Energiegewinnung durch Photovoltaik

Inhalt

1 Einleitung

2 Grundlagen der photovoltaischen Energiegewinnung
2.1 Halbleiter
2.1.1 Bändermodell
2.1.2 Leitungsmechanismen im Halbleiter
2.2 Solarzelle
2.2.1 Prinzipieller Aufbau einer kristallinen Solarzelle
2.2.2 Funktionprinzip einer Solarzelle
2.2.3 Wirkungsgrad und Verluste in einer kristallinen Solarzelle
2.2.4 Energetische Amortisationszeit

3 Bedeutung der photovoltaischen Energiegewinnung für ein zukünftiges Energiesystem in Deutschland
3.1 Problematik der derzeitigen Energieversorgung in Deutschland
3.2 Realisierbares Potenzial der Photovoltaik in Deutschland
3.2.1 Globalstrahlung in Deutschland
3.2.2 Flächenpotenzial in Deutschland
3.2.3 Stromerzeugungspotenzial in Deutschland
3.3 Kombination regenerativer Energieträger
3.3.1 Energiespeichermöglichkeiten
3.3.2 Stromgestehungskosten

4 Abschließender Ausblick

Quellenverzeichnis

1 Einleitung

Haben noch zum Ende des 18. Jahrhunderts Energieträger wie Erdöl oder Kohle kaum eine Rolle zur Deckung des Energiebedarfs der Menschen gespielt, begann mit der industriellen Revolution in England im 19. Jahrhundert ein beispielloser Verbrauch von fossilen Energieressourcen, der bis heute anhält. Derzeit decken Kohle, Erdöl und Erdgas insgesamt mehr als 85 % des Weltprimärenergiebedarfs; durch die zunehmende Verknappung der Vorkommen steigen schon heute die Preise immer stärker. Nach den Ölpreiskrisen im Jahr 1973 und 1979 stieg weltweit das Interesse nach nachhaltigen, regenerativen Energieträgern.¹

Dabei ist die Photovoltaik die wohl faszinierendste Technologie zur Energiegewinnung, denn sie wandelt das Sonnenlicht in Solarzellen auf direktem Weg in den Universalenergieträger Elektrizität um. Mit der vorliegenden Facharbeit soll die Technik untersucht werden, die hinter dieser Form der Energieerzeugung steckt. Dabei soll zunächst ein Einblick in die Halbleiterthematik erfolgen, die universell für die photovoltaische Energiegewinnung ist, um daraufhin mit den Kenntnissen die komplexe Funktionsweise einer Solarzelle zu erläutern. Im Rahmen dieser Facharbeit wird eine Eingrenzung auf kristalline Solarzellen aus dem Halbleiter Silizium vorgenommen, die weltweit am verbreitetsten sind.

Vor dem Hintergrund der erschöpfenden fossilen Energieträger und dem fortschreitenden Klimawandel wäre die Facharbeit nicht vollständig, wenn nicht auch der Frage über die Bedeutung der photovoltaischen Energiegewinnung für ein zukünftiges Energiesystem in Deutschland nachgegangen werden würde. Durch Betrachtung verschiedener Faktoren soll dazu eine Einschätzung des Potenzials der Photovoltaik erfolgen. Zudem wird zum Schluss ein Ausblick über die Realisierbarkeit einer nachhaltigen Energieversorgung in Deutschland durch Kombination verschiedener regenerativer Energieträger gemacht.

2 Grundlagen der photovoltaischen Energiegewinnung

2.1 Halbleiter

Halbleiter sind für die Photovoltaik von entscheidender Bedeutung. Nach Madelung werden Halbleiter wie folgt definiert:

„Halbleiter sind kristalline Festkörper, die in reinem Zustand in der Nähe des absoluten Nullpunktes der Temperatur isolieren, bei höheren Temperaturen jedoch entweder eine eindeutig nachweisbare elektronische Leitfähigkeit besitzen, durch Störung des idealen Gitteraufbaues eine Leitfähigkeit erhalten, oder bei welchen zumindest durch äußere Einwirkung eine Leitfähigkeit erzwungen werden kann.“²

