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Solarzelle


Eine Solarzelle oder photovoltaische Zelle ist ein elektrisches Bauelement, das die im Licht (in der Regel Sonnenlicht) enthaltene Strahlungsenergie direkt in elektrische Energie wandelt. Die physikalische Grundlage der Umwandlung ist der photovoltaische Effekt, der ein Sonderfall des inneren photoelektrischen Effekts ist.

Einteilung:

Solarzellen kann man nach verschiedenen Kriterien einordnen. Das gängigste Kriterium ist die Materialdicke. Hier wird nach Dickschicht- und Dünnschichtzellen unterschieden.

Ein weiteres Kriterium ist das Material: Es werden zum Beispiel die Halbleitermaterialien CdTe, GaAs oder CuInSe eingesetzt, weltweit am häufigsten jedoch Silicium.

Die Kristallstruktur kann kristallin (mono-/polykristallin) oder amorph sein.

Neben Halbleitermaterialien gibt es auch neue Ansätze zum Material, wie organische Solarzellen und Farbstoffsolarzellen

Materialien:
1. Siliziumzellen
a) Dickschicht
- Monokristalline Zellen (c-Si)
hohe Wirkungsgrade (großtechnisch bis über 20 % Wirkungsgrad erzielbar), gut beherrschte Technik; allerdings erfordert die Herstellung einen sehr hohen Energieeinsatz, der sich negativ auf die Energierücklaufzeit auswirkt.
- Polykristalline Zellen (mc-Si)
inzwischen sind großtechnisch wohl Wirkungsgrade bis über 16 % möglich, relativ kurze Energierücklaufzeiten, bisher und wohl auch noch einige Zeit die Zelle mit dem günstigsten Preis-Leistungs-Verhältnis
b) Dünnschicht
- Amorphes Silizium (a-Si)
höchster Marktanteil bei den Dünnschichtzellen; Modulwirkungsgrade zwischen 5 und 7 %; keine Material-Engpässe selbst bei Produktion im Terawatt-Maßstab
- Kristallines Silizium, z. B. mikrokristallines Silizium (µc-Si)
in Kombination mit amorphem Silizium höhere Wirkungsgrade bis 10 %[1]; Herstellung ähnlich zu amorphem Silizium
2. III-V-Halbleiter Solarzellen
GaAs-Zellen
hohe Wirkungsgrade, sehr temperaturbeständig, geringerer Leistungsabfall bei Erwärmung als kristalline Siliziumzellen, robust gegenüber UV-Strahlung, sehr teuer in der Herstellung, werden häufig in der Raumfahrt eingesetzt (Galliumindiumphosphid, GaInP/Galliumarsenid, GaAs/Germanium, Ge). Multischichtzellen (triple-junction) Zellen haben den höchsten kommerziell lieferbaren Wirkungsgrad von fast 30% mit einer Leistungsdichte von 50W/kg.
3. II-VI-Halbleiter Solarzellen
CdTe
ist großtechnisch durch Chemical Bath Deposition oder Chemische Gasphasenabscheidung sehr günstig herstellbar; für eine Laborsolarzelle sind schon etwa 16 % erreicht worden, Modul-Wirkungsgrade inzwischen (2007) bei 10 %, Langzeitverhalten noch nicht bekannt. Die RoHS-Richtlinie ist kein Hindernis für eine breite Markteinführung, da im gesamten Lebenszyklus von CdTe-Solarzellen weniger Cd in die Umwelt abgeben wird als bei allen anderen denkbaren Anwendungen freigesetzt würde .
4. I-III-VI-Halbleiter Solarzellen
CIS-, CIGS-Zellen (Chalkopyrite)
steht für Kupfer-Indium-Diselenid bzw. Kupfer-Indium-Disulfid. Es existiert eine Pilotfertigung zur Fertigung von Kupfer-Indium-Diselenid-Modulen u.a. bei der Firma Würth Solar in Marbach am Neckar und bei der CIS Solartechnik GmbH in Hamburg. Eine Pilotfertigung von Solarmodulen auf Basis von Kupfer-Indium-Disulfid steht bei der Firma Sulfurcell in Berlin. Es entsteht derzeit eine Pilotfertigung von Solarmodulen aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid in Uppsala/Schweden. Diese Hersteller planen, ab 2007 Solarmodule in Massenproduktion herzustellen. Der Wirkungsgrad beträgt 12 -15%
5. Organische Solarzellen
Die organische Chemie liefert Werkstoffe, die möglicherweise eine kostengünstige Fertigung von Solarzellen erlauben. Bisheriger Nachteil ist ihr deutlich schlechterer Wirkungsgrad und die recht kurze Lebensdauer (max. 5000 h) der Zellen. Es gibt noch keine kommerziell erhältlichen Zellen oder Module mit dieser Technologie (Stand Januar 2007). Die Firma Konarka Technologies GmbH, Nürnberg, will 2008 mit organischen Kollektoren für Mobilgeräte auf den Markt kommen.
6. Farbstoffzellen
oder auch Grätzel-Zellen nutzen organische Farbstoffe zur Umwandlung von Licht in elektrische Energie; ein Vorgang, der an die Photosynthese anlehnt. Sind meistens lila. Diese Zellen liefern den besten Wirkungsgrad aller organischen Solarzellen von über 10%, haben jedoch aufgrund aggressiver Elektrolyte eine begrenzte Lebensdauer.
7. Halbleiter-Elektrolytzellen
z. B. Kupferoxid/NaCl-Lösung. Sehr einfach herstellbare Zelle, jedoch in Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit limitiert.

Materialverfügbarkeit:

Silizium steht als Grundstoff für die Solarzellenproduktion in fast unbegrenzter Menge zur Verfügung. Derzeit treten Materialengpässe an reinem Silizium auf, die durch unzureichende Produktionskapazitäten hervorgerufen werden.

Bei exotischeren Solarzellenmaterialen wie z. B. beim Indium, Gallium, Tellur und Selen sieht die Situation grundlegend anders aus. Bei den seltenen Metallen Indium und Gallium überschreitet bereits derzeit der weltweite Verbrauch (Indium ca. 850 t, bei Gallium ca. 165 t) die jährliche Produktionsmenge um ein Mehrfaches (USGS Minerals Information). Besonders nachteilig ist der sehr stark steigende Verbrauch von Indium in Form von Indium-Zinn-Oxid in der Flüssigkristall- und OLED-Bildschirmherstellung, sowie die Verwendung von Gallium und Indium in der Produktion von Leuchtdioden, die sich als energiesparender Glühlampenersatz und als Hintergrundbeleuchtung für Flachbildschirme derzeit in der Markteinführung befinden.

Beim Indium wird daher noch in diesem Jahrzehnt mit einem Versiegen der Ressourcen gerechnet, da sich die theoretischen Indiumvorräte auf nur 6000 Tonnen, die ökonomisch abbaubaren Reserven auf sogar nur 2800 Tonnen belaufen.

Die Situation bei Selen und beim noch selteneren Tellur, beide Halbmetalle liegen in geringer Konzentration im Anodenschlamm der Kupferelektrolyse vor, erscheint auf den ersten Blick weniger kritisch, da die Kupferproduzenten zur Zeit nur einen Teil des in Metallelektrolyse anfallenden Anodenschlamms zur Selen- oder Tellurgewinnung einsetzen. Die ökonomisch erschließbaren Selenreserven werden jedoch nur auf 82.000 Tonnen, die Tellurreserven gar auf nur 43.000 Tonnen geschätzt. Dem stehen zum Beispiel beim ebenfalls nicht besonders häufigen Buntmetall-Kupferreserven von 550 Millionen Tonnen gegenüber.

Problematisch ist, dass viele Produktionsprozesse, in denen Gallium, Indium, Selen und Tellur eingesetzt wird, eine ungünstige Materialökonomie aufweisen.

Recyclingansätze, die z. B. beim Kupfer zum normalen Materialkreislaufs gehören, greifen bei Gallium, Indium, Selen und Tellur nicht. Die Materialien werden meist in komplexe Vielstoff-Schichtstrukturen eingebunden und dadurch so fein verteilt, dass eine Rückgewinnung auch in Zukunft nicht möglich sein wird.

Bauformen:

Neben dem Material ist die Bauweise von Bedeutung. Man unterscheidet verschiedene Oberflächenstrukturierungen und Anordnungen der Kontaktierung der transparenten, jedoch hochohmigen Deckelektrode (schmale oder sogar durchsichtige Kontakte).

Weitere Bauformen sind Stapeltechniken durch Materialkombinationen unterschiedlicher Absorptionswellenlängen, wodurch der Wirkungsgrad der Gesamtanordnung erhöht werden kann. Es wird versucht, die Materialien so zu wählen, dass das einfallende Sonnenspektrum maximal ausgenutzt wird.

Derzeitig sind kommerziell erhältliche Solarzellen aus Halbleitermaterialien, überwiegend aus Silizium. Auch III/V-Halbleitermaterialien werden verwendet (u.a. an Raumsonden). Wegen ihrer hohen Kosten werden sie für terrestrische Anwendungen in Konzentrator-Systemen verwendet.

Polymere Solarzellen befinden sich noch in der Forschung.

Halbleitersolarzellen werden zur Energiegewinnung meist zu großen Solarmodulen verschaltet. Die Zellen werden dafür mit Leiterbahnen an Vorder- und Rückseite in Reihe geschaltet. Dadurch addiert sich die Spannung der Einzelzellen und es können dünnere Drähte für die Verschaltung verwendet werden als bei einer Parallelschaltung. Als Schutz vor einem Lawinendurchbruch in den einzelnen Zellen (z.B. bei Teilabschattung) müssen jedoch zusätzlich Schutz-Dioden (Bypass-Dioden) parallel zu den Zellen eingebaut werden, die von Abschattung betroffene Zellen überbrücken können.

Solaranlagen werden manchmal mit einer mechanischen Nachführung ausgestattet. Die Solaranlage wird dadurch elektrisch dem Sonnenstand angepasst, um die Ausbeute an elektrischer Energie aus der Sonnenenergie zu erhöhen.

Der theoretisch maximale thermodynamische Wirkungsgrad (Carnot-Wirkungsgrad) der Energiegewinnung aus Sonnenlicht beträgt 85 %. Er folgt aus der maximalen Absorbertemperatur (<2500 K, Schmelzpunkt von Hochtemperaturwerkstoffen und etwa die Hälfte der Temperatur der Sonnenoberfläche von 5800-6000 K) und der Umgebungstemperatur (300 K).
Wird nur ein begrenzter Wellenlängenbereich aus dem Sonnenspektrum genutzt, reduziert sich der theoretische Wert, beispielsweise für Solarzellen auf Siliziumbasis auf 29%. Das ist ein prinzipieller Nachteil von Solarzellen gegenüber solarthermischen Kraftwerken, da Solarzellen immer nur einen Teil des Spektrums nutzen können.

Ausführlicher zum Thema Solarzelle bei Wikipedia.


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