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====== Solarzellen ======

Polykristalline Silizium-Solarzellen in einem Solarmodul sowie Solar-Panel {{ http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/15/Polycristalline-silicon-wafer_20060626_568.jpg/180px-Polycristalline-silicon-wafer_20060626_568.jpg}}
{{ http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/37/Solar_Panels.jpg/180px-Solar_Panels.jpg}}

Teil aus: http://de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle

Solarzellen sind elektrische Bauelemente, die Lichtenergie (in der Regel Sonnenlicht) in elektrische Energie umwandeln. Dies geschieht unter Ausnutzung des photoelektrischen Effektes (Fotovoltaik).

===== Grundlagen =====

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

Neben Halbleitermaterialien gibt es auch neue Ansätze zum Material, wie organische Solarzellen oder Farbstoffsolarzellen. Diese Einordnungen lassen sich wie folgt darstellen:

===== Materialien =====

  * 1. Siliziumzellen
  * - Dickschicht
  *   o 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.
  *   o 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
  *   o Amorphes Silizium (a-Si): Höchster Marktanteil bei den Dünnschichtzellen; Modulwirkungsgrade zwischen 5 und 7 %; keine Material-Engpässe selbst bei Produktion im Terawatt-Maßstab
  *   o Kristallines Silizium, z.B. mikrokristallines Silizium (µc-Si): In Kombination mit amorphem Silizium hohe Wirkungsgrade; 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).
  * 3. II-VI-Halbleiter Solarzellen
  *  - 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.
  * 4. [[CIS-Solarzellen]], CIGS-Solarzellen: CIS steht für Kupfer-Indium-Diselenid bzw. Kupfer-Indium-Disulfid. Es existiert eine Pilotfertigung zur Fertigung von Kupfer-Indium-Diselenid-Modulen bei der Firma Würth Solar in Marbach am Neckar sowie eine Pilotfertigung von Solarmodulen auf Basis von Kupfer-Indium-Disulfid bei der Firma Sulfurcell in Berlin , 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.
  * 5. 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.
  * 6. Farbstoffzellen: Oder auch Grätzel-Zellen nutzen organische Farbstoffe zur Umwandlung von Licht in elektrische Energie; ein Vorgang, der an die Photosynthese anlehnt.

===== Bauformen =====

Neben dem Material ist noch die Bauweise von Bedeutung. Man unterscheidet verschiedene Oberflächenstrukturierungen und Anordnungen der Zellenkontaktierung (neue Ansätze mit durchsichtigen Kontakten). Weitere Bauformen sind Stapeltechniken durch Materialkombinationen, wodurch der Wirkungsgrad der Gesamtanordnung erhöht werden kann. Unter dem Stichwort Photon Recycling wird versucht, die Bauform so abzustimmen, daß einfallende Sonnenstrahlen eine maximale Ausbeute erzielen.

Derzeitig sind kommerziell erhältliche Solarzellen aus Halbleitermaterialien, davon zu einem Hauptanteil aus Silizium; es zeigen sich aber in den letzten Jahren starke Tendenzen hin zu III-V-Halbleitermaterialien. Wegen ihrer hohen Kosten werden sie für terrestrische Anwendungen in Konzentrator-Systemen konstruiert. Polymere Solarzellen befinden sich noch in der Forschung und sind kaum im Handel erhältlich, weshalb sich die meisten Angaben auf Halbleitersolarzellen beziehen.

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 Bauelementen werden zusätzlich Schutz-Dioden (Bypass-Dioden) parallel zu den Zellen eingebaut, die von Abschattung betroffene Zellen überbrücken können. Solaranlagen werden darüber hinaus vermehrt 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 Wirkungsgrad, der nicht überschritten werden kann, beträgt 85%. Er folgt aus einer thermodynamischen Betrachtung der Sonnentemperatur (5800K), der maximalen Absorbertemperatur (<2500K, Schmelzpunkt von Hochtemperaturwerkstoffen) und der Arbeitstemperatur der Solarzelle (Zimmertemperatur). Wird nur ein Wellenlängenbereich aus dem Sonnenspektrum genutzt, reduziert sich der theoretische Wert je nach Wellenlänge auf 5-35%, bezogen auf die Sonnenstrahlung in Breitengraden um 50°.

===== Funktionsprinzip =====

{{http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/thumb/d/d8/Solarzelle_Funktionsprinzip2.svg/600px-Solarzelle_Funktionsprinzip2.svg.png}}

Funktionsprinzip Halbleitersolarzelle: Einfallende Photonen erzeugen Elektronen und Löcher, die im elektrischen Feld der Raumladungszone des P-n-Übergangs getrennt werden.

