Grundlagen Photovoltaik

 

1. Allgemein

2. Geschichte des Erfolges

3. Der photovoltaische Effekt

4. Zelltypen

4.1         kristalline Zellen

4.2         Dünnschichtzellen

 

 

1. Allgemein

 

Die Photovoltaik, also die direkte Erzeugung von Strom aus Sonnenenergie, ist inzwischen zu einem ökologisch und ökonomisch wertvollen Wirtschaftszweig geworden. Vor wenigen Jahren noch eine Randerscheinung der Energieerzeugung, ist sie nun im Zeichen von knapper werdenden fossilen Brennstoffen, den damit verbundenen Umweltfolgen und der weiterhin großen Kritik an der Kernenergie zu einer wichtigen Alternative geworden, vor allem langfristig. Die Energie der Sonne steht uns täglich kostenlos zur Verfügung und ist aus menschlicher Sicht zeitlich unbegrenzt verfügbar. Die auf der Erde eintreffende Energie der Sonne ist etwa 3000mal höher als der gesamte Energieverbrauch der Menschheit.

Durch die Nutzung regenerativer Energien lässt sich der CO2-Ausstoß erheblich reduzieren.

Im derzeitigen Kraftwerksmix entstehen immer noch ca. 0,6kg CO2 pro erzeugter Kilowattstunde (kWh), bei modernen(!) Kohlekraftwerken liegt der Wert sogar bei mehr als einem Kilogramm.

2. Geschichte des Erfolges

 

Seit der Ölkrise 1974 wurden viele Anstrengungen im Sektor Forschung und Förderung der Photovoltaik unternommen, ehe am 1.1.1999 das 100.000 Dächer-Solarstrom-Programm unter der Federführung des Bundeswirtschaftsministeriums in Kraft treten konnte. Mit Hilfe dieses Programms wurde es schließlich ermöglicht, über die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) die Installation von Solarstromanlagen in Form von deutlich zinsvergünstigten Darlehen zu unterstützen. Gemeinsam mit der Einführung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) im Jahr 2000 hat das Förderprogramm die Basis für eine „solare Gründerzeit“ gelegt. Die deutsche Photovoltaikindustrie entstand und war lange weltweit die Nummer 1, sowohl in Absatzzahlen als auch in Technologie und Forschung. Im Laufe der letzten Jahre hat China die Spitzenposition erobert.

 

Photovoltaikanlagen in Deutschland produzieren je nach Auslegung und Ausrichtung der Anlage zwischen 700 und 1100 kWh pro kWp installierter Leistung. Mit kWp (kilo Watt peak) wird die Spitzenlast einer Solarstromanlage bei 1.000W Einstrahlung pro Quadratmeter und einer Modultemperatur von 25°C bezeichnet.

 

 

3. Der photovoltaische Effekt

 

 

Das Wort Photovoltaik setzt sich zusammen aus „phos, photos“, dem griechischen Wort für Licht, und dem Nachnamen des italienischen Physikers Alessandro Volta, dem die Einheit der Spannung ihren Namen verdankt. Es bezeichnet die direkte Umwandlung der Strahlungsenergie in elektrische Energie. Albert Einstein erhielt im Jahre 1921 den Physik-Nobelpreis für Deutung des Photoeffekts.

Die meisten heute hergestellten Solarzellen bestehen aus dem Grundmaterial Silizium, dem zweithäufigsten Element der Erde. Silizium ist ein Halbleiter, also ein Stoff, der unter Zufuhr von Energie elektrisch leitfähig wird. Das elektrische Schalthild einer Solarzelle entspricht dem einer Diode. Meist werden Solarzellen auf Siliziumbasis als pn-Übergänge realisiert. Zur Verbesserung der Leitfähigkeit wird das Silizium zusätzlich dotiert. Darunter versteht man das gezielte Einbringen geeigneter Fremdstoffe in geringen Mengen. Das n-dotierte Silizium entsteht durch Zugabe von so genannten Donatoren (z.B. Phosphor), die einen Elektronenüberschuss aufweisen. Eine Dotierung mit Akzeptoren (z.B. Bor)  ergibt im Gegensatz dazu eine hohe Löcherdichte, die zur p-Dotierung führt. So entsteht an der Grenzschicht der pn-Übergang, der einem Aufbau eines elektrischen Feldes entspricht. Bei Lichteinfall entsteht eine Ladungstrennung. In der Raumladungszone werden durch die Photonen Elektronen vom Valenzband gelöst und ins Leitungsband angehoben. Die Elektronen werden also vom Atom gelöst. Dadurch werden sie in das n-Gebiet gezogen und die entstehenden Löcher wandern ins p-Gebiet.

