Für die meisten Solarzellen wird Silizium verwendet, welches im Quarzsand enthalten ist. Nach der Reinigung wird dann das Silizium in sogenanntes Kristallstruktur-Silizium umgewandelt. Danach werden die Siliziumkristalle „dotiert“, was bedeutet, dass Fremdatome eingebracht werden, um dem Silizium die Halbleitereigenschaften zu geben, die für den Photovoltaischen Effekt notwendig sind.

Kristalline Solarzellen aus Silizium

Kristalline Solarzellen aus Silizium sind heute in einer Varietät an Erscheinungsformen und Farben erhältlich. Die kristallinen Solarzellen sind nicht nur die "Klassiker" unter den Solarzellen, sie bestimmen auch heute noch das Marktgeschehen mit einem Anteil von über 90 Prozent. Dabei hat das multikristalline Silizium das monokristalline Material wegen der kostengünstigeren Herstellung leicht überholt.

Monokristalline Solarzellen können aufgrund des Produktionsverfahrens zunächst nur als kreisrunde Scheiben hergestellt werden. Sie werden aus gezogenen Siliziumsäulen, sogenannten "Einkristallen", in der erforderlichen Dicke abgesägt. Um diese Zellen effektiver auf einer Fläche verlegen zu können, werden die runden Scheiben meist an vier Seiten besäumt - bis hin zum Quadrat.

Multikristallines Silizium kann sofort in quadratische Blöcke gegossen und gleich in Bändern mit entsprechender Dicke gewonnen werden, wodurch eine material- und energiesparendere Produktion möglich ist. Multikristalline Solarzellen besitzen einen größeren Spielraum bei den Zellenabmessungen, ihr Wirkungsgrad ist allerdings etwas geringer als beim monokristallinen Verfahren.

Kristalline Zellen mit einer Stärke von zirka 0,3 mm werden mit Abmessungen von 10 x 10 cm gefertigt, im Bandziehverfahren auch bis 15 x 15 cm. Neben den bisher verwendeten rechteckigen und runden Zellen gibt es inzwischen auch Module mit drei- und sechseckigen Solarzellen.

Die Farbe einer Solarzelle nimmt den wahrscheinlich größten Einfluss auf das Erscheinungsbild. Ertragsoptimierte kristalline Solarzellen sind dunkelblau bis schwarz, um eine möglichst große Absorbtion des Sonnenlichtes zu erreichen. Durch Verändern der Antirefelexschicht können bei kristallinen Zellen auch andere Farbtöne erzeugt werden. Generell gilt: Je heller der Farbton, desto ungünstiger die Leistung der Solarzelle.

Das farbliche Erscheinungsbild wird durch die Herstellung transparenter und semi-transparenter kristalliner Zellen erweitert. Die Farbgestaltung kann auch auf die Kontaktierung - bei Standardzellen silberfarbig - ausgeweitet werden, indem diese zum Beispiel mit der Zellfarbe abgestimmt wird. Alternativ können die Leiterbahnstrukturen selbst als Gestaltungsmittel eingesetzt werden.

Entscheidender Unterschied zwischen mono, multikristallinen und amorphen Solarzellen ist der Aufbau der inneren Gitterstruktur. Monokristalline Solarzellen haben den höchsten Wirkungsgrad durch eine sehr gut ausgeprägte Gitterstruktur, sind aber in der Herstellung am teuersten. Der derzeit am weitesten verbreitete Solarzellen-Typ ist die multikristalline Solarzelle.

 

Monokristalline Silizium Solarzelle

Monokristalline Solarzellen sind die Klassiker der Solartechnologie. Mit monokristallinen Solarzellen wurden die ersten Solarmodule für die Raumfahrt hergestellt. Da sie den höchsten Wirkungsgrad in der Umwandlung von Solarstrahlung zu Strom, bezogen auf die zur Verfügung stehende Fläche haben, werden sie überall dort eingesetzt, wo höchste Effizienz gefragt ist, wie z.B. bei Satelliten. Über ein Drittel aller verwendeten Solarzellen sind heute aus monokristallinem Silizium.

Die Größe monokristalliner Solarzellen beträgt zwischen ca. 100 x 100 mm und maximal ca. 150 x 150 mm, je nach Hersteller. Der elektrische Wirkungsgrad (Verhältnis eingestrahlter Solarenergie zu daraus erzeugtem Strom) ist ebenfalls produktabhängig. Er bewegt sich zwischen 16 % und 19 % bei Solarzellen für die "terrestrische" Anwendung in Standard-Solarmodulen. Bei (entsprechend extrem teuren) Weltraum-Solarzellen kann er weit darüber liegen.

Aus geschmolzenem Silizium wird ein Monokristall gezogen. Er ist säulenförmig. Der runde Kristallstab wird in einzelne Scheiben zersägt. Die hieraus resultierenden Scheiben nennt man Wafer. Sie sind sehr dünn und zerbrechlich und stellen die Ausgangsbasis für die Herstellung der monokristallinen Solarzelle dar, die in weiteren High-Tec-Verarbeitungsschritten daraus entsteht. Der Wafer ist kreisrund. Je nach Hersteller wird er entweder so zur Solarzelle verarbeitet oder so zugeschnitten, dass er quadratisch ist oder beinahe quadratisch und somit besser in ein rechteckiges Solarmodul passt.

