Silizium Solarzelle

Der Großteil aller Solarzellen, die weltweit produziert werden, basiert auf Silizium. Silizium-Solarzellen bieten derzeit die beste Kombination aus einem hohen Wirkungsgrad, Langlebigkeit, einem vergleichsweise einfachen Herstellungsverfahren und überschaubaren Produktionskosten. Für die verschiedenen Einsatzzwecke stehen unterschiedliche Arten von Silizium-Solarzellen, beispielsweise amorphe Solarzellen, zur Verfügung. Hier stellen wir Ihnen die gängigsten Typen von Silizium-Solarzellen vor und erklären Aufbau und Funktionsweise.

Wie funktioniert eine Solarzelle?

Die grundsätzliche Funktionsweise von Photovoltaik ist für alle Solarzellen gleich, auch wenn die voranschreitende Forschung immer neue Zelltypen hervorbringt. Wie andere Solarzellen auch bestehen Silizium-Solarzellen (abgekürzt auch „Si-Solarzellen“) aus verschiedenen Halbleiterschichten. Bei Silizium-Solarzellen wird das hochreine Silizium gezielt „verunreinigt“, indem andere Elemente wie Phosphor, Bor oder Aluminium in die Gitterstruktur des Siliziumkristalls eingefügt werden. 

Aufgrund dieser „Verunreinigung“, die fachsprachlich „Dotierung“ heißt, bilden sich verschiedene Schichten: Die negativ geladene (sogenannte „negativ dotierte Schicht“ oder „n-Schicht“) entsteht, wenn das eingeführte Element mehr Elektronen als Silizium aufweist, wie das bei Phosphor der Fall ist. Die positiv geladene Schicht (auch „positiv dotierte Schicht“ oder „p-Schicht“), die bei Dotierung mit Aluminium oder Bor entsteht, ist aufgrund eines Mangels an Elektronen mit positiv geladenen „Löchern“ durchsetzt. Dort, wo die beiden Schichten sich berühren, entsteht eine neutrale Grenzschicht, an der ein elektrisches Feld anliegt. 

Treffen nun Photonen (Lichtteilchen aus dem Sonnenlicht) auf diese Grenzschicht, werden Elektronen und Löcher getrennt. Wird eine Verbindung zwischen den Polen der Solarzelle geschaffen - der Stromkreis also geschlossen - fließen die Elektronen hin zur positiven Elektrode ab, während die unbeweglichen Löcher vor Ort verbleiben. Durch den so entstehenden Stromfluss rekombinieren Elektronen und Löcher und der Prozess beginnt von neuem.

So funktioniert die Herstellung von Silizium-Solarzellen

Die Verwendung von Silizium für Solarzellen ist deshalb so vorteilhaft, weil Silizium nach Sauerstoff das zweithäufigste Element der Erde ist. Es macht etwa ein Drittel des gesamten Gewichts der Erdoberfläche aus. 

Silizium kommt jedoch nicht in reiner Form, sondern gebunden vor, beispielsweise als Siliziumdioxid (Quarzsand) oder als Mineral in bestimmten Edelsteinen wie etwa Amethysten. Daher muss es für die Herstellung von Silizium-Solarzellen zunächst chemisch umgewandelt und von Verunreinigungen befreit werden. Silizium, das für die Photovoltaik verwendet wird, muss einen sehr hohen Reinheitsgrad aufweisen. Es wird zudem meist in eine ebenmäßige Kristallstruktur (Einkristall für monokristalline Solarmodule) gebracht und dann, wie oben bereits erwähnt, willentlich mit anderen Elementen dotiert, um die Stromerzeugung zu ermöglichen. Die unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten, welche für die Funktionsweise von Silizium-Solarzellen notwendig sind, entstehen in aufwendigen technischen Prozessen. 

Solarzellen aus Silizium sind quadratisch und hauchdünn. Produziert werden sie in verschiedenen Standardmaßen. Eine typische Größe sind 166 x 166 mm (6 Zoll-Zellen, M6). Die Si-Solarzellen werden mit Metallkontakten versehen, über die die elektrische Spannung abgeleitet und so nutzbar gemacht werden kann. Außerdem wird eine durchsichtige Antireflexschicht aufgetragen. Sie verhindert, dass große Mengen Sonnenlicht reflektiert werden und sorgt dafür, dass möglichst viel Sonnenenergie in Elektrizität umgewandelt werden kann. 

Die Silizium-Solarzellen werden zu unterschiedlichen Typen von Solarmodulen zusammengesetzt. Gängig sind Glas-Folie-Solarmodule, die auf der Vorderseite mit bruchsicherem Glas abgedeckt und auf der Rückseite mit einer witterungsbeständigen Kunststofffolie geschützt werden. Besonders robust und langlebig sind Glas-Glas-Solarmodule. Sie werden auf der Vorder- und auf der Rückseite durch Glas geschützt. In der Regel werden die Module außerdem mit einem Rahmen versehen, um die Stabilität zu erhöhen.

Unterschiedliche Typen von Silizium-Solarzellen

Silizium-Solarzellen werden grob in zwei Typen unterteilt, und zwar in kristalline Solarzellen und in amorphe Solarzellen. Die kristallinen Solarzellen lassen sich wiederum in monokristalline Solarzellen und in polykristalline Solarzellen unterteilen. Für Dach-Photovoltaikanlagen sind kristalline Solarzellen die am häufigsten gewählte Variante. Mehr zu den Unterschieden zwischen monokristallinen und polykristallinen Solarzellen erfahren Sie in unserem Artikel zum Thema. Tendenziell sind polykristalline Zellen günstiger in der Herstellung, haben jedoch auch einen geringeren Wirkungsgrad. 

Amorphe Solarzellen werden im Gegensatz zu kristallinen Silizium-Solarzellen nicht zu Wafern geschnitten. Stattdessen wird das amorphe (“ungeordnete“, nichtkristalline) Silizium als hauchdünne Schicht auf ein Trägermaterial (zum Beispiel Glas) aufgebracht. Das kann beispielsweise durch Aufdampfen oder Aufsprühen geschehen. Die Siliziumschicht, die auf diese Weise entsteht, ist rund 50-mal dünner als ein menschliches Haar. 

Sogenannte Hocheffizienzsolarzellen (HIT-Solarzellen) bestehen aus einer Kombination aus kristallinen und amorphen Siliziumzellen und erreichen im Vergleich höhere Wirkungsgrade. 

Amorphe Solarzellen kommen für die Herstellung von Dünnschicht-Solarmodulen zum Einsatz. Die niedrigen Kosten – allerdings auch bei einem deutlich geringerem Wirkungsgrad – prädestinieren sie für den Einsatz in Solarparks, wo große Flächen zur Verfügung stehen, die kostengünstig mit Solarmodulen gefüllt werden sollen. 

Einschränkungen ergeben sich beim Einsatz von Silizium-Solarzellen daraus, dass die Zellen recht spröde und somit zerbrechlich und unflexibel sind. Bereits die Silizium-Wafer haben Mikrorisse, die die Funktion der Zellen aber nicht beeinträchtigen. Sie müssen in den Solarmodulen jedoch gut geschützt werden. Silizium-Solarzellen sind daher prädestiniert für den Einsatz auf Dächern oder in Solarparks. Eine flexible Alternative bieten Solarzellen aus organischen Verbindungen, die in leichter und biegsamer Verarbeitung sogar auf Kleidung oder hauchdünn auf Fensterfronten aufgebracht werden können.

Leistung von Silizium-Solarzellen 

Welche Leistung die Solarzellen erbringen können, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Eine Rolle spielen dabei die oben genannten Typen von Silizium-Solarzellen, aber auch die Umgebungstemperaturen, Verschattungen und natürlich die Sonneneinstrahlung. Um vergleichbare Werte festlegen zu können, gibt man die Leistungsfähigkeit von Silizium-Solarzellen gemessen unter folgenden Bedingungen an:

• Umgebungstemperatur 25 Grad Celsius
• Sonneneinstrahlung 1.000 W/m²
• Air Mass (= Atmosphärendicke) 1,5

Unter diesen Standardbedingungen können monokristalline Siliziumzellen theoretisch einen Wirkungsgrad von 29,4 % erreichen. Eine Steigerung darüber hinaus ist nicht möglich, es sei denn, die Silizium-Zellen werden mithilfe bestimmter Verfahren beispielsweise zu Mehrfachzellen kombiniert. Der Grund: Solarzellen aus Silizium können nicht das gesamte Lichtspektrum nutzen. Licht bestimmter Wellenlängen trägt nicht genug Energie in sich, um die Elektronen des Halbleiters zu aktivieren. Außerdem kommt es in der Praxis zu Wärmeentwicklung, Verschattungen, Reflexionen etc. – alles Aspekte, die die Leistungsfähigkeit beeinträchtigen.

Typischerweise erreichen die verschiedenen Silizium-Solarzellen etwa folgende Wirkungsgrade:

• 19–24 % für monokristalline Siliziumzellen
• 17–20 % für polykristalline Siliziumzellen
• 15–16 % für CIGS-Module
• ca. 22 % für HIT-Solarzellen

Die Spannung, die mit Silizium-Solarzellen üblicherweise erreicht wird, liegt zwischen ca. 0,5 und 0,7 Volt. Abhängig ist die auch vom Temperaturkoeffizient. Der gibt an, wie stark die maximale Leistung der Solarzellen von der Außentemperatur abhängt. Monokristalline und amorphe Solarzellen büßen etwa 0,4 % Leistung pro Grad über Standardbedingungen ein, bei polykristallinen Silizium-Solarzellen sind es etwa 0,45 %. 

Egal ob kristalline oder amorphe Silizium-Solarzellen: Eine einzelne Solarzelle produziert keinen nennenswerten Solarstrom. Daher werden die Solarzellen zur sinnvollen Nutzung in großer Anzahl in Reihe geschaltet und so zu Solarmodulen verbunden. Typischerweise werden 60 oder 72 Zellen verbunden, die ca. 40 V Spannung liefern. Jedoch sind mittlerweile auch deutlich größere Module am Markt erhältlich. Bei der Auswahl für das individuelle Projekt berät eine Fachkraft für Solartechnik.