 

In der Abbildung ist der Vorgang des pn-Übergangs im Bändermodell dargestellt. Wird nun der äußere Stromkreis geschlossen, indem man über die Elektroden einen Verbraucher anschließt, fließt ein Gleichstrom.

 

Die nächste Abbildung zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Siliziumzelle.

 

 

4. Zelltypen

 

4.1      kristalline Zellen

 

Der größte Teil der bislang installierten Module basiert auf kristallinem Silizium. Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element der Erde  Vorzufinden ist es meist in Form von Siliziumdioxid (Quarzsand). Zur Herstellung von Silizium für Solarzellen muss dieses Grundmaterial allerdings in einem sehr aufwändigen Verfahren gereinigt und aufbereitet werden. Die erforderlichen Produktionsanlagen sind sehr kostenintensiv.

Bei polykristallinen Solarzellen sind die Kristalle unterschiedlich ausgerichtet, was zu Wirkungsgradverlusten führt.

Foto: polykristalliner Siliziumblock

 

Die bislang erzielten Wirkungsgrade liegen bei 15 Prozent, im Labor bei 18 Prozent.

 

Um den Wirkungsgrad der Siliziumzellen (auch Wafer genannt) zu erhöhen, kann aus polykristallinem Material monokristallines Silizium hergestellt werden. Das polykristalline Silizium wird geschmolzen und durch ein aufwändiges chemisches Verfahren zu einem großen Kristall geformt.

Der maximale theoretische Wirkungsgrad liegt bei 28 Prozent, erreicht wurden bisher auf dem Markt 17,7 Prozent, im Labor bis zu 25 Prozent.

 

 

 

4.2      Dünnschichtzellen

Neben den kristallinen Zellen gibt es auch auf Grund der zeitweiligen Siliziumknappheit vermehrt amorphe oder Dünnschichtzellen, die es in verschiedenen Ausführungen mit ganz unterschiedlichen Materialien gibt. Mit Knappheit ist hier der Mangel an hochreinem Silizium gemeint, das einen Reinheitsgrad von 99,9999999% aufweisen muss.

Die Dünnschichtzellen unterscheiden sich von den kristallinen Zellen einerseits in der Produktion, aber auch in den physikalischen Eigenschaften. Außerdem verlieren sie bei hohen Temperaturen weniger an Leistung.

Dünnschichtmodule, insbesondere Module aus amorphem Silizium, unterliegen in der Anfangszeit dem Staebler-Wronski-Effekt. Dieser ist auf das Entstehen neuer Defekte (Elektronenlöcher) zurückzuführen und beschreibt eine Reduzierung der elektrischen Leistung auf einen stabilisierten Wert. Durch eine starke Erhitzung kann dieser Effekt zum Teil wieder rückgängig gemacht werden (Annealing-Effekt). So ist auch zu erklären, dass amorphe Dünnschichtmodule nach den ersten warmen Tagen im Jahr eine deutliche Leistungssteigerung erkennen lassen.

 

Dass diese Module trotz ihrer um den Faktor 100 dünneren Schicht einen relativ hohen Wirkungsgrad von bis zu 13% erreichen, liegt daran, dass amorphes Silizium als direkter Halbleiter einen deutlich höheren Absorptionskoeffizienten als das kristalline Silizium besitzt.

 

 

 

Von der Zelle zum Modul

 

Um für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche geeignete Spannungen bzw. Leistungen bereitstellen zu können, werden einzelne Solarzellen zu größeren Einheiten miteinander verschaltet. Eine Serienschaltung der Zellen hat eine      höhere Spannung zur Folge, eine Parallelschaltung einen höheren Strom. Die miteinander verschalteten Solarzellen werden meist in Ethylen-Vinyl-Acetat (EVA) eingebettet, mit einem Rahmen aus Aluminium oder Edelstahl versehen und frontseitig transparent mit Glas abgedeckt. Die typischen Spitzenleistungen solcher Solarmodule liegen zwischen 10 Watt und 300 Watt. Die Kenndaten der Solarmodule beziehen sich auf die Standardtestbedingungen von 1000 W/m² Sonneneinstrahlung bei 25°C Zelltemperatur. Die von den Herstellern angegebenen Garantiezeiten sind mit in der Regel 20-25 Jahren sehr hoch und bezeugen den hohen Qualitätsstandard und die hohe Lebenserwartung heutiger Produkte.

 

Die energetische Amortisationszeit liegt bei etwas mehr als einem Jahr bei Dünnschichtmodulen, etwa 2,5 Jahre bei den polykristallinen Modulen und 3-4 Jahren bei monokristallinen Modulen.

 

 

 

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