In der Photovoltaik wird meist das Halbleitermaterial Silizium (Si) verwendet, welches mit über 85% der Weltproduktion den Photovoltaikmarkt dominiert.³ Silizium ist ein Element aus der vierten Gruppe des Periodensystems der Elemente und besitzt daher vier Elektronen in seiner äußeren Schale, die so genannten Valenzelektronen. Um die stabile, energetisch günstige Elektronenkonfiguration des Edelgases Argon (Ar) zu erhalten, geht es mit vier benachbarten Atomen eine Elektronenpaarbindung ein. Die Elektronen werden dabei von zwei Atomen gemeinsam genutzt und es bildet sich durch die Bindungen eine Kristallstruktur, welche auch als Diamantgitter bezeichnet wird (vgl. Abb. 1).⁴

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.1.1 Bändermodell

Elektronen umkreisen nach dem Bohr'schen Atommodell auf Kreisbahnen den Atomkern. Im Bändermodell nehmen verschiedene Elektronenbahnen jeweils eine begrenzte Anzahl an Elektronen auf. Die erste Bahn kann 2 Elektronen, die zweite Bahn 8, die dritte 18, die vierte 32 und die fünfte 50 Elektronen aufnehmen. Die Bänder werden vom ersten Band an nacheinander vollständig mit Elektronen gefüllt. Das Energieniveau der jeweiligen Elektronenbahn sinkt mit der zunehmenden möglichen Elektronenaufnahmeanzahl. Das oberste vollständig gefüllte Band wird als Valenzband bezeichnet, dass darüber liegende Leitungsband kann entweder teilweise mit Elektronen gefüllt oder vollständig leer sein. Zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband befindet sich eine Bandlücke, die als verbotene Zone bezeichnet wird und nicht erlaubte Energiezustände enthält. Abhängig von der Größe der Bandlücke und der Elektronenbesetzung der Bänder werden verschiedene Festkörper in elektrische Leiter, Halbleiter und nichtleitende Isolatoren unterteilt. Aus Abbildung 2 wird deutlich, dass der Bandabstand (Eg) des Valenzband zum Leitungsband von Leitern sehr klein ist oder sich gegenseitig überlappt. Zudem besitzen Leiter auch frei bewegliche Ladungsträger im Leitungsband, die somit zur Elektronenleitung beitragen. Der Bandabstand von Isolatoren ist zu groß, um Elektronen ins Leitungsband anzuheben, welches zudem unbesetzt ist.⁵ Bei Halbleitern ist der Bandabstand mit Eg < 5 eV relativ gering, jedoch ist das Leitungsband bei 0 K leer. Da dadurch keine Ladungsträger für eine elektrische Leitfähigkeit vorhanden sind, ist der Halbleiter im absoluten Nullpunkt der Temperatur ein Isolator.⁶

2.1.2 Leitungsmechanismen im Halbleiter

Damit ein Halbleiter elektrische Leitfähigkeit aufweisen kann, müssen freie Ladungsträger vorliegen. Die Generation von freien Ladungsträgern im Halbleiter erfolgt durch thermische oder optische Anregung. Durch diese Energiezufuhr werden Valenzbindungen aufgebrochen und Elektronen ins Leitungsband angehoben. Das Elektron ist nun im Kristallgitter frei beweglich und im Valenzband bleibt ein Loch zurück. Die Eigenleitung des Halbleiters entsteht, welche mit steigender Temperatur oder Strahlungseinfluss stark zunimmt. Da sich jedoch die Eigenleitung nicht zur Energiegewinnung nutzen lässt, verwendet man die so genannte Störstellenleitung.

Durch eine n-Dotierung⁷ der Kristallstruktur des Siliziums mit einem Element aus der V. Gruppe des Perioden­systems wie Phosphor (P), das im Gegensatz zu den vier Valenzelektronen des Siliziums fünf Elektronen in der äußeren Schale aufweist, steht ein zusätzliches Elektron zur Verfügung (vgl. Abb. 3). Durch eine sehr geringe Energiezufuhr kann der negative Ladungsträger vom Valenzband ins Leitungsband angehoben werden. Das eingebaute Fremdatom ist somit ein Elektronendonator.

