Grundbaustein jeder Photovoltaikanlage ist die Solarzelle. Sie sorgt dafür, dass bei auftreffendem Licht (Photonen) die Elektronen in Bewegung gebracht werden. Als Halbleiterwerkstoff werden hauptsächlich Silizium (Si), Germanium (Ge), Galiumarsenid (GaAs) oder Cadmiumsulfid (CdS) eingesetzt.

Solarzellen sind wie Halbleiterdioden aufgebaut. Eine Silizium-Solarzelle besteht aus einer sehr dünnen n-Silizium-Schicht, die an der Oberfläche liegt. Sie ist in eine p-leitende Schicht eindotiert. Am pn-Übergang entsteht durch Ladungsträgerdiffusion eine Raumladungszone, die fast die gesamte n-Schicht einnimmt. In der Raumladungszone ist ein elektrisches Feld entstanden.

Fällt Licht auf die Solarzelle, so werden Ladungsträger aus den Kristallbindungen gelöst und durch das elektrische Feld zu den äußeren Kontakten befördert. An den Kontakten der Solarzelle entsteht eine Spannung von etwa 0,5 Volt. Der abgegebene Strom variiert je nach Einstrahlung und Zellenfläche und liegt zwischen 0 und 10 Ampere.

Um auf nutzbare Spannungen im Bereich von 20 bis 50 Volt zu kommen, schaltet man viele Solarzellen in einem Photovoltaikmodul in Serie.

Um den Strom der Solarzelle nutzen zu können, müssen auf Vorder- u. Rückseite metallische Kontakte aufgebracht werden. In der Regel wird hierzu mittels Siebdrucktechnik auf der Rückseite eine ganzflächige Kontaktschicht aufgebracht. Auf der Vorderseite werden die Kontakte in Form eines dünnen Gitters aufgebracht (Busbar), sodass Licht ungehindert auf die Oberfläche fallen kann.

Die Kontaktschicht besteht auf beiden Seiten aus Aluminium- oder Silber. Um Lichtreflexion zu verringern wird auf die Oberfläche eine dünne Schicht aus Siliziumnitrid oder Titandioxid aufgedampft. Bei allen Herstellungsverfahren einer Solarzelle gilt, dass die Dotierung mit Bor schon beim Herstellen der Blöcke oder Ingots beziehungsweise Stäbe vorgenommen wird. Die n-Dotierung mit Phosphor erfolgt in einem späteren Arbeitsgang.

Eigenschaften einer Solarzelle

Die Spannung einer Solarzelle ist vom Halbleitermaterial abhängig. Bei Silizium-Solarzellen beträgt sie in etwa 0,5 Volt. Die Klemmenspannung ist nur schwach von der Lichteinstrahlung abhängig, aber stark von der Temperatur abhängig. Bei niedrigeren Temperaturen ist die Klemmenspannung höher und bei hohen Temperaturen ist die Klemmenspannung niedriger.

Die Stromstärke ist von der Lichteinstrahlung abhängig. Bei höherer Beleuchtungsstärke steigt der Strom. Z.B. bei einer 240 cm² großen Siliziumzelle (REC Polykristallin 15,5 x 15,5 cm) erreicht die maximale Stromstärke unter Bestrahlung von 1.000 W/m² (STC) etwa einen Wert von 7,8 A.

Die Leistung (Produkt aus Strom und Spannung) einer Solarzelle ist daher sehr von der Temperatur abhängig. Höhere Zelltemperaturen führen zu niedrigeren Leistungen und damit zu einem schlechteren Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel der eingestrahlten Lichtmenge in nutzbare elektrische Energie umgewandelt wird.

Die Kenngrößen einer Solarzelle werden für normierte Bedingungen angegeben. Die sogenannten Standard Test Conditions (STC): Einstrahlungsstärke von 1000 W/m² auf Modulebene, Temperatur der Solarzelle 25° C konstant und Strahlungsspektrum von 1,5 global (AM 1,5).

Air Mass 1,5 (AM 1,5) entspricht sehr gut den sommerlichen Gegebenheiten in Mitteleuropa von Norditalien bis Mittelschweden. Im Winter steht die Sonne in unseren Breiten erheblich tiefer, und ein Wert von AM 4 bis AM 6 ist hier realistischer.

