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Solarstrom-Systeme : Solarzellen sind großflächige Fotodioden, die Lichtenergie (in der Regel Sonnenlicht) in elektrische Energie umwandeln. Dies geschieht unter Ausnutzung des photoelektrischen Effekts (Fotovoltaik). Die traditionelle Solarzelle besteht aus einem Grundmaterial, das durch Bearbeitung mit anderen Materialien, so genannter Dotierung, in zwei Gebiete mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften eingeteilt wird (das so genannte p- respektive n-Gebiet). Bei andauernder Bestrahlung der Solarzelle entsteht zwischen den beiden unterschiedlich dotierten Schichten ein elektrisches Feld, das eine Spannung in der Größenordnung von 0,5 V hervorruft. Die silberfarbenen Leiterbahnen, die wie ein Netz über die der Sonne ausgesetzten Seite der Solarzelle verteilt sind, bilden den negativen Pol; die Unterseite der Solarzelle bildet den positiven Pol. Wird ein Verbraucher, eine sogenannte Last, an die Solarzelle angehängt, fließt ein Strom. Solarzellen sind im Prinzip wie Photodioden aufgebaut, werden jedoch im Gegensatz zu diesen nicht in Sperrichtung an einer Hilfsspannung oder im Quasikurzschluss betrieben, sondern erzeugen selbst eine elektrische Spannung (positiver Pol an der Anode/Deckelektrode, negativer Pol an der Kathode/Substrat). Beim unbeleuchteten und unbelasteten p-n-Übergang diffundieren die negativ geladenen Elektronen und die positiv geladenen Löcher jeweils in die Richtung geringerer Konzentration, so dass ein elektrischer Diffusionsstrom fließt. Der Hauptteil dieser "freien" Ladungsträger stammt hierbei von den Fremdatomen der Dotierung. So lassen die Elektronen die positiv geladenen Atomrümpfe des Donators zurück, die Löcher dementsprechend die negativ geladenen Rümpfe. Das hierbei entstehende elektrische Feld der Atomrümpfe wirkt entgegengesetzt zum Diffusionsstrom der freien Ladungsträger, bis ein Gleichgewicht entsteht. Um die Funktionsweise der beleuchteten Zelle zu verstehen, werden teilweise Energiediagramme des Bändermodells zu Hilfe genommen. Diese erklären, wie Elektronen-Löcher-Paare entstehen, indem sie die Energie der Ladungsträger darstellen. Die Energiediagramme für traditionelle Halbleitermaterialien bestehen aus je einem Leitungs- und Valenzband, getrennt durch eine Bandlücke. Um den Fluss des produzierten elektrischen Stromes zu erklären, genügt jedoch das herkömmliche Modell der „wandernden“, positiven und negativen Ladungsträger. Wird die Zelle beleuchtet, entstehen aus einem Photon ausreichender Energie jeweils ein Elektron im Leitungsband und ein Loch im Valenzband, also ein "frei bewegliches" zusätzliches Ladungsträgerpaar. Dieses Paar kann ggf. (siehe Raumladungszone) im elektrischen Feld der Atomrümpfe getrennt werden. Hierbei werden bspw. die Elektronen von den positiven Atomrümpfen angezogen, „wandern“ also Richtung n-Gebiet, d. h. es entsteht ein Strom. Die p- und n-Zone laden sich gegeneinander auf, bis ein neues Gleichgewicht entsteht. Soweit die Ladungsträger nicht wieder rekombinieren (ihre Energien wieder abgeben), kann dieser nun entstandene Strom (der Photostrom) von einem Verbraucher „abgegriffen werden“. Hierzu muss die Spannung zwischen p- und n-Zone unterhalb eines charakteristischen Wertes liegen (bei Si-Solarzellen ca. 0,7 Volt). Die elektrische Spannung bei maximaler Leistung (Maximum Power Point, Leistungsanpassung) liegt bei den gebräuchlichsten Zellen (kristalline Siliziumzellen) bei etwa 0,5 V. Um besser verwendbare Spannungen zu erreichen, werden in einem Solarmodul (auch Photovoltaikmodul) mehrere Solarzellen miteinander verschaltet. Silizium ist für die Halbleitertechnik nahezu ideal. Es ist preiswert, es läßt sich hochrein und einkristallin herstellen und als n- und p-Halbleiter dotieren. Einfache Oxidation ermöglicht die Herstellung dünner Isolationsschichten. Jedoch ist die Ausprägung seiner Bandlücke als indirekter Halbleiter für optische Wechselwirkung wenig geeignet. Siliziumbasierte