Werden hingegen Atome aus der III. Gruppe wie Bor (B) mit drei Valenzelektronen durch eine p-Dotierung in die Kristallstruktur eingebaut, entsteht an dieser Stelle ein Loch als Störstelle (vgl. Abb. 4). Durch eine geringe Energiezufuhr kann das Loch vom Fremdatom gelöst werden und sich im Halbleiter als positiver Ladungsträger bewegen. Das eingebaute Fremdatom dient somit als ein Elektronenakzeptor.

In einem Halbleiter entsteht ein p-n-Übergang, wenn eine p-dotierte an eine n-dotierte Schicht stößt. Aufgrund der räumlichen Konzentrations­unterschiede an Ladungsträ­gern treten Diffusionsströ­mungen von Elektronen vom n-Gebiet ins p-Gebiet ein und von Löchern vom p-Gebiet ins n-Gebiet (vgl. Abb. 5). Durch die Ausgleichsvorgänge sind in der Übergangszone nur wenige freie Ladungsträger vorhanden. Die fest in das Kristallgitter eingebauten Fremdatome bleiben zurück und bilden eine Raumladungszone aus, die im n-Gebiet positiv und im p-Gebiet negativ geladen ist. Das aus den Raumladungen resultierende elektrische Feld ist der Diffusion der Ladungsträger entgegen gerichtet wodurch sich eine Diffusionsspannung einstellt.⁸

2.2 Solarzelle

In einer Solarzelle erfolgt die direkte Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie.⁹ Man unterscheidet zwischen verschiedenen Solarzellentypen, die sich in ihrem Aufbau und den verwendeten Materialien unterscheiden. Am verbreitetsten sind dabei weltweit mono- und polykristalline Solarzellen aus Silizium. Monokristallines Silizium wird in einem weiteren Produktionsschritt zu einem einzigen Kristall gezogen, während polykristallines Silizium aus mehreren Kristallen besteht.¹⁰

2.2.1 Prinzipieller Aufbau einer kristallinen Solarzelle

Solarzellen haben eine optisch offene Oberfläche und besitzen Metallkontakte auf der Vorder- und Rückseite (vgl. Abb. 6). Die Flächengrenzen liegen bei kristallinen Solarzellen aus Silizium üblicherweise bei etwa 10 x 10 cm, jedoch maximal bei 20 x 20 cm. Solarzellen besitzen eine Dicke zwischen 200 und 300 μm; wobei die obere n-dotierte Schicht nur 1,5 μm dick ist und die Grenzschicht etwa 1 μm dick ist.¹¹

2.2.2 Funktionprinzip einer Solarzelle

Die Generation von freien Ladungsträgern im Halbleiter erfolgt durch thermische oder optische Anregung (vgl. Abschnitt 2.1.2). Für die photovoltaische Nutzung von Halbleitern ist jedoch vor allem die optische Anregung durch Lichtquanten, so genannten Photonen, von Interesse. Die auf die Solarzellen treffenden Photonen können durch ihre hohe Energie Valenzbindungen in den Halbleiterstrukturen aufbrechen und ein Elektronen-Loch-Paar erzeugen. Das dabei ionisierte Elektron wird vom Valenzband ins Leitungsband angehoben, was als innerer Photoeffekt bezeichnet wird (vgl. Abb. 7).

Photonen werden in der Solarzelle absorbiert, wobei abhängig von der Wellenlänge des Lichtes energiereiches kurzwelliges Licht fast vollständig absorbiert wird und energieärmeres langwelliges Licht für den Halbleiter nahezu transparent ist. Silizium hat einen Bandabstand von 1,124 eV. Damit ein Photon ein Elektron vom Valenzband ins Leitungsband anheben kann, muss es mindestens diese Energie besitzen. Die Grenzwellenlänge λg für das einfallende Licht beträgt 1100 Nanometer (nm), bei der noch Ladungsträger generiert werden können.¹²