Durch die Absorption in der Atmosphäre verschiebt sich auch das Spektrum des auf das Modul treffenden Lichtes. "Global" steht für Globalstrahlung, die sich aus dem Diffus- und dem Direktstrahlungsanteil der Sonne zusammensetzt.

Hierbei ist zu beachten, dass in der Realität insbesondere die Zellentemperatur bei einer solchen Einstrahlung, die in Österreich im Sommer zur Mittagszeit erreicht wird, bei normalem Betrieb wesentlich höher liegt (je nach Anbringung, Windanströmung etc. kann sie zwischen etwa 30 und 60 °C liegen).

Eine erhöhte Zellentemperatur bedeutet aber gleichzeitig einen herabgesetzten Wirkungsgrad der Solarzelle. Aus diesem Grund wurde auch eine weitere Bezugsgröße geschaffen, PNOCT, die Leistung bei normaler Betriebstemperatur (normal operating cell temperature).

 

Solarzelle

 

Kennlinie einer Solarzelle

Die Kennlinie einer Solarzelle entspricht im Prinzip der einer Photodiode. Allerdings wird bei der Solarzelle meist das Erzeugerzählpfeilsystem gewählt. Beim Erzeugerzählpfeilsystem misst man die Spannung (U) an der Energiequelle und zählt den von der Energiequelle zum Verbraucher fließendem Strom (I) Positiv.

Die abgegebene Leistung einer Solarzelle ist von dem aktuellen Arbeitspunkt, in dem sie betrieben wird abhängig. Den Kennlinienpunkt, an den die maximale Leistung abgegeben wird, bezeichnet man als Maximum Power Point (MPP). Da die Leistung jeweils die Fläche U x I entspricht, muss die Fläche im Fall des MPP maximal sein.

 

 

 

 

Formen und Größen

Zu Beginn der Kommerzialisierung der Solartechnik wurden häufig runde Zellen eingesetzt, deren Ursprung von den meist runden Siliziumsäulen der Computerindustrie herrührt. Inzwischen ist diese Zellenform relativ selten, und es werden quadratische Zellen oder fast quadratische mit mehr oder weniger abgeschrägten Ecken eingesetzt. Als Standardformate werden derzeit Wafer mit einer Kantenlänge von 125 und 156 mm prozessiert; künftig sollen aber auch Zellen mit einer Kantenlänge von 210 mm Bedeutung erlangen.

Durch Sägen der fertig prozessierten Zellen entstehen für spezielle Anwendungen im Kleingerätebereich auch Zellen mit kleineren Kantenlängen. Sie liefern annähernd die gleiche Spannung wie die großen Zellen, jedoch entsprechend der kleineren Fläche einen kleineren Strom.

Im EFG-Verfahren werden auch Zellen hergestellt, bei denen die Seiten des entstehenden Rechtecks nicht die gleichen Längen haben.

Degradation

Unter dem Begriff Degradation wird die alterungsbedingte Änderung der Parameter von Halbleiterbauteilen verstanden - in diesem Fall der Rückgang des Wirkungsgrades von Solarzellen im Laufe ihres Lebens.

Zeitlich betrachtet man hierbei einen Zeitraum von bis zu 20 Jahren. Der Verlust an Wirkungsgrad liegt etwa im Bereich von 10 % in diesem Zeitraum (20 Jahre). Solarzellen im Weltraum altern wesentlich schneller, da sie einer höheren Strahlung ausgesetzt sind.

Bei heutigen Solarzellen beträgt der anfängliche Wirkungsgrad ca. 14 - 19 % (kristalline Zellen). Oft geben die Hersteller von Solarzellen eine Mindestgarantie von 80 - 85 % (Peak-Leistung) auf ihre Produkte nach 20 Jahren. Es ergeben sich also selbst nach langer Laufzeit (Betrieb) recht maßvolle Verluste, welche die/den Installation/Langzeiteinsatz einer Solaranlage rechtfertigen.

Eine besonders hohe Degradation von bis zu 25 % erreichen Solarzellen aus amorphem Silizium im ersten Betriebsjahr. Für Solarmodule aus diesem Material wird jedoch nicht die Leistung zu Beginn der Lebenszeit, sondern die Leistung nach dem Alterungsprozess in den Datenblättern und beim Verkauf angegeben. Solarmodule aus diesem Material haben also zunächst eine höhere Leistung als die, für die man bezahlt hat.

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