Photovoltaik Solarzellen                                                                      

                                              
Solarzellen bestehen aus verschiedenen Halbleitermaterialien. Halbleiter sind Stoffe, die unter Zufuhr von Licht oder Wärme elektrisch leitfähig werden.

Über 95 % aller auf der Welt produzierten Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium (Si). Silizium, dies ist das zweithäufigstes Element der Erdrinde. Zur Herstellung einer Solarzelle wird das Halbleitermaterial "dotiert" (definierte Einbringen von chemischen Elementen), mit denen man entweder einen

positiven Ladungsträgerüberschuß (p-leitende Halbleiterschicht) oder einen

negativen Ladungsträgerüberschuß (n-leitende Halbleiterschicht)

im Halbleitermaterial erzielen kann. Werden zwei unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten gebildet, entsteht an der Grenzschicht ein p-n-Übergang.
         
An diesem Übergang baut sich ein inneres elektrisches Feld auf, das zu einer Ladungstrennung der bei Lichteinfall freigesetzten Ladungsträger führt. Über Metallkontakte kann eine elektrische Spannung abgegriffen werden. Wird der äußere Kreis geschlossen, fließt ein Gleichstrom.
Siliziumzellen sind etwa 10 cm ´ 10 cm groß (seit kurzem auch 15 cm ´ 15 cm).

Durchsichtige Antireflexschicht dient zum Schutz der Zelle und Verminderung von Reflexionsverlusten.

"Welche Zellentypen gibt es ?"                                                          

                                       
Monokristallinen Siliziumzellen: hochreines Halbleitermaterial, aus einer Siliziumschmelze werden einkristalline Stäbe gezogen und anschließend in dünne Scheiben gesägt dadurch relativ hohe Wirkungsgrade.
Polykristallinen Zellen: flüssiges Silizium in Blöcke gegossen und anschließend in Scheiben gesägt. Bei der Erstarrung bilden sich unterschiedlich große Kristallstrukturen aus, an deren Grenzen Defekte auftreten. Dadurch geringerer Wirkungsgrad der Solarzelle.
Amorphen (Dünnschichtzellen): Wird auf Glas oder anderes Substratmaterial eine Siliziumschicht abgeschieden, spricht man von amorphen- oder Dünnschichtzellen. Die Schichtdicken betragen weniger als 1 µm (Haare: 50-100 µm). Die Wirkungsgrade amorpher Zellen liegen weit unter denen der anderen beiden Zelltypen. Anwendung: Uhren, Taschenrechner oder als Fassadenelemente.

                                                               
Außer an der Optimierung von Produktionsprozessen arbeitet man auch an einer Erhöhung der Wirkungsgrade, um zu einer Verbilligung der Solarzellen zu kommen.

Grenzen:

• Grundsätzlich sind die einzelnen Halbleitermaterialien oder -kombinationen nur für bestimmte Spektralbereiche des Lichtes.

• Ein bestimmter Anteil der Strahlungsenergie kann also nicht genutzt werden, weil die Lichtquanten (Photonen) nicht über ausreichend Energie verfügen, um Ladungsträger "aktivieren".

• Anteil an Photonen-Überschußenergie nicht in elektrische Energie, sondern in Wärme umgewandelt.

• Optische Verluste, wie die Abschattung der Zelloberfläche oder die Reflexion einfallender Strahlung.

• Elektrische Widerstandsverluste im Halbleiter und in den Anschlußleitungen sind Verlustmechanismen.

• Einfluß von Materialverunreinigungen, Oberflächeneffekten und Kristalldefekten

• Photonen mit zu geringer Energie werden nicht absorbiert, Photonen-Überschußenergie wird in Wärme umgewandelt

• Physikalische Gründe die durch das verwendete Material vorgegeben sind.

"Woran wird entwickelt ?"                                                                   

                                    
Oberflächenstrukturierung zur Verminderung von Reflexionsverlusten: Aufbau der Zelloberfläche in Pyramidenstruktur, damit einfallendes Licht mehrfach auf die Oberfläche trifft.

Tandem- oder Stapelzellen: Breiteres Strahlungsspektrum nutzen zu können, werden unterschiedliche Halbleitermaterialien, übereinander angeordnet.

Konzentratorzellen: Durch Spiegel- und Linsensystemen wird eine höhere Lichtintensität auf die Solarzellen fokussiert. Systeme werden der Sonnen nachgeführt, um stets die direkte Strahlung auszunutzen.

MIS-Inversionsschicht-Zellen: innere elektrische Feld wird nicht durch einen p-n-Übergang erzeugt, sondern Übergang einer dünnen Oxidschicht.

Grätzel-Zelle: Elektrochemische Flüssigkeitszelle und einem Farbstoff zur Verbesserung der Lichtabsorption.

"Was ist Peakleistung?"                                                                      

                                                               
Die elektrischen Werte einer Solarzelle- und damit des gesamten Generators ändern sich entsprechend der Rahmenbedingungen, insbesondere der Beleuchtungsintensität. In der Photovoltaik wird die maximal mögliche Leistung eines Solargenerators bei Standardbedingungen als Peak-Leistung definiert, sie wird in Watt gemessen und als Wp (Watt, Peak) angegeben. Als Standardbedingung wird eine optimale Sonneneinstrahlung von 1000 Watt pro Quadratmeter angesetzt, die in Deutschland in den Mittagsstunden eines schönen Sommertages erreicht wird. Die Peak-Leistung - manche Hersteller bezeichne diese auch als "Nennwert" basiert also auf Messungen unter optimalen Bedingungen. Die Nennleistung ergibt sich aus dem Produkt der Nennspannung und des Nennstroms. Mehr Aufschluss über die Eigenschaften einer Solarzelle oder eines Generators gibt die Strom/Spannungs-Kennlinie.