Hier werden die Unterschiede zwischen zwei Versionen angezeigt.
— |
solarzellen [2009/09/22 21:38] (aktuell) |
||
---|---|---|---|
Zeile 1: | Zeile 1: | ||
+ | **[[Start]] | [[Fahrzeuge]] | [[Technik]] | [[Elektrik]] | [[Formelsammlung Elektrotechnik|Formelsammlung Elektrik]] | [[Elektrik Glossar]] | [[Links]] | [[Wissenswertes]]** | ||
+ | ^[[Kategorien]]: | ||
+ | |||
+ | ====== Solarzellen ====== | ||
+ | |||
+ | Polykristalline Silizium-Solarzellen in einem Solarmodul sowie Solar-Panel {{ http:// | ||
+ | {{ http:// | ||
+ | |||
+ | Teil aus: http:// | ||
+ | |||
+ | Solarzellen sind elektrische Bauelemente, | ||
+ | |||
+ | ===== 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-/ | ||
+ | |||
+ | 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, | ||
+ | * o Polykristalline Zellen (mc-Si): Inzwischen sind großtechnisch wohl Wirkungsgrade bis über 16 % möglich, relativ kurze Energierücklaufzeiten, | ||
+ | * - Dünnschicht | ||
+ | * o Amorphes Silizium (a-Si): Höchster Marktanteil bei den Dünnschichtzellen; | ||
+ | * o Kristallines Silizium, z.B. mikrokristallines Silizium (µc-Si): In Kombination mit amorphem Silizium hohe Wirkungsgrade; | ||
+ | * 2. III-V-Halbleiter Solarzellen | ||
+ | * - GaAs-Zellen: | ||
+ | * 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]], | ||
+ | * 5. Organische Solarzellen: | ||
+ | * 6. Farbstoffzellen: | ||
+ | |||
+ | ===== 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, | ||
+ | |||
+ | Derzeitig sind kommerziell erhältliche Solarzellen aus Halbleitermaterialien, | ||
+ | |||
+ | 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, | ||
+ | |||
+ | Der theoretisch maximale Wirkungsgrad, | ||
+ | |||
+ | ===== Funktionsprinzip ===== | ||
+ | |||
+ | {{http:// | ||
+ | |||
+ | Funktionsprinzip Halbleitersolarzelle: | ||
+ | |||
+ | Solarzellen aus Halbleitermaterialien sind im Prinzip wie großflächige Photodioden aufgebaut. Sie werden jedoch nicht als Strahlungsdetektor, | ||
+ | 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), | ||
+ | |||
+ | ===== Traditionelle Solarzellen ===== | ||
+ | {{ }} | ||
+ | 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, | ||
+ | * 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, | ||
+ | * 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, | ||
+ | |||
+ | ===== Herstellung der Siliziumkristallsäulen ===== | ||
+ | |||
+ | {{http:// | ||
+ | |||
+ | 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, | ||
+ | |||
+ | Das nun vorhandene Reinstsilizium kann auf sehr unterschiedliche Arten weiterverarbeitet werden. Für multikristalline Zellen kommen größtenteils das Gießverfahren, | ||
+ | |||
+ | ==== 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, | ||
+ | |||
+ | ===== 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, | ||
+ | |||
+ | 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, | ||
+ | |||
+ | 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, | ||
+ | |||
+ | Nach der Prozessierung werden die Zellen nach optischen und elektrischen Merkmalen klassifiziert, | ||
+ | |||
+ | ===== Andere Solarzellentypen ===== | ||
+ | |||
+ | ==== Dünnschichtzellen ==== | ||
+ | |||
+ | Kleine, amorphe Si-Dünnschicht- Solarzelle auf Glas, vier Zellen in Reihe {{ http:// | ||
+ | |||
+ | Dünnschichtzellen gibt es in verschiedenen Variationen, | ||
+ | |||
+ | Direkte Halbleiter absorbieren Sonnenlicht bereits in Schichtdicken von nur 10µm oder weniger. Zum Teil wird das Licht in sogenannten Lichtfallen eingefangen, | ||
+ | |||
+ | 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, | ||
+ | |||
+ | 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, " | ||
+ | |||
+ | ==== 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, | ||
+ | |||
+ | ==== 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), | ||
+ | |||
+ | ==== Organische Solarzellen ==== | ||
+ | |||
+ | Organische Solarzellen benutzen Kohlenwasserstoffverbindungen, | ||
+ | |||
+ | ==== Fluoreszenz-Zelle ==== | ||
+ | |||
+ | Hierbei handelt es sich um Solarzellen, | ||
+ | |||
+ | ===== Geschichte ===== | ||
+ | |||
+ | [[(Hauptartikel: | ||
+ | |||
+ | 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, | ||
+ | |||
+ | 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, | ||
+ | 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, | ||
+ | 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, | ||
+ | |||
+ | ===== 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; | ||
+ | |||
+ | 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, | ||
+ | |||
+ | ===== Degradation ===== | ||
+ | |||
+ | Unter dem Begriff Degradation wird die alterungsbedingte Änderung der Parameter von Halbleiterbauteilen verstanden | ||
+ | |||
+ | 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/ | ||
+ | |||
+ | 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, | ||
+ | |||
+ | Durch die Absorption in der Atmosphäre verschiebt sich auