zellen ist ihr Stabilitätsproblem bei heißer und feuchter Umgebung. Des- halb ist bei der Herstellung von CIS-Modulen auf eine sehr gute Feuchtversie- gelung zu achten. Der Wirkungsgrad beträgt 9 bis 13% in der Praxis und maxi- male Fertigungsgrößen liegen bei 0,60 x 1,20m bei einer Dicke des Trägerma- terials von 0,003mm (Abb. 19).

Abbildung 19: Darstellung von verschiedenen CIS-Modulen

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2.2.3.2 CdTe - Zellen

Kadmium-Tellurid-Zellen sind sehr günstig herstellbar. Zur Herstellung werden transparente leitfähige Oxidschichten, wie eine möglichst dünne n-leitende Cadmiumsulfid-Schicht, sowie anschließend eine p-leitende CdTe- Absorptionsschicht auf ein Trägermaterial aufgebracht. Die Abscheidung der Halbleiter erfolgt bei etwa 700°C im Vakuumverfahren. Anfängliche Probleme mit der Marktakzeptanz aufgrund der Toxizität von Cadmium sind weitgehend durch vollkommen geschlossene Produktionsanlagen behoben. Gesundheitsri- siken bringt nur der gasförmige Zustand von Cadmium. Er ist aber als Verbin- dung mit Tellurid ungiftig. Bei einer Laborsolarzelle sind schon etwa 16% Wir- kungsgrad erreicht worden. Modulwirkungsgrade liegen aber bisher noch zwi- schen 9 und 10% in der Praxis. Die Formen der Module sind frei wählbar und haben meist eine dunkelgrün spiegelnde bis schwarze Farbe (Abb. 20).

Abbildung 20: Darstellung eines CdTe-Moduls

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2.2.3.3 GaAs - Zellen

Gallium-Arsenid-Zellen ist eine Tandemzelle aus einer Verbindung der chemi- schen Elemente Gallium und Arsen. GaAs-Zellen besitzen hohe Wirkungsgra- de, in der Praxis bis zu 26%, sind sehr temperaturbeständig und haben bei Erwärmung geringere Leistungsabfälle als kristalline Siliziumzellen. Sie sind jedoch noch sehr teuer in der Herstellung und finden vor allem wegen ihrer Strahlungsresistenz im Weltraum Verwendung.

2.2.4 Auswertung und Vergleich der Solarzellen

Es wird deutlich, dass bei Solarzellen die Wirkungsgrade stark nach oben ein- geschränkt sind und auch mit größtem technischen und finanziellen Aufwand bei Zellen kaum Wirkungsgrade über 30% unter STC-Bedingungen erreicht werden. Dies liegt an den natürlichen Grenzen des Wirkungsgrades. Grund- sätzlich sind die einzelnen Halbleitermaterialien oder -kombinationen nur für bestimmte Spektralbereiche des einfallenden Lichtes geeignet, wie in Abb. 4

dargestellt. Ein bestimmter Anteil der Strahlungsenergie kann also nicht genutzt werden, weil die Photonen nicht über ausreichend Energie verfügen, um La- dungsträger aktivieren zu können. Auf der anderer Seite wird ein gewisser Anteil an Photonenüberschussenergie nicht in elektrische Energie, sondern in Wärme umgewandelt. Hinzu kommen optische Verluste wie die Abschattung der Zelloberfläche durch die Kontaktierung oder die Reflexion einfallender Strahlung an der Zelloberfläche. Auch elektrische Widerstandsverluste im Halb- leiter und in den Anschlussleitungen sind als Verlustmechanismen zu nennen. Der störende Einfluss von Materialverunreinigungen, Oberflächeneffekten und Kristalldefekten ist ebenfalls nicht unerheblich. Einzelne Verlustmechanismen wie Photonen mit zu geringer Energie und Photonenüberschussenergie, welche in Wärme umgewandelt wird, können nicht weiter optimiert werden, weil dies aus physikalischen Gründen durch das verwendete Material vorgegeben ist. Dies führt zu einem theoretisch maximal möglichen Wirkungsgrad von 28% bei kristallinem Silizium unter STC-Bedingungen. Eine Steigerung der Wirkungs- grade versucht man durch neue Produktionsverfahren und Materialverbesse- rungen zu erreichen, um dabei auch eine Kostensenkung der Module zu ermög- lichen. Verbesserungen sind z.B.:

- Oberflächenstrukturierung zur Verminderung von Reflexionsverlusten, z.B. Aufbau der Zelloberfläche in Pyramidenstruktur, damit einfallendes Licht mehrfach auf die Oberfläche trifft. Man spricht auch von so genannten Licht- fallen.
- Intelligentes Schneiden: Der Siliziumverbrauch kann durch den Einsatz des Laserschneidens erheblich gesenkt werden.
- Tandem- oder Stapelzellen: Um ein breites Strahlungsspektrum der Sonne nutzen zu können, werden unterschiedliche Halbleitermaterialien, die für verschiedene Spektralbereiche geeignet sind, übereinander angeordnet.
- Konzentratorzellen: Durch die Verwendung von Spiegel- und Linsensyste- men wird eine höhere Lichtintensität auf die Solarzelle fokussiert. Diese Sys- teme werden der Sonne nachgeführt, um stets die direkte Strahlung auszu- nutzen.
- MIS-Inversionsschicht-Zellen: Das innere elektrische Feld wird nicht durch einen p/n-Übergang erzeugt, sondern durch den Übergang einer dünnen Oxidschicht zu einem Halbleiter.
- Farbstoffzellen, auch Grätzel-Zellen genannt: Es handelt sich um eine elekt- rochemische Flüssigkeitszelle mit Titanoxid als Elektrolyten und einem Farbstoff zur Verbesserung der Lichtabsorption.

Tabelle 1 Vergleich aktueller Solarzellentypen und deren Wirkungsrade

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.3 Kennwerte einer Solarzelle

Die Kenngrößen einer Solarzelle werden für die so genannten STC- Bedingungen angegeben. Das bedeutet, es liegen ein Ee von 1000 W/m² in Modulebene, eine Temperatur der Solarzelle von konstant 25°C und ein Strah- lungsspektrum von AM 1,5 vor.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 21: Versuchsaufbau für eine Strom -/ Spannungsmessung einer Solarzelle

Durch Abtragen der Strom- und Spannungsmesspunkte in ein Diagramm beim Verändern des Widerstands (Abb. 21) ergeben sich eine gestrichelte U/I- Kennlinie (Abb. 22) und eine daraus resultierende Leistungskennlinie P.

Abbildung 22: Strom- / Spannungskennliniendiagramm bei konstanter Ee von 1000W/m² und einer konstanten Temperatur von 25°C (STC-Bedingung) und dabei resultierender Leistungskurve P¹

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Verlauf und die Form der Kurve wird im Wesentlichen durch 5 Punkte fest- gelegt:

- Leerlaufspannung VOC, UOC (open circuit) oder UL, d.h. ein unendlicher Wi- derstand ist angeschlossen oder der Anschluss zum Widerstand ist unterb- rochen, es fließt kein Strom mehr und die maximale Spannung liegt an.

Nach Erreichen dieses Wertes ist die UOC nur noch geringfügig von der jeweiligen Ee abhängig. Sie wird allerdings stark von der Temperatur der Solarzelle beeinflusst (Abb. 25).

- Kurzschlussstrom ISC (short circuit) oder IK, d.h. es ist kein Widerstand an- geschlossen (Kurzschluss) und es fließt der maximale Strom. Im Gegensatz zur UOC ist der ISC stark von der Ee, weniger von der Temperatur abhängig (Abb. 23).

- Maximale erzielbare Leistung PMPP, bezeichnet den Punkt, bei dem eine Solarzelle oder ein Solarmodul unter STC-Bedingungen die maximale Leistung abgibt (Abb. 22). Er ist stark abhängig von der Ee und der Zellentemperatur (Abb. 24 und 27).

- UMPP ist die Spannung, die im Maximum Power Point anliegt und immer kleiner als UOC ist (Abb. 22).

- IMPP ist der Strom, der im Maximum Power Point fließt und immer kleiner als ISC ist (Abb. 22).

Die U/I-Kennlinie einer Solarzelle ist stark abhängig von der Ee und der Zellentemperatur. Abb. 23 zeigt die Kennlinie mit unterschiedlichen Ee, aber konstanter Zellentemperatur von 25°C als Parameter. Man erkennt, dass der ISC proportional zur Ee ist. D.h., mit abnehmender Ee sinkt der ISC proportional stark ab und die UOC nur geringfügig.

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Abbildung 23:U/I-Kennlinien in Abhängigkeit der Ee und konstanter Temperatur eines Sunglobe E175P-Moduls ¹⁶

In Abb. 24 ist erkennbar, dass die resultierenden P-Kennlinien bei unterschied- licher Ee stark variieren. D.h., mit abnehmender Ee sinkt die PMPP der Solarzel- le.

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Abbildung 24: resultierende P-Kennlinien in Abhängigkeit der Ee und konstanter Temperatur eines Sunglobe E175P- Moduls¹⁶

In Abb. 25 wird dagegen die Temperaturabhängigkeit der Solarzelle bei kons- tanter Ee von 1000W/m² verdeutlicht. Mit steigender Temperatur nimmt der ISC nur noch leicht zu. Die UOC sinkt dagegen sehr stark ab. Demzufolge ist an warmen Tagen für eine ausreichende Kühlung der Solarzellen zu sorgen.

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Abbildung 25: Stromkennlinie in Abhängigkeit der Temperatur und konstanter Ee eines Sunglobe E175P-Moduls ¹⁶

Weiterhin erkennt man in Abb. 25 den großen MPP-Spannungsbereich der Solarzellen, der ein wichtiges Kriterium bei der Auswahl des WR (Kapitel 6.1, Abb. 51) ist.

Insgesamt sinkt mit zunehmender Zellentemperatur die Leistungsfähigkeit der Solarzellen (Abb. 27). Dieses Verhalten wird mit dem Temperaturkoeffizienten beschrieben. In Datenblättern finden sich häufig diesbezüglich Koeffizienten, die das Temperaturverhalten der wesentlichen elektrischen Parameter be- schreiben. Sie geben an, um wie viel Prozent sich die UOC bzw. die PMPP und der Wirkungsgrad einer Solarzelle oder eines Moduls pro Grad Celsius verrin- gert, wenn die Zellentemperatur zunimmt. Die Spannung hat beispielsweise einen negativen Temperaturkoeffizienten und sinkt bei steigender Temperatur. Der Strom hingegen steigt geringfügig an. Im Ganzen besitzt die Leistung einer Solarzelle bzw. eines Moduls einen negativen Temperaturkoeffizienten. Typische Werte sind in Tabelle 2 dargestellt.

Tabelle 2 Temperaturkoeffizienten

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Beispiel an einer kristallinen Solarzelle und dem Temperaturkoeffizient der Leistung: Bei jedem Grad Temperaturerhöhung liefert eine kristalline Solarzelle etwa 0,46% weniger Leistung. Das bedeutet: Wenn sich die Solarzelle von 25°C auf 75°C erhitzt (Abb. 26), erzielt sie durch 50Kelvin (K) Temperaturdifferenz eine ca. 23% geringere Leistung als bei 25°C. Hat das Solarmodul unter STC- Bedingungen einen Modulwirkungsgrad von 28%, so hat es bei einer Erwär- mung auf 75°C nur noch einen Wirkungsgrad von 21,56%.

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