Die Solarzelle
95 % aller Solarzellen werden aus Silizium hergestellt. Silizium ist nichts anderes als Quarzsand, eines der häufigsten Elemente der Erde, ähnlich unerschöpflich wie die Sonne.
Damit aus Sand eine Siliziumscheibe wird und aus dieser Strom fließen kann, muss das Silizium hoch gereinigt und kristallisiert werden. Dann wird es in Scheiben gesägt, gezielt verunreinigt und mit Leiterbahnen zum Stromtransport versehen.
Nur so fließt auch Strom
Fällt Licht auf eine Siliziumscheibe, werden Elektronen freigesetzt. Damit diese genutzt werden können, wird die Zelle auf der Vorder- und der Rückseite mit unterschiedlichen Fremdatomen, z. B. Bor und Phosphor, gezielt verunreinigt. Dadurch wandern die Elektronen alle auf eine Seite und die positiven Ladungsträger auf die andere. Es entsteht ein Plus- und ein Minuspol wie in einer Batterie. Wird ein Verbraucher angeschlossen, fließt Strom.
Selbst geringe Lichtstärken, wie sie bei bewölktem Himmel auftreten, werden in der Solarzelle in Strom umgesetzt. Die Stromstärke ist allerdings proportional zur Lichtstärke – je mehr Sonnenschein, desto mehr Solarstrom. Die Spannung der Solarzelle bleibt dagegen fast unverändert.
Eine Siliziumzelle erzeugt eine Spannung von etwa 0,6 Volt. Die Stromstärke hängt von der Größe der Zelle ab. Die typischen Solarzellen mit einer Größe von 15 cm x 15 cm erzeugen etwa 5,5 Ampere Strom. Eine einzelne Zelle hat bei voller Bestrahlung eine Leistung von etwa 3,4 Watt. In einer 1 kWp-Anlage sind somit etwa 300 Solarzellen verschaltet. Folgende Modultechnologien werden derzeit bevorzugt genutzt:
Monokristalline Solarzellen
Siliziumsolarzellen werden üblicherweise aus Säulen oder Blöcken in 0,25 mm dicke Scheiben gesägt. Eine Säule, die aus einem einzigen Kristall besteht, wird aus flüssigem Silizium gezogen. Die daraus gefertigten Solarzellen nennt man monokristallin. Ihr Wirkungsgrad zur Umwandlung von Sonnenenergie in Strom erreicht 14-16 %.
Polykristalline Solarzellen
Wird das flüssige Silizium in Blöcke gegossen, ergibt sich bei der Erstarrung die typische Eisblumenstruktur aus einer Vielzahl von einzelnen Kristallen. Die daraus hergestellten Zellen werden als polykristallin bezeichnet. Ihr Wirkungsgrad beträgt 13-15 %.
Dünnschichtsolarzellen
In den letzten Jahren werden verstärkt Dünnschichtsolarmodule entwickelt, die eine kostengünstige Option zur Nutzung der Sonnenenergie darstellen, da sie extrem wenig Halbleitermaterial benötigen und in Zukunft in hochautomatisierten Produktionsanlagen in großen Mengen hergestellt werden können.
Hierbei werden die photoaktiven Halbleiter als dünne Schichten auf Glasscheiben aufgebracht, dort direkt zu Modulen verschaltet und mit einer zweiten Glasplatte hermetisch versiegelt. Am weitesten verbreitet sind die amorphen Siliziumzellen, die in Taschenrechnern und anderen Kleingeräten Anwendung finden. Ihr Wirkungsgrad liegt bei 6-8 %. Mit neuen Materialien, wie beispielsweise CdT (Cadmium-Tellurid) und CIS (Kupfer-Indium-Diselenid), wurden Dünnschichtsolarmodule mit höherem Wirkungsgrad (8-10 %) entwickelt.
CdTe hat aber den entscheidenden Nachteil, dass es mit vielen Säuren reagiert und das giftige "Telluridwasserstoff-Gas" freisetzt. Dies könnte im Schadensfall erhebliche Schäden für Mensch und Umwelt hervorrufen. CdTe muss deshalb immer mit den orangen Warnhinweisen "Gesundheitsschädlich" und "Umweltgefährlich" gekennzeichnet werden. Aufgrund dieser Tatsachen verbauen wir nur absolut ungefährliche mirkoamorphe Module.
Die genannten Wirkungsgrade werden unter Standard-Testbedingungen bestimmt, d. h. bei einer Globalstrahlung von 1.000 W/m2 bei 25 °C Modultemperatur sowie einem Spektrum des Sonnenlichtes entsprechend Air Mass 1,5. Im praktischen Betrieb ändern sie sich leicht, da beispielsweise der Wirkungsgrad der Solarzellen bei steigender Temperatur etwas sinkt.