Solarzellen aus Halbleitermaterialien sind im Prinzip wie großflächige Photodioden aufgebaut. Sie werden jedoch nicht als Strahlungsdetektor, sondern als Stromquelle betrieben.
Die Besonderheit von Halbleitern ist die, dass sie durch zugeführte Energie (Wärme oder Licht) freie Ladungsträger erzeugen (Elektronen und Löcher, siehe Generation). Um aus diesen Ladungen einen elektrischen Strom zu erzeugen, ist ein internes elektrisches Feld nötig, um die erzeugten Ladungsträger in unterschiedliche Richtungen zu lenken.
Dieses interne elektrische Feld wird durch einen P-n-Übergang erzeugt. Da Licht in Materialien gewöhnlich exponentiell schwächer wird, muss dieser Übergang möglichst nahe an der Oberfläche liegen, und die Übergangszone mit dem elektrischen Feld sollte möglichst weit in das Material hineinreichen. Diese Übergangszone (Raumladungszone) wird durch gezielte Dotierung des Material eingestellt (siehe Halbleitertechnologie). Um das gewünschte Profil zu erzeugen wird gewöhnlich die dünne Oberflächenschicht stark n-dotiert, die dicke Schicht darunter schwach p-dotiert. Dies hat eine weitreichende Raumladungszone zur Folge. Wenn in dieser Übergangszone nun Photonen einfallen und Elektronen-Loch-Paare erzeugen, so werden durch das elektrische Feld die Löcher zum untenliegenden p-Material beschleunigt und umgekehrt die Elektronen zum n-Kontakt auf der (sonnenzugewandten) Oberseite. Ein Teil der Ladungsträger rekombiniert auf dieser Strecke und geht in Wärme verloren, der übrige Strom (Photostrom) kann direkt von einem Verbraucher benutzt, in einem Akkumulator zwischengespeichert oder mit einem netzgeführten Wechselrichter in das Stromnetz eingespeist werden. Die elektrische Spannung bei maximaler Leistung (Maximum Power Point, Leistungsanpassung) liegt bei den gebräuchlichsten Zellen (kristalline Siliziumzellen) bei etwa 0,5 V.

Die Struktur von Solarzellen wird weiterhin so angepasst, dass möglichst viel Licht eingefangen und in der aktiven Zone verwendet werden kann. Dazu werden die Frontseiten-Kontakte möglichst dünn und transparent gehalten, auf der Oberseite wird eine Antireflexionsschicht aufgetragen (Verringerung des Reflexionsgrades), und beide Seiten werden aufgeraut. Wegen des Vorteils einer rauhen Oberfläche wurden ursprünglich fehlerhaft gefertigte Siliziummaterialien (Fehler beim Schleifprozess o.Ä.) als Solarzellen verkauft. Die Antireflexionsschicht sorgt für die typisch bläuliche Farbe von Solarzellen. Unbeschichtete Solarzellen haben hingegen eine gräuliche bis schwarze Farbe.

===== Traditionelle Solarzellen =====
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Polykristalline Solarzelle

Das traditionellste Grundmaterial für Halbleitersolarzellen ist Silizium. Wurden früher eher Abfallmaterialien für die Herstellung von Solarzellen verwendet, so wird inzwischen ein großer Anteil speziell gefertigter Materialien eingesetzt. Silizium ist allgemein für die Halbleitertechnik nahezu ideal. Es ist preiswert, 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 sog. 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 (s. u.) hergestellt werden und sind preiswerter und in Photovoltaik-Anlagen am meisten verbreitet.
  * Amorphe Solarzellen bestehen aus einer dünnen, nicht-kristallinen (amorphen) Siliziumschicht und 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 für Photovoltaikanlagen verwendet, sind jedoch noch nicht sehr weit verbreitet.
  * Tandem-Zellen sind übereinandergeschichtete Solarzellen, meist eine Kombination von polykristallinen und amorphen Zellen. Die einzelnen Schichten bestehen aus unterschiedlichem Material und sind so auf einen anderen Wellenlängenbereich des Lichtes abgestimmt. Dadurch kann ein breiteres Ausnützen des Lichtspektrums der Sonne haben diese Zellen einen besseren Wirkungsgrad als einfache Solarzellen. Sie werden teilweise auf Fotovoltaikanlagen verwendet, sind jedoch noch relativ teuer. Eine deutliche Verbilligung wird durch eine Kombinations mit Linsensystemen erzielt, so genannten Konzentratorsystemen.

===== Herstellung der Siliziumkristallsäulen =====

{{http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/thumb/4/4e/Solarzelle_schematische_Zeichnung.gif/450px-Solarzelle_schematische_Zeichnung.gif}}

Traditionelle Solarzellen können nach verschiedenen Verfahren hergestellt werden.

Das Grundmaterial Silizium ist das zweithäufigste chemische Element, das in der Erdkruste vorkommt. Es liegt in Form von Silikaten oder als Quarz vor. Aus Quarzsand kann in einem Hochofenprozess Rohsilizium mit Verunreinigungen von circa 1 % hergestellt werden. Dieser Prozess ist sehr energieaufwändig. Dennoch können die heute verwendeten Solarzellen die für ihre Produktion erforderliche Energiemenge innerhalb von 1,5 bis 7 Jahren (je nach Bauart) wieder erzeugen, haben also eine positive Energiebilanz. Aus dem Rohsilizium wird dann über einen mehrstufigen Prozess polykristallines Reinstsilizium hergestellt. Die bis heute (2003) hier angewendeten Verfahren sind für die Elektronikindustrie optimiert und bieten für die geforderte Reinheit von Solarsilizium, die wesentlich niedriger liegt als für Elektronikanwendungen benötigt, noch deutliches Kostenreduktionspotential. Hier wird zur Zeit intensiv geforscht.

Das nun vorhandene Reinstsilizium kann auf sehr unterschiedliche Arten weiterverarbeitet werden. Für multikristalline Zellen kommen größtenteils das Gießverfahren, das Bridgman-Verfahren und das Bandzieh-Verfahren (EFG-Verfahren) zum Einsatz. Monokristalline Zellen werden fast immer nach dem Czochralski-Verfahren hergestellt. Bei allen Verfahren gilt, dass die Dotierung mit Bor (siehe unten) schon beim Herstellen der Blöcke (Ingots) beziehungsweise Säulen vorgenommen wird.