kristalline Solarzellen müssen eine Schichtdicke von mindestens 100 µm und mehr aufweisen, um Licht ausreichend stark zu absorbieren. Bei Dünnschichtzellen direkter Halbleiter, wie z. B. Galliumarsenid oder auch Silizium mit stark gestörter Kristallstruktur (siehe unten), genügen 10 µm. Je nach Kristallaufbau unterscheidet man bei Silizium folgende Typen: Monokristalline Zellen werden aus so genannten Wafern (einkristalline Siliziumscheiben) hergestellt, wie sie auch für die Halbleiterherstellung verwendet werden. Sie sind sehr teuer und finden vor allem in der Raumfahrt (Stromversorgung von Satelliten und Raumfahrzeugen) Verwendung. Multikristalline Zellen bestehen aus Scheiben, die nicht überall die gleiche Kristallorientierung aufweisen. Sie können z. B. durch Gießverfahren hergestellt werden und sind preiswerter und in Photovoltaik-Anlagen am meisten verbreitet. Amorphe Solarzellen bestehen aus einer dünnen, nicht kristallinen (amorphen) Silizium-Schicht, werden daher auch als Dünnschichtzellen bezeichnet. Sie können z. B. durch Aufdampfen hergestellt werden und sind sehr preiswert, haben im Sonnenlicht einen nur geringen Wirkungsgrad, bieten jedoch Vorteile bei wenig Licht. Zu finden sind die amorphen Zellen beispielsweise auf Taschenrechnern oder Uhren. Mikrokristalline Zellen sind Dünnschichtzellen mit mikrokristalliner Struktur. Sie weisen einen höheren Wirkungsgrad als amorphe Zellen auf und sind nicht so dick wie die gängigen polykristallinen Zellen. Sie werden teilweise auf Photovoltaikanlagen verwendet, sind jedoch noch nicht sehr weitverbreitet. Tandem-Zellen sind übereinander geschichtete Solarzellen, meist eine Kombination von polykristallinen und amorphen Zellen. Durch ein breiteres Ausnützen des Lichtspektrums haben diese Zellen einen besseren Wirkungsgrad als die amorphen. Sie werden teilweise auf Photovoltaikanlagen verwendet, sind jedoch noch relativ teuer. Dünnschichtzellen gibt es in verschiedenen Variationen, je nach Substrat und aufgedampften Materialien. Die Palette der physischen Eigenschaften und die Spannweite der Wirkungsgrade ist entsprechend gross. Dünnschichtzellen unterscheiden sich von den traditionellen Solarzellen vor allem in ihrer Produktion, es gibt jedoch auch physikalische Differenzen, anderes Verhalten, und eine erst wenig bekannte Theorie für die Funktionsabläufe. Direkte Halbleiter absorbieren Sonnenlicht bereits in Schichtdicken von nur 10µm. Verglichen mit traditionellen Solarzellen aus indirekten Halbleitern sind Zellen aus direkten Halbleitern wesentlich dünner. Diese Dünnschichtzellen werden meist durch Abscheiden aus der Gasphase direkt auf einem Trägermaterial aufgebracht. Dies kann Glas, Metallblech, Kunststoff oder auch ein anderes Material sein. Der aufwändige, im vorigen Kapitel beschriebene Prozess des Zerschneiden von Siliziumblöcken kann also umgangen werden. Mögliche Materialien für Dünnschichtzellen sind amorphes Silizium (a-Si:H), mikrokristallines Silizium (µc-Si:H), Gallium-Arsenid (GaAs), Cadmium-Tellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-(Gallium)-Schwefel-Selen-Verbindungen, sogenannte CIS-Zellen bzw. CIGS-Zellen, wobei hier S für Schwefel oder Selen stehen kann, je nach Zelltyp. Dünnschichtmodule sollten präzise ausgewählt werden für deren jeweilige Anwendung. Für die Produktion von Strom im großen Stil ist ein hoher Wirkungsgrad erwünscht; auch dafür gibt es mittlerweilen Dünschichtmodule. Wirkungsgrade im Bereich von 20% (19,2 % mit CIS-Solarzellen, siehe 1 (Jan 2006)) sind durchaus möglich. CIS-Dünnfilmmodule erreichen inzwischen die gleichen Wirkungsgrade wie Module aus multikristallinem Silizium Outdoor-Tests zeigen stabile Wirkungsgrade über mehr als 10 Jahre. Eine der Stärken der Dünnschichtmodule besteht darin, dass sie nicht auf ein rigides Substrat wie Glas oder Alu angewiesen sind. Bei aufrollbaren Solarzellen für den Wanderrucksack oder eingenäht in Kleider wird ein tieferer Wirkungsgrad in Kauf genommen; der