Neue Produktionsverfahren zur Herstellung von Monokristallen erlauben es, diesen als achteckiges dünnwandiges Rohr aus der Siliziumschmelze zu ziehen. Die Wandflächend es Rohres bilden so direkt den Wafer. Die Zellen heißen dann EFG-Zellen (Edge-deFined-Groth). Die Zellen haben daher nicht nur quadratische, sondern auch rechteckige Zuschnitte und Formate.

Das Herstellungsverfahren für "Saturn-Zellen" wurde entwickelt, um den Wirkungsgrad zu steigern. Hierfür wird die Oberfläche der Zellen mit einer leichten Prismenstruktur versehen. Auf diese Weise kann die Zelle noch besser das Sonnenlicht einfangen. Die Zelle wirkt daher dunkler und anthrazitfarben. Zusätzlich werden die feinen Linien der Stromabnehmer in kleinen Gräben untergebracht, um die aktive Zelloberfläche zu maximieren.

Dadurch, dass das Silizium monokristallin ist, erscheinen die monokristallinen Solarzellen sehr eben und glatt. Sie weisen nicht die multikristalline Kristallstruktur auf. Häufig sind monokristalline Solarzellen sehr dunkel. Verbreitet sind die Farben dunkelblau, anthrazit und schwarz. es ist auch möglich, monokristalline Solarzellen durch die Variation der Schichtdicke der Farbabsorptionsschicht in weiteren Farben oder semitransparent herzustellen. Die EFG-Zellen haben jedoch ein leicht welliges Erscheinungsbild, so dass sie ein wenig ähnlich den multikristallinen Zellen schimmern.

Sehr typisch für monokristalline Solarzellen ist die "square-round"-Form, eine quadratische Zelle mit runden Ecken. Um eine möglichst dichte Belegung zu erzielen ohne zuviel Zellmaterial wegschneiden zu müssen, wird die runde Kristallstange dem Quadrat angenähert abgeflacht. Daher entsteht das typische Modulbild mit den rautenförmigen Zellzwischenräumen.
Bei einem schwarzen Modulhintergrund können allerdings sehr gut zur Gebäudeintegration geeignete nahezu einheitlich schwarze Module entstehen, aus denen nur die Metallisolation hervorglitzert.

Mulitkristalline Silizium Solarzelle

Für jeden, der Solartechnik sichtbar machen und in seiner Materialqualität zur Wirkung kommen lassen möchte, sind multikristalline Solarzellen empfehlenswert. Durch die verschieden ausgerichteten Kristalle in der Zelle trifft das Licht mal auf die stumpf geschnittenen Kristalle, mal quer zur Kristallstruktur auf die Zelle. Daher sieht man helle und dunkle Kristallstrukturen. Bewegt sich der Betrachter und ändert er seinen Blickwinkel, entsteht ein changierender Eindruck. Multikristalline Solarzellen glänzen und 'funkeln' daher in der Sonne. Je näher man der Solarzelle kommt, desto beeindruckender ist die Struktur. Dunkelgraue multikristalline Solarzellen können von einigen Metern Entfernung beinahe ähnlich wie dunkler Granit wirken. Blaue multikristalline Solarzellen strahlen königsblau, goldene funkeln wie Metall in der Sonne.

Die Solarzellen sind in der Regel quadratisch oder auch häufig rechteckig. Die am weitesten verbreitete Farbe ist königsblau. Je nach Hersteller sind auch anders farbige Solarzellen erhältlich, z.B. graue, grüne goldene oder magentafarbene.

Die Größe der multikristallinen Solarzelle beträgt in der Regel 125 x 125 mm oder 150 x 150 mm, kann jedoch je nach Hersteller variieren. Einige Hersteller bieten größere Solarzellen mit bis zu 200 mm Seitenlänge an, bei rechteckigen Zellformaten.

Der elektrische Wirkungsgrad (Verhältnis des eingestrahlten Lichtes zum erzeugten elektrischen Strom) multikristalliner Solarzellen hat sich in den letzten Jahren stark verbessert und beträgt in der Regel zwischen 12 % und 16 %. Einige Hersteller bieten jedoch bereits multikristalline Solarzellen mit einem Wirkungsgrad bis zu 15,6 % an.

Multikristalline Solarzellen schimmern im Sonnenlicht und changieren bei unterschiedlichen Sichtwinkeln. Sie sind heute eine der am weitesten verbreiteten Solarzellenarten.

Zur Herstellung multikristalliner Solarzellen wird die Silizium-Schmelze in eine rechteckige Form gegossen und blockweise erkaltet. Dabei entstehen in dem Siliziumblock eine Vielzahl von Kristallen mit unterschied-licher Ausrichtung und Größe. Der erhaltene Kristallblock ist daher multikristallin.