==== Gießverfahren ====

Das Gießverfahren dient zur Herstellung von multikristallinem Silizium. Das Reinstsilizium wird in einem Tiegel mit Hilfe einer Induktionsheizung aufgeschmolzen und dann langsam in eine quadratische Wanne gegossen, in der es nun langsam erstarrt. Die Kantenlänge der Wanne beträgt etwa 50 cm, die Höhe der erstarrten Schmelze etwa 30 cm. Der große Block wird in mehrere Säulen von etwa 30 cm Länge zerteilt; dabei kann mit einer Ausbeute von etwa 70 % gerechnet werden.

Ein weiteres Gießverfahren ist der Strangguss, wobei die Masse schon in der am Ende benötigten Dicke auf das Trägermaterial aufgebracht wird. Der Vorteil ist, dass ein Sägevorgang mit seinen Verlusten entfällt.

==== Bridgman-Verfahren ====

Das Bridgman-Verfahren dient ebenfalls zur Herstellung von multikristallinem Silizium. Das Reinstsilizium wird hier ebenfalls in einem Tiegel mit Hilfe einer Induktionsheizung aufgeschmolzen. Die langsame Abkühlung der Schmelze, bei der sich große Zonen gleichgerichteter Kristallgitter ausbilden, findet hier im gleichen Tiegel statt. Die geheizte Zone wird langsam von unten nach oben im Tiegel angehoben, so dass sich oben bis zum Schluss flüssiges Silizium befindet, während vom Tiegelboden her das Erstarren erfolgt. Hier sind die Kantenlängen etwas größer als beim Gießverfahren (etwa 60 bis 70 cm), die Höhe des Blocks beträgt etwa 20 bis 25 cm. Der große Block wird ebenfalls in mehrere Säulen von etwa 20 bis 25 cm Länge zerteilt; die Ausbeute beträgt hier etwa 60 %.

==== Czochralski-Verfahren ====

Das Czochralski-Verfahren wird für die Herstellung von langen monokristallinen Säulen genutzt. Vor der Herstellung der Zellen wird die entstandene zylindrische Säule noch quadratisch zurechtgeschnitten.

==== Zonenschmelzverfahren ====

Das Zonenschmelzverfahren, auch Float-Zone-Verfahren genannt, dient auch der Herstellung monokristalliner Siliziumsäulen. Die bei diesem Verfahren erzielte Reinheit ist im Normalfall höher als für die Solartechnik benötigt und auch mit sehr hohen Kosten verbunden. Deshalb wird diese Technik für die Solartechnik eher selten benutzt.

===== Herstellung ohne Siliziumkristallsäulen =====

==== EFG-Verfahren ====

Bei EFG-Verfahren (Edge-defined Film-fed Growth) lässt man aus Reinstsilizium achteckige Röhren von etwa 6 bis 7 m Länge nach oben wachsen. Die Kantenlänge der einzelnen Seiten beträgt 10 bzw. 12,5 cm, die Wandstärke 280 µm. Nach Fertigstellung der Röhre wird diese entlang der Kanten mit NdYAG-Lasern geschnitten und in einem bestimmten Raster dann über die Breite der jeweiligen Seite. Daraus ergibt sich die Möglichkeit der Herstellung von Zellen mit unterschiedlichen Kantenlängen (zum Beispiel 12,5 x 15 cm oder 12,5 x 12,5 cm). Es wird eine Ausbeute von etwa 80 % des Ausgangsmaterials erzielt. Bei den so erzeugten Zellen handelt es sich ebenfalls um multikristallines Material, welche sich vom Aussehen her deutlich von den gesägten Zellen unterscheidet. Unter anderem ist die Oberfläche der Zellen welliger. Dieses Verfahren wird auch Bandzieh- oder Octagon-Verfahren genannt.


==== String-Ribbon ====

Weiterhin gibt es noch ein Verfahren der US-amerikanischen Firma Evergreen Solar, bei dem die Wafer zwischen zwei Drähten direkt aus der Silizium-Schmelze gezogen werden. Hierbei entsteht weniger Abfall (wie Späne etc., die normalerweise direkt entsorgt werden) als bei den herkömmlichen Verfahren.

==== Schichttransfer-Verfahren ====

Beim Schichttransfer-Verfahren wird eine nur ca. 20 µm dünne Schicht aus einkristallinem Silizium direkt flach auf einem Substrat gezüchtet. Als Trägermaterial eignen sich keramische Substrate oder auch speziell oberflächenbehandeltes Silizium, wodurch das Ablösen des entstandenen Wafers und die Wiederverwendung des Trägers gegeben ist. Die Vorteile dieser Verfahren sind der deutlich geringere Siliziumbedarf durch die geringe Dicke und der Wegfall der Sägeverluste. Der Sägevorgang als zusätzlicher Prozessschritt entfällt. Der erreichbare Wirkungsgrad ist hoch und liegt im Bereich von monokristallinen Zellen.