Die durch die Absorption der Photonen erzeugten Ladungsträger befinden sich innerhalb der Raumladungszone oder im Abstand einer Diffusionslänge von bis zu 16 μm.¹³ Durch das elektrische Feld an der Raumladungszone erfolgt eine Trennung der Ladungsträger, wobei die Elektronen in das n-Gebiet und die Löcher in das p-Gebiet beschleunigt werden. Die Elektronen sammeln sich an den Metallkontakten der Oberseite, die Löcher an der metallisierten Rückseite der Solarzelle. Schließt man diese beiden Enden der Solarzelle kurz, fließen die Elektronen über einen Wechselrichter, der die erzeugte Gleichspannung in Wechselspannung umwandelt, und einem elektrischen Verbraucher, um schließlich an der metallisierten Rückseite mit den Löchern zu rekombinieren.¹⁴

2.2.3 Wirkungsgrad und Verluste in einer kristallinen Solarzelle

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle hängt von mehreren Faktoren ab, verschiedene Verluste begrenzen dabei die Effektivität der photovoltaischen Energieerzeugung.

Photonen aus langwelligem, energieärmeren Licht können keine Elektronen-Loch-Paare erzeugen, Photonen aus kurzwelligem, energiereichen Licht können nur ein Elektronen-Loch-Paar erzeugen und geben die überschüssige Energie als Wärme an das Kristallgitter des Siliziums ab.¹⁵ Durch die Sonneneinstrahlung auf die Oberfläche der Photovoltaikanlagen und der Abgabe der überschüssigen Energie an das Kristallgitter kommt es zu einer sich negativ auswirkenden Temperaturerhöhung in der Solarzelle.¹⁶

Der Generation von Elektronen-Loch-Paaren in der Solarzelle wirken zudem unterschiedliche Rekombinationsprozesse entgegen, welche die Lebensdauer der generierten Ladungsträger begrenzen. In Silizium-Solarzellen überwiegt die Auger-Rekombination. Die beim Zustandekommen einer Valenzbindung frei werdende Energie wird dabei an einen Ladungsträger übertragen, sodass dieser die zusätzliche Energie in der Folge durch zahlreiche Stöße mit dem Kristallgitter wieder abgibt und in seinen energetischen Ausgangszustand zurückkehrt. Als strahlende Rekombination bezeichnet man die Umkehrung der Ladungsträgergeneration durch optische Anregung, bei der durch das Zurückfallen eines Elektrons vom Leitungsband in das Valenzband ein Photon emittiert wird. Für kristalline Solarzellen aus Silizium spielt dieser Effekt jedoch vorwiegend im nichtsichtbaren Spektralbereich des Lichts statt.¹⁷ Des weiteren kommt es durch Verunreinigungen im Silizium und damit verbundenen Fehlern im Kristallgitter, die nicht aus der Dotierung mit drei bzw. fünfwertigen Atomen resultieren, zur Entstehung von tiefen Störstellen, welche einen freien Ladungsträger einfangen und daraufhin mit diesem rekombinieren.¹⁸

Der nominelle Wirkungsgrad einer Solarzelle wird unter genormten Standardtestbedingungen ermittellt, wobei die abgegebene elektrische Leistung ins Verhältnis mit der auf die Solarzelle eingestrahlten Leistung gesetzt wird. Die Normbedingungen sehen insbesondere eine Temperatur der Solarzelle von 25° C sowie eine senkrechte Einstrahlung mit 1000 W/m² vor.¹⁹ Polykristalline Solarzellen aus Silizium erreichen im Labor einen Wirkungsgradsgrad von bis zu 20 %, monokristalline Solarzellen hingegen bis zu 25 %. Der tatsächliche Wirkungsgrad einer kristallinen Solarzelle variiert, da die Bedingungen im realen Betrieb von den genormten Bedingungen deutlich abweichen; bei polykristallinen Solarzellen beträgt dieser hierbei bis zu 16 % und bei monokristallinen bis zu 20 %.²⁰ Da kristalline Solarzellen aus Silizium degradieren, nimmt der Wirkungsgrad um etwa 0,1 % pro Jahr ab. Dies begrenzt den Lebenszyklus einer Solarzelle auf etwa 30 Jahre.²¹