Dieser wird zu Stangen mit quadratischem Querschnitt verarbeitet, aus denen dann der einzelne Siliziumwafer gesägt wird. Hierbei ist es möglich nicht nur vollquadratische, sondern auch rechteckige Zellen herzustellen.

Die multikristalline Technologie ist insgesamt energiesparender, als die monokristalline, daher beträgt die Energie-Amortisation nur noch drei Jahre. In den USA wurde ein neues Produktionsverfahren zur Herstellung von multikristallinen Solarzellen entwickelt. Bei diesem wird das flüssige Silizium direkt auf einem Zell-Substrat abgeschieden.

Die entstehenden Solarzellen haben eine kleinere Zellstruktur und einen ca. 20% geringeren Wirkungsgrad als "klassische" multikristalline Solarzellen. Sie können aber in Größen von 208mm² mit 4 Watt Leistung hergestellt werden. Insbesondere ist die Schicht-dicke des Siliziums geringer. Zusätzlich entfällt der sonst übliche Verschnitt, beim Zersägen der Kristallblöcke.

Dünnschicht Solarzelle

Dünnschicht-Solarzellen bestehen aus nur hauchdünnen Solarzellen-Schichten. Dabei kommen unterschiedliche Halbleiter-Materialien auf verschiedenen Substraten zum Einsatz. Dünnschicht-Solarzellen auf biegsamen Substraten wie z.B. Metall sind zudem flexibel.

  • Amorphe Silizium-Solarzellen (aSi) auf Metallsubstrat
  • Amorphe Silizium-Solarzellen (aSi) auf Glassubstraten
  • CIS-Dünnschicht auf Glassubstrat
  • CdTe-Dünnschicht auf Glassubstrat

Dünnschicht-Solarzellen wurden später als die kristallinen Solarzellen aus Silizium entwickelt. Ihr Vorteil: Während zur Produktion von Solarzellen aus kristallinem Silizium die Kristallblöcke zersägt werden müssen, um aus dem Siliziumblock die Wafer herzustellen, wird bei Dünnschicht-Solarzellen das Halbleitermaterial in dünnen Schichten direkt auf das Substrat aufgebracht. Das spart sowohl Material als auch Energie ein. Zudem lassen sich die Prozesse besser automatisieren. So sind z.B. bereits "roll-to-roll-Verfahren" bei der Produktion von amorphen Silizium-Solarzellen auf Metallsubstrat üblich.

Doch trotz dieses hohen Potenzials gibt es auch Nachteile der Dünnschichttechnologien. Die Produktionstechnologien erlauben noch nicht, das theoretische Potenzial wirklich voll auszuschöpfen. Besonders das Erzielen hoher Wirkungsgrade auf größeren Flächen bereitet nach wie vor Probleme. Amorphe Silizium-Solarzellen auf Glassubstrat haben noch einen relativ geringen Wirkungsgrad, die CIS-Technologie wird gerade erst serienreif und die Cadmium-Tellurid-Dünnschicht ist wegen ihres wenn auch nur geringen Anteils des Schwermetalles Cadmium in die Kritik geraten.

Gestalterisch haben die einheitlich schwarzen Flächen Vor- und Nachteile: Einerseits ermöglichen sie einheitlich dunkle Fassaden-Flächen, andererseits ist die Gestaltungsfreiheit stark eingeschränkt. Die Formate der Solarmodule sind weit weniger flexibel, als bei den kristallinen Solarzellen, denn die Dünnschicht-Zelle existiert nicht einzeln, sondern wird gleich flächig als in sich verschaltetes Modul auf das Substrat beschichtet. Die Glassubstrate haben dabei herstellerspezifisch festgelegte Maße, die nicht individuell angepasst werden können, da die automatisierten Produktionsstraßen auf das handling eines Glasformates ausgelegt sind.

Abweichende Formate werden erzielt, indem die in einem Format von z.B. 600 x 1200 mm fertig beschichteten Glasscheiben zersägt und zwischen zwei Glasscheiben mit dem gewünschten Modulformat gelegt werden. Auf diese Weise entsteht Verschnitt und häufig ein dreifacher Glasverbund.

Die Farbe kann gegenwärtig nicht modifiziert werden. Da die Branche derzeit vor allem um hohe Wirkungsgrade kämpft, wird die Realisierung von Farbvarianten zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht im Zentrum der Entwicklung stehen. Allerdings haben japanische Hersteller bereits in Forschungsprojekten farbige Dünnschichtzellen entwickelt. Grundsätzlich ist hier eine ähnliche Manipulationsmöglichkeit gegeben wie bei den farbigen kristallinen Solarzellen.

Ein Bereich, in dem bereits  abweichende Formate und diverse Farben von Dünnschicht-Solarzellen gefertigt werden, ist der Kleinprodukte-Bereich. So werden Armbanduhren auch mit weißen Dünnschicht-Solarzellen-Ziffernblättern angeboten.

 

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