==== Waferherstellung ====

Die jeweiligen Säulen werden nun mit einem Drahtsägeverfahren in Scheiben, die sogenannten Wafer, gesägt. Dabei entsteht aus einem großen Teil des Siliziums Sägestaub, der derzeit nicht mehr verwendbar ist. Die Dicke der entstehenden Scheiben liegt bei circa 0,18 bis 0,28 mm.

Eine weitere Quelle für Wafer war früher der Ausschuss an Rohlingen für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen der Halbleiterfertigung. Sind die Rohlinge dort zur Weiterverarbeitung nicht geeignet, können sie teilweise noch als Solarzelle verwendet werden. Mit den heutigen (2005) Herstellungsverfahren und dem enorm gestiegenen Bedarf der Solarindustrie hat die Verwendung von Ausschuss heute keine Bedeutung mehr.

Die monokristallinen Zellen zeichnen sich durch eine homogene Oberfläche aus, während bei den multikristallinen Zellen gut die einzelnen Zonen mit verschiedener Kristallorientierung unterschieden werden können. Sie bilden ein eisblumenartiges Muster auf der Oberfläche. Zu diesem Zeitpunkt sind Vorder- und Rückseite der Zelle noch nicht festgelegt.

==== Waferprozessierung ====

Die gesägten Wafer durchlaufen nun noch mehrere chemische Bäder, um Sägeschäden zu beheben und eine Oberfläche auszubilden, die geeignet ist, Licht einzufangen. Hier gibt es verschiedene, herstellerspezifische Konzepte.

Im Normalfall sind die Wafer schon mit einer Grunddotierung mit Bor versehen. Diese bewirkt, dass es überschüssige freie Löcher (positive Ladungen) gibt, das heißt, es können Elektronen eingefangen werden. Dies wird auch p-Dotierung genannt. Auf dem Weg zur fertigen Solarzelle mit p-n-Übergang muss nun die Oberfläche noch eine n-Dotierung bekommen, was durch Prozessierung der Zelle in einem Ofen in einer Phosphor-Atmosphäre geschieht. Die Phosphoratome schaffen eine Zone mit Elektronenüberschuss auf der Zelloberfläche, die etwa 1 µm tief ist.

Als nächster Schritt werden die Zellen mit einer transparenten Deckelektrode aus SiNx oder TiO2 versehen.

Danach erfolgt die Bedruckung der Zelle mit den notwendigen Lötzonen und der Struktur, welche für den besseren Abgriff des generierten elektrischen Stroms sorgt. Die Vorderseite erhält meist zwei breitere Streifen, auf denen später die Bändchen zum Verbinden mehrerer Zellen befestigt werden. Außerdem wird ein sehr dünnes, elektrisch gut leitendes Raster aufgebracht, was einerseits den Lichteinfall so wenig wie möglich behindern und andererseits den ohmschen Widerstand der Deckelektrode verringern soll. Die Rückseite wird meist vollflächig mit einem gut leitenden Material beschichtet.

Nach der Prozessierung werden die Zellen nach optischen und elektrischen Merkmalen klassifiziert, sortiert und für die Fertigung von Solarmodulen zusammengestellt.

===== Andere Solarzellentypen =====

==== Dünnschichtzellen ====

Kleine, amorphe Si-Dünnschicht- Solarzelle auf Glas, vier Zellen in Reihe {{ http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/thumb/a/a0/Solarz3a.jpg/120px-Solarz3a.jpg}}

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 (kristallinen Solarzellen basierend auf Silizium-Wafern) vor allem in ihren Produktionsverfahren und durch die Schichtdicken der eingesetzten Materialien. Die physikalischen Eigenschaften dieser Materialien, die von kristallinem Silizium verschieden sein können, beeinflussen die Solarzelleneigenschaften. Manche Eigenschaften sind auch noch nicht vollständig verstanden.

Direkte Halbleiter absorbieren Sonnenlicht bereits in Schichtdicken von nur 10µm oder weniger. Zum Teil wird das Licht in sogenannten Lichtfallen eingefangen, um die Solarzellen sehr dünn machen zu können. Verglichen mit traditionellen Solarzellen aus dem indirekten Halbleiter "kristallines Silizium" sind Dünnschichtzellen etwa 100 mal 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 für deren jeweilige Anwendung ausgewählt werden. Für die Produktion von Strom im großen Stil ist ein hoher Wirkungsgrad erwünscht, die auch Dünschichtmodule teilweise aufweisen. Wirkungsgrade im Bereich von 20% (19,2 % mit CIS-Solarzellen, siehe [1]) sind durchaus möglich. CIS-Dünnfilmmodule erreichen inzwischen die gleichen Wirkungsgrade wie Module aus multikristallinem Silizium (11-12 %, [2]). Jedoch ist der Wirkungsgrad nicht das alleinige Kriterium bei der Auswahl. Wichtiger sind oft die Kosten, zu denen Strom aus den Solarzellen produziert werden kann. Dafür sind die verwendeten Herstellungsverfahren sowie die Kosten der eingesetzten Materialien verantwortlich. Dünnschichtmodule sind langlebige Produkte. Outdoor-Tests zeigen stabile Wirkungsgrade über mehr als zehn 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.