Gewichtsfaktor ist wichtiger als die optimale Lichtumwandlung. Stärke der Dünnschichtmodulen ist, dass sie einfacher und grossflächiger produziert werden können. Ein Beispiel eines solchen Produktionsverfahrens ist CSG, "Crystalline Silicon on Glass", es vereint die Vorteile von kristallinem Silizium als Zellenmaterial mit den geringen Kosten der Dünnfilmtechnik. Dabei wird eine weniger als zwei Micrometer dünne Siliziumschicht direkt auf einen Glasträger aufgebracht, die kristalline Struktur wird nach einer Wärmebehandlung erreicht. Das Aufbringen der Stromführung erfolgt mittels Laser- und Tintenstrahldrucktechnik. Derzeit (2005) ist in Deutschland eine Fabrikationsanlage im Bau. Die Auslieferung der ersten Module wird für 2006 erwartet. Elektrochemische Farbstoff-Solarzelle Dieser Zelltyp ist auch bekannt als Grätzel-Zelle. Bei diesem Zelltyp wird der Strom anders als bei den bisher aufgeführten Zellen über die Lichtabsorption eines Farbstoffes gewonnen; als Halbleiter kommt Titandioxid zum Einsatz. Als Farbstoffe werden hauptsächlich Komplexe des seltenen Metalls Ruthenium verwendet, zu Demonstrationszwecken können aber selbst organische Farbstoffe, zum Beispiel der Blattfarbstoff Chlorophyll oder Anthocyane (aus Brombeeren) als Lichtakzeptor verwendet werden. (Diese besitzen aber nur eine geringe Lebensdauer.) Die Funktionsweise der Zelle ist noch nicht im Detail geklärt; die kommerzielle Anwendung gilt als recht sicher, ist aber produktionstechnisch noch nicht in Sicht. Fluoreszenz-Zelle Hierbei handelt es sich um Solarzellen, die zunächst in einer Platte durch Fluoreszenz Licht geringerer Wellenlänge erzeugen, um dieses an den Plattenkanten zu wandeln. 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 CdTe, GaAs oder CuInSe eingesetzt, weltweit am häufigsten jedoch Silizium. Die Kristallstruktur kann kristallin oder amorph sein. Amorphe Materialien haben keine einheitliche Gitterstruktur. Nach der verwendeten Technik bei der Fertigung der Zelle aus dem Wafer unterscheidet man verschiedene Oberflächenstrukturierungen und Anordnungen der Zellenkontaktierung. In der Dünnschichttechnik sind zudem noch verschiedenste Kombinationen von Solarzellen möglich, die gestapelt werden können, wodurch der Wirkungsgrad der Gesamtanordnung erhöht werden kann Einteilung nach Materialien Siliziumzellen 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 Dünnschicht amorphes Silizium (a-Si) kristallines Silizium GaAs-Zellen hohe Wirkungsgrade, sehr temperaturbeständig, geringerer Leistungsabfall bei Erwärmung als kristalline Siliziumzellen, immer noch sehr teuer in der Herstellung, werden häufig in der Raumfahrt eingesetzt CdTe soll großtechnisch sehr günstig herstellbar sein, für eine Laborsolarzelle sind schon etwa 16 % erreicht worden, Modul-Wirkungsgrade bisher noch deutlich unter 10 %, Langzeitverhalten noch nicht bekannt. CIS-, CIGS-Zellen CIS steht für Kupfer-Indium-Diselenid bzw. Kupfer-Indium-Disulfid. Es existiert eine Pilotfertigung zur Fertigung von Kupfer-Indium-Diselenid-Modulen in Marbach am Neckar sowie eine Pilotfertigung von Solarmodulen auf Basis von Kupfer-Indium-Disulfid bei der Firma Sulfurcell in Berlin [4], und es entsteht derzeit eine Pilotfertigung von Solarmodulen aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid in Uppsala/Schweden. Diese Hersteller planen ab 2006 Solarmodule in Massenproduktion herzustellen. organische Solarzellen Die organische Chemie liefert Werkstoffe, die eine kostengünstige Fertigung von Solarzellen erlauben. Bisheriger Nachteil ist ihr deutlich schlechterer Wirkungsgrad und die recht kurze Lebensdauer (max. 5000 h) der Zellen. Farbstoffzellen oder auch Grätzel-Zellen nutzen organische Farbstoffe zur Umwandlung von Licht in elektrische Energie, ein Vorgang, der an die Photosynthese anlehnt. Die energetische Amortisation ist der Zeitpunkt, zu dem die Energie, die für die Herstellung einer Photovoltaikzelle aufgewand wurde, durch selbige wieder erzeugt wurde.