Rohstoff Silizium © DGS / Solar World AG

Das Ausgangsmaterial einer Solarzelle ist Silizium, nach Sauerstoff das zweithäufigste Element der Erdhülle. Beide Elemente gehen als Siliziumdioxid (SiO2) eine äußerst stabile chemische Verbindung ein. Doch bevor der besser als Quarzsand bekannte Kristall zur Stromerzeugung auf dem Dach landet, durchläuft er aufwändige Produktionsprozesse.

Eine Solarzelle besteht hauptsächlich aus Halbleiterplatten, für die nur hochreines Silizium verwendet werden kann. Dieser Rohstoff wird durch die Reduktion des Quarzsandes durch Kohlenstoff gewonnen und muss anschließend noch von Verunreinigungen befreit werden. Um im Halbleiter zur Stromerzeugung genutzt werden zu können, muss es nun dotiert, dass heißt in seiner Leitfähigkeit beeinflusst werden. Hierzu werden gezielt Fremdatome wie Bor oder Phosphor in das Silizium eingeschleust, um – stark vereinfacht – eine unterschiedliche Attraktivität der Halbleiterschichten für Elektronen hervorzurufen.

Das Prinzip der Stromerzeugung

	Schema der Stromerzeugung © Hahn-Meitner-Institut Berlin

Die beiden Halbleiterplatten einer Solarzelle sind über eine Grenzschicht miteinander verbunden. Fällt nun Licht auf die oberste Schicht, so „wandern“ positiv geladene Elektronen nach oben und hinterlassen eine negative Ladung im unteren Bereich. Dadurch hat die so genannte „n“ Schicht einen Elektronenüberschuß und die darunter liegende „p“-Schicht einen Elektronenmangel. Es baut sich somit eine elektrische Spannung zwischen der Licht zugewandten und der Licht abgewandten Seite auf. An der Grenzschicht kann diese Spannung von etwa 0,5 Volt und bis zu zwei Ampère Stärke über Metallkontakte abgeleitet werden: Es entsteht Strom.

Qualitätsunterschiede
Je nach Herstellungsverfahren unterscheidet man drei verschiedene Arten von Siliziumzellen: monokristallin, polykristallin und amorph. Zur Herstellung von monokristallinen Zellen werden aus einer hochreinen Siliziumschmelze einkristalline Stäbe gezogen und anschließend in dünne Scheiben gesägt. Dies ist das teuerste Verfahren, erzielt aber auch die höchste Energieausbeute in der Solarzelle. Kostengünstiger ist die Herstellung von polykristallinen Zellen. Das flüssige Silizium wird in Blöcke gegossen und anschließend in Scheiben gesägt. Allerdings bilden sich bei der Erstarrung des Materials unterschiedlich große Kristallstrukturen, an deren Grenzen Defekte auftreten. Dies hat einen geringeren Wirkungsgrad der Solarzelle zur Folge. Von noch schlechterer Qualität sind die amorphen- oder Dünnschichtzellen. Zu deren Herstellung wird auf Glas eine Siliziumschicht abgeschieden, die fünfzigmal dünner ist als ein menschliches Haar. Verwendung finden diese vergleichsweise preiswerten aber leistungsschwachen Zellen beispielsweise bei Uhren oder Taschenrechnern.

Das Endprodukt

	Solarzelle im Labor © Hahn-Meitner-Institut Berlin

Die Siliziumscheiben einer typischen Solarzelle sind etwa zehn Quadratzentimeter groß und 0,3 Millimeter dick. Damit möglichst viel Licht in die Siliziumscheibe eintreten kann, wird die Oberfläche mit einer geeigneten Antireflexschicht versehen. Sie verleiht der Zelle das typische dunkel- bis schwarzblaue Aussehen. Solarzellen werden häufig zu einem größeren Modul zusammengefügt, um für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche geeignete Spannungen bereitstellen zu können. Die Serienschaltung der Zellen erzeugt dabei eine höhere Spannung als eine Parallelschaltung und kommt daher häufiger zum Einsatz. Eine Glasplatte schützt das fertige Bauteil vor äußeren Einflüssen und kann nun in einer Solaranlage verbaut werden.

Der Wirkungsgrad ist entscheidend
Moderne Solarzellen können zwischen 12 und 18 Prozent der angebotenen Strahlungsenergie in Strom umwandeln. Bei den ersten Prototypen lag dieser Wert noch bei einem Prozent. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades werden immer neue Halbleitermaterialien und Bauformen der Solarzellen getestet. Der wichtigste Rohstoff ist nach wie vor das Silizium, aber auch Gallium-Arsenid oder Germanium kommen zum Einsatz. Nach heutigem Wissensstand gibt es allerdings bei allen Materialien physikalische Grenzen der Stromausbeute. So liegt beispielsweise der maximale Wirkungsgrad des kristallinen Siliziums bei 28 Prozent. Eine viel versprechende Weiterentwicklung sind daher die so genannten Tandemzellen. Diese werden aus verschiedenen Halbleitermaterialien so kombiniert, dass sie einen größeren Bereich des Spektrums des Sonnenlichts ausnutzen können. Bei Laborzellen konnten so bereits Wirkungsgrade von über 25 Prozent erzielt werden. Dadurch lässt sich das Problem des begrenzten Wirkungsgrades der Einzelmaterialien umgehen.