Eine weitere Stärke der Dünnschichtmodulen ist, dass sie zum Teil einfacher und grossflächiger produziert werden können. So zum Beispiel auch die Dünnschichtzellen aus amorphem Silizium. Diese machen heute den größten Marktanteil aus. Zur Herstellung werden zum Teil Maschinen eingesetzt, die auch zur Herstellung von Flachbildschirmen eingesetzt werden. Hierbei werden Beschichtungsflächen von über 5 m² erreicht. Mit den Verfahren zur Herstellung von amorphem Silizium lässt sich auch kristallines Silizium in dünnen Schichten herstellen, sogenanntes mikrokristallines Silizium. Es vereint Eigenschaften von kristallinem Silizium als Zellenmaterial mit den Methoden der Dünnfilmtechnik. In der Kombination aus amorphem und mikrokristallinem Silizium wurden in den letzten Jahren beachtliche Wirkungsgrade erzielt. Ein anderes Beispiel für Dünnschichtzellen aus kristallinem Silizium ist CSG, "Crystalline Silicon on Glass"; dabei wird eine weniger als zwei Mikrometer dünne Siliziumschicht direkt auf einen Glasträger aufgebracht; die kristalline Struktur wird nach einer Wärmebehandlung erreicht. Das Aufbringen der Stromführung erfolgt mittels Laser- und Tintenstrahldrucktechnik. Dafür ist in Deutschland eine Fabrikationsanlage im Bau. Die Auslieferung der ersten Module wird für 2006 erwartet. (Quelle: CSG Solar)

==== Konzentratorzellen ====

Bei diesem Zellentyp wird Halbleiterfläche eingespart, indem das Sonnenlicht auf einen kleinen Bereich konzentriert wird. Dies erreicht man gewöhnlich durch Linsen, die im Vergleich zu Halbleitern sehr billig in der Herstellung sind. Häufig verwendete Materialien für Konzentratorsolarzellen sind III-V-Halbleiter, häufig in Tandem- oder Dreischicht-Bauweise. Konzentratorsolarzellen benötigen darüber hinaus wegen der Optik eine mechanische Nachführung an den Sonnenstand.

==== 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 jedoch 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.

==== Organische Solarzellen ====

Organische Solarzellen benutzen Kohlenwasserstoffverbindungen, die elektrisch halbleitende Eigenschaften haben. In diesen organischen Halbleitern regt Licht ausreichend hoher Energie Exzitonen an, die aber nur eine kurze freie Weglänge haben. Daher werden häufig zwei organische Halbleiter mit leicht unterschiedlichen Energieniveaus verwendet, um so die Exzitonen zu trennen, bevor sie zerfallen. Der Wirkungsgrad liegt derzeit (Stand September 2006) bei ca. 4 %, es sind bisher keine organischen Solarzellen kommerziell erhältlich (Stand September 2006).

==== 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.

===== Geschichte =====

[[(Hauptartikel: Geschichte der Fotovoltaik in Wikipedia)|http://de.wikipedia.org/wiki/Geschichte_der_Fotovoltaik]]

Schon 1839 erkannte Alexandre Edmond Becquerel, dass eine Batterie, die von der Sonne beschienen wird, eine größere Leistung hervorbrachte als eine ohne Sonnenbestrahlung. Er nutzte den Potentialunterschied (Säurebad mit belichtetem und unbelichtetem Teil) zwischen einer verdunkelten und einer belichteten Seite einer chemischen Lösung, in die er zwei Platinelektroden eintauchte. Als er nun diese Konstruktion in die Sonne stellte, beobachtete er, dass ein Strom zwischen den zwei Elektroden entstand. So entdeckte er den photovoltaischen Effekt, konnte ihn allerdings noch nicht erklären. 1904 entdeckte der deutsche Physiker Philipp Lenard, dass Lichtstrahlen beim Auftreffen auf bestimmte Metalle Elektronen aus deren Oberfläche herauslösen, und lieferte damit die ersten Erklärungen für den Photoeffekt. Doch er wusste noch nicht genau, warum und bei welchen Metallen dies geschieht. Dennoch erhielt er für seine Entdeckung 1905 den Physiknobelpreis. Den endgültigen Durchbruch schaffte 1905 Albert Einstein, als er mit Hilfe der Quantentheorie die gleichzeitige Existenz des Lichtes sowohl als Welle als auch als Teilchen erklären konnte. Bis dahin glaubte man, dass Licht nur als eine Energie mit unterschiedlicher Wellenlänge auftritt. Doch Einstein stellte in seinen Versuchen, die Photovoltaik zu erklären, fest, dass sich Licht in manchen Situationen genauso wie ein Teilchen verhält, und dass die Energie jedes Lichtteilchens oder Photons nur von der Wellenlänge des Lichts abhängt. Er beschrieb das Licht als eine Ansammlung von Geschossen, die auf das Metall treffen. Wenn diese Geschosse genügend Energie besitzen, wird ein freies Elektron, das sich im Metall befindet und von einem Photon getroffen wird, vom Metall gelöst. Außerdem entdeckte er, dass die maximale kinetische Energie der losgelösten Elektronen, von der Intensität des Lichtes unabhängig ist, sondern nur durch die Energie des auftreffenden Photons bestimmt wird. Diese Energie hängt wiederum nur von der Wellenlänge und der Frequenz des Lichtes ab. Für seine Arbeit zur Photovoltaik erhielt er 1921 den Nobelpreis für Physik.

Die Entdeckung des p-n-Übergangs im Jahre 1949 durch William B. Shockley, Walther H. Brattain und John Bardeen war ein weiterer großer Schritt zur Solarzelle in ihrer heutigen Form. Nach diesen Entdeckungen stand dem Bau einer Solarzelle in ihrer heutigen Form nichts mehr entgegen. Es ist jedoch einem glücklichen Zufall zu verdanken, dass diese erste Solarzelle 1954 in den Laboratorien der amerikanischen Firma Bell gebaut wurde. Die Mitarbeiter der Firma beobachteten, als sie einen Gleichrichter, der mit Hilfe von Silizium arbeitete, untersuchten, dass dieser mehr Strom lieferte, wenn er in der Sonne stand, als wenn er zugedeckt war. Die Firma Bell entwickelte so die ersten Solarzellen. Diese hatten allerdings nur einen Wirkungsgrad von 4 bis 6 Prozent.
1958 wurden erstmals Solarzellen auf Satelliten getestet. Die dort erzielten Ergebnisse waren grandios - bis heute werden Raumflugkörper bis jenseits des Mars durch Solarzellen mit Strom versorgt. Es wurden Wirkungsgrade bis 10,5 % berechnet. Diese Ergebnisse waren jedoch nicht auf die Verhältnisse auf der Erdoberfläche übertragbar, da im Weltraum die natürliche Sonnenstrahlung keinen Tag-Nacht-Rhythmen und keiner Absorption durch Wolkendecken und Atmosphäre unterliegt. Andererseits führen die extremen Strahlungsverhältnisse im Weltraum zu einer stärkeren Degradation der Solarzellen als es auf der Erde der Fall ist. Seither versuchen Industrie und Forschung, immer größere Wirkungsgrade zu erreichen und zugleich die Degradation und Strahlungsresistenz zu verbessern.
Der theoretische Wirkungsgrad für Silizium-Solarzellen liegt bei 29 % für die Strahlungsverhältnisse in mittleren Breiten. Zu den Wirkungsgraden siehe auch technische Merkmale.

Bis gegen Ende der 1990er Jahre waren Zellen mit etwa 100 mm Kantenlänge (im Fachjargon auch Vier-Zoll-Zellen genannt) die üblichste Baugröße. Danach wurden auch Fünf-Zoll-Zellen verstärkt eingeführt, und seit etwa 2002 sind auch Sechs-Zoll-Zellen (Kantenlänge etwa 150 mm) für Standardmodule eine gängige Größe.

===== Formen und Größen =====

Zu Beginn der Kommerzialisierung der Solartechnik wurden häufig runde Zellen eingesetzt, deren Ursprung von den meist runden Siliziumsäulen der Computerindustrie herrührt. Inzwischen ist diese Zellenform relativ selten, und es werden quadratische Zellen oder fast quadratische mit mehr oder weniger abgeschrägten Ecken eingesetzt. Als Standardformate werden derzeit Wafer mit einer Kantenlänge von 125 und 156 mm prozessiert; künftig sollen aber auch Zellen mit einer Kantenlänge von 210 mm Bedeutung erlangen.

Durch Sägen der fertig prozessierten Zellen entstehen für spezielle Anwendungen im Kleingerätebereich auch Zellen mit kleineren Kantenlängen. Sie liefern annähernd die gleiche Spannung wie die großen Zellen, jedoch entsprechend der kleineren Fläche einen kleineren Strom.

Im EFG-Verfahren werden auch Zellen hergestellt, bei denen die Seiten des entstehenden Rechtecks nicht die gleichen Längen haben.

===== Degradation =====

Unter dem Begriff Degradation wird die alterungsbedingte Änderung der Parameter von Halbleiterbauteilen verstanden   * in diesem Fall der Rückgang des Wirkungsgrades von Solarzellen im Laufe ihres Lebens.

Zeitlich betrachtet man hierbei einen Zeitraum von bis zu 20 Jahren. Der Verlust an Wirkungsgrad liegt etwa im Bereich von 10 % in diesem Zeitraum (20 Jahre). Solarzellen im Weltraum altern wesentlich schneller, da sie einer höheren Strahlung ausgesetzt sind.

Bei heutigen Solarzellen beträgt der anfängliche Wirkungsgrad ca. 12 - 17 % (kristalline Zellen). Oft geben die Hersteller von Solarzellen eine Mindestgarantie von 80 - 85 % (Peak-Leistung) auf ihre Produkte nach 20 Jahren. Es ergeben sich also selbst nach langer Laufzeit (Betrieb) recht maßvolle Verluste, welche die/den Installation/Langzeiteinsatz einer Solaranlage rechtfertigen.

Eine besonders hohe Degradation von bis zu 25 % erreichen Solarzellen aus amorphem Silizium im ersten Betriebsjahr. Für Solarmodule aus diesem Material wird jedoch nicht die Leistung zu Beginn der Lebenszeit, sondern die Leistung nach dem Alterungsprozess in den Datenblättern und beim Verkauf angegeben. Solarmodule aus diesem Material haben also zunächst eine höhere Leistung als die, für die man bezahlt hat.

===== Technische Merkmale =====

Die Kenngrößen einer Solarzelle werden für normierte Bedingungen (STC, Standard Test Conditions) angegeben:

  * Einstrahlungstärke von 1000 W/m2 in Modulebene,
  * Temperatur der Solarzelle 25 °C konstant,
  * Strahlungspektrum AM 1,5 global; DIN EN 61215, IEC 1215, DIN EN 60904, IEC 904).

Hierbei steht AM 1,5 global für den Begriff Air Mass, die 1,5 dafür, dass die Sonnenstrahlen hierbei das 1,5-fache der Atmosphärenhöhe durchlaufen, weil sie schräg auftreffen. Dies entspricht sehr gut den sommerlichen Gegebenheiten in Mitteleuropa von Norditalien bis Mittelschweden. Im Winter steht die Sonne in unseren Breiten erheblich tiefer, und ein Wert von AM 4 bis AM 6 ist hier realistischer.

Durch die Absorption in der Atmosphäre verschiebt sich auch das Spektrum des auf das Modul treffenden Lichtes. "Global" steht für Globalstrahlung, die sich aus dem Diffus- und dem Direktstrahlungsanteil der Sonne zusammensetzt.

Hierbei ist zu beachten, dass in der Realität insbesondere die Zellentemperatur bei einer solchen Einstrahlung, die in Deutschland im Sommer zur Mittagszeit erreicht wird, bei normalem Betrieb wesentlich höher liegt (je nach Anbringung, Windanströmung etc. kann sie zwischen etwa 30 und 60 °C liegen). Eine erhöhte Zellentemperatur bedeutet aber gleichzeitig einen herabgesetzten Wirkungsgrad der Solarzelle. Aus diesem Grund wurde auch eine weitere Bezugsgröße geschaffen, PNOCT, die Leistung bei normaler Betriebstemperatur (normal operating cell temperature).

{{ http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/thumb/d/d5/Standard_iv_de.png/300px-Standard_iv_de.png}}
Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzelle, beleuchtet und unbeleuchtet

Gebräuchliche Abkürzungen für die Bezeichnungen sind

  * SC: Short Circuit - Kurzschluss
  * OC: Open Circuit - Leerlauf
  * MPP: Maximum Power Point - Betriebspunkt maximaler Leistung
  * PR: Performance Ratio Qualitätsfaktor gibt an, welcher Teil des vom Solargenerators erzeugten 
Stromertrages(unter Nennbedingungen) real zur Verfügung stehen.

Die Kennwerte einer Solarzelle sind:

  * Leerlaufspannung UOC (auch VOC)
  * Kurzschlussstrom ISC
  * Spannung im bestmöglichen Betriebspunkt UMPP (auch VMPP)
  * Strom im Betriebspunkt mit maximaler Leistung IMPP
  * Maximale erzielbare LeistungPMPP
  * Füllfaktor FF = \frac{\rm P_{MPP}}{U_{\rm OC}\cdot I_{\rm SC}}
  * Koeffizient für die Leistungsänderung mit der Zelltemperatur
  * Zellwirkungsgrad \eta = \frac{P_{\rm MPP}}{A\cdot P_{\rm opt}} mit der bestrahlten Fläche A und der 
Bestrahlungsstärke Popt

Solarzellen können also eine Leistung von sehr grob 160 W/m² abgeben. Eingebaut in ein Modul ist die Leistung pro Fläche geringer, da zwischen den Zellen und zum Modulrand Abstände vorhanden sind.

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist das Verhältnis von erzeugter elektrischer Leistung zur Leistung der Globalstrahlung. Halbleiter mit fester Bandlücke nutzen nur einen Teil des Sonnenlichtes. Ihr maximaler theoretischer Wirkungsgrad liegt bei ca. 33 %. Der maximale theoretische Wirkungsgrad bei Multibandsystemen, die für alle Wellenlängen Farben des Sonnenlichts sensibilisiert sind, liegt bei ca. 85 %.
|**Materialsystem|Wirkungsgrad (AM1,5)**|**Lebensdauer**|**Kosten [3]**|
|amorphes Silizium|5-10 %|< 20 Jahre||
|polykristallines Silizium|10-15 %|25-30 Jahre|5 EUR/W|
|monokristallines Silizium|15-20 %|25-30 Jahre|10 EUR/W|
|Galliumarsenid (Einschicht)|15-20 %|||
|Galliumarsenid (Zweischicht)|20 %|||
|Galliumarsenid (Dreischicht)|25 % (30% bei AM0)|>20 Jahre|20-100 EUR/W|
|Galliumindiumnitrid||||

Der Wirkungsgrad kommerzieller Zellen liegt bei ca. 20 Prozent (siehe Tabelle). Damit hergestellte Solarmodule erreichen einen Gesamtwirkungsgrad von etwa 17 Prozent. Der Rekord für im Labor hergestellte Silizium-Solarzellen liegt bei 24,7 Prozent (University of New South Wales, Australien), mit denen Module mit über 22 Prozent Wirkungsgrad hergestellt wurden. Der Preis für diese im Zonenschmelzverfahren hergestellten Zellen liegt bei etwa 200 Euro pro Zelle bei einer Zellfläche von 21,6 cm2, entsprechend einem Preis von 5-10 EUR/W. Für GaAs-Systeme beträgt er das fünf- bis zehnfache.

Die Degradation des Wirkungsgrades (Alterungsverhalten) liegt bei ca. 10 Prozent in 25 Jahren. Hersteller geben beispielsweise Garantien auf mindestens 80 Prozent der Peak-Leistung nach 20 Jahren.

Im Weltraum ist einerseits die Solarkonstante größer als die Globalstrahlung auf der Erde, andererseits altern die Solarzellen schneller. Solarpanele für Satelliten erreichen zur Zeit (2005) einen Wirkungsgrad von fast 25 % [4] bei einer Betriebszeit von 15 Jahren.

===== Schaltbilder =====
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Schaltzeichen und einfaches Ersatzschaltbild einer Solarzelle

Das Schaltsymbol einer Solarzelle gibt, wie das Schaltsymbol einer Diode oder Fotodiode, mit einem Pfeil die technische Stromrichtung zur Verschaltung an. Der Kennlinienverlauf einer realen Solarzelle weicht allerdings von der einer idealen Fotodiode ab.

===== Energetische Amortisation und Erntefaktoren =====

Die energetische Amortisation ist der Zeitpunkt, zu dem die Energie, die für die Herstellung einer Photovoltaikzelle aufgewandt wurde, durch selbige wieder erzeugt wurde.

Der Erntefaktor gibt an, wieviel mehr Energie in der Lebenszeit der Zelle erzeugt wird, als für die Herstellung aufgewandt wurde.

===== Hersteller von Solarzellen (Auswahl) =====

==== Deutschland ====

  * ANTEC SOLAR ENERGY AG, Arnstadt (Thüringen)
  * Deutsche Cell GmbH (SolarWorld AG-Tochter), Freiberg (Sachsen)
  * ErSol Solar Energy AG, Erfurt (Thüringen)
  * Q-Cells AG, Thalheim (Sachsen-Anhalt)
  * CSG Solar, Thalheim (Sachsen-Anhalt)
  * Schott Solar GmbH, Alzenau (Bayern)
  * Shell Deutschland GmbH, Gelsenkirchen (Nordrhein-Westfalen)
  * SULFURCELL Solartechnik GmbH , Berlin
  * Sunways AG , Konstanz (Baden-Württemberg)
  * Solarworld AG, Bonn
  * Solarion GmbH, Leipzig
  * Solarwatt AG, Dresden
  * Würth Solar, Schwäbisch Hall

==== Außerhalb Deutschlands ====

  * Advent Solar, Albuquerque (USA)
  * GE Energy - Solar Power (USA) (früher Astropower)
  * Isofoton (Spanien)
  * Kyocera, Kyoto (Japan)
  * Microsol Power Pvt. Ltd. (Indien)
  * Mitsubishi Electric, Tokio (Japan)
  * Photowatt (Frankreich)
  * Sanyo, Osaka (Japan)
  * Sharp, Osaka (Japan) - Anteil am Weltmarkt für Solarzellen ca. 30%
  * Solibro AB, Uppsala (Schweden)
  * Suntech Power Holdings Co. Ltd., Wuxi (China)
  * United Solar Ovonic, Auburn Hills (USA)
  * Yingli Solar , Bejing (China)
  * Swiss Wafers AG , Weinfelden (Switzerland)

===== Andere Firmen der Solarbranche =====

  * Applied Materials, Santa Clara (USA) Hersteller von Produktsanalgen für Solarzellen
  * Applied Films
  * Roth & Rau AG, Hohenstein-Ernstthal (Germany) Hersteller von Produktionsanlagen für Solarzellen und Turnkey Facility Solutions


====== Siehe auch ======

  * [[CIS-Solarzellen]]
  * [[Photovoltaikanlage]]
  * [[Solarmodul]]
  * [[Windenergieanlage]]

===== Quellen =====

  * 1. ↑ K. Ramanathan, M. A. Contreras, C. L. Perkins, S. Asher, F. S. Hasoon, J. Keane, D. Young, M. Romero, W. Metzger, R. Noufi, J. Ward and A. Duda. Properties of 19.2 % Efficiency ZnO/CdS/CuInGaSe2 Thin-film Solar Cells. Prog. Photovolt. Res. Appl. 11, 225-30 (2003)
  * 2. ↑ M. Powalla and B. Dimmler. CIGS solar modules - progress in pilot production, new developments and applications. 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference, (2004) Paris, Ed.: JRC, Ispra, Italy, 1663)
  * 3. ↑ http://oregonstate.edu/~ecclese/files/Term%20Paper.pdf
  * 4. ↑ http://www.esa.int/techresources/ESTEC-Article-art_print_friendly_1115706332477.html


====== Links ======

[[Wikinews: Plastiksolarzelle mit weltweit bester Effizienz in Ilmenau hergestellt – Nachrichten|http://de.wikinews.org/wiki/Plastiksolarzelle_mit_weltweit_bester_Effizienz_in_Ilmenau_hergestellt]]

    * Hahn-Meitner-Institut Berlin Entwicklung von Dünnschichtsolarzellen
    * Photon - auflagenstärkste deutsche Solarstromzeitschrift
    * Photon International - führende internationale Solarstromzeitschrift
    * PV-Uni-Netz.de
    * Solarserver.de
    * Ångström Solar Center (Uppsala) (englische Seite)
    * Informationen rund um die Finanzierung von Solaranlagen
    * Informationsportal für solares Gestalten und Bauen
    * http://www.chem.uu.nl/nws/www/publica/E2005-32.pdf aktuelle Studie zur Energierücklaufzeit im Rahmen des Crystal-Clear-Projekts der EU
    * http://www.zeit.de/2003/30/Stimmts_Solarzellen
    * [1] Forschungsverbund Sonnenenergie: Solarzellen
    * Institut für Solarenergieforschung Hameln
    * Fraunhofer Institut Solare Energiesysteme
    * Java-Applet zur Funktionsweise einer Silizium-Solarzelle (engl.)
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