Die Wirkungsgrade kristalliner Solarzellen sind allerdings kaum mehr steigerungsfähig; künftige Solarzellen werden sich vor allem durch geringere Produktionskosten auszeichnen.²²

2.2.4 Energetische Amortisationszeit

Die derzeit noch hohen Produktionskosten von Solarzellen entstehen vor allem durch die vielen einzelnen, sehr energieintensiven Prozessschritten bei der Herstellung. Eine energetische Bilanzierung von photovoltaischen Anlagen kann jedoch aufgrund der vielfältigen Einflussfaktoren wie Temperatur, Einstrahlung und dem spezifischen Energieverbrauch nicht allgemeingültig angegeben werden.²³

Aus dem kumulierten Primärenergieaufwand von etwa 7500 kWh pro kWp für Photovoltaikanlagen aus kristallinem Silizium kann aber mittels des spezifischen Energieertrages die Energierücklaufzeit berechnet werden. Dazu gibt es es zwei verschiedene Ansätze.

Bei der Wirkungsgradmethode wird die erzeugte elektrische Energie direkt in Verhältnis mit dem Primärenergieaufwand gesetzt. Für eine kristalline Solarzelle aus Silizium ergibt sich dabei eine energetische Amortisationszeit von bis zu 95 Monaten.

Bei der Substitutionsmethode hingegen wird angenommen, dass eine regenerativ erzeugte Energieeinheit eine fossile Energieeinheit mit dem dadurch verbundenen Primärenergieaufwand ersetzt. Die regenerativ erzeugte Energieeinheit wird daher mit einem durchschnittlichen Kraftwerkswirkungsgrad von 34 % ins Verhältnis gesetzt. Dadurch ist bei dieser Vorgehensweise die energetische Amortisationszeit um den Faktor 3 kürzer und liegt bei einer kristallinen Solarzelle aus Silizium bei etwa 32 Monaten.

Es ist somit sicher, dass mit Solarzellen ein Vielfaches der für Herstellung und Betrieb benötigten Energie gewonnen werden kann.²⁴

[...]

¹ Vgl. Kotov, M. (2006), S. 24-32.

² Madelung, O. (1957).

³ Vgl. Voswinckel, S./ Wesselak, V. (2012), S. 43.

⁴ Vgl. Quaschning, V. (2007), S. 155.

⁵ Vgl. Quaschning, V. (2007), S. 151-153.

⁶ Vgl. Goetzberger, A./ Knobloch, J./ Voß, B. (1994), S. 20.

⁷ Dotierung = Einbau von Fremdatomen in Halbleiterkristall.

⁸ Vgl. Quaschning, V. (2007), S. 155-158.

⁹ Vgl. Seltmann, T. (2011), S. 10.

¹⁰ Vgl. Ladener, H. (1999), S. 31-33.

¹¹ Vgl. Rindelhardt, U. (2001), S. 103f.

¹² Vgl. Voswinckel, S./ Wesselak, V. (2012), S. 32f.

¹³ Vgl. Rindelhardt, U. (2001), S. 92.

¹⁴ Vgl. Quaschning, V. (2007), S. 159f.

¹⁵ Vgl. Voswinckel, S./ Wesselak, V. (2012), S. 39f.

¹⁶ Vgl. Hanitsch, R./ Quaschning, V./ Zehner, M. (1999).

¹⁷ Vgl. Voswinckel, S./ Wesselak, V. (2012), S. 34.

¹⁸ Vgl. Goetzberger, A./ Knobloch, J./ Voß, B. (1994), S. 48f.

¹⁹ Vgl. Wirth, H. (2015), S. 79.

²⁰ Vgl. Voswinckel, S./ Wesselak, V. (2012), S. 39f.

²¹ Vgl. Wirth, H. (2015), S. 45f.

²² Vgl. Simon, C. P. (2006), S. 210.

²³ Vgl. Staiß, F. (1996), S. 28f.

²⁴ Vgl. Voswinckel, S./ Wesselak, V. (2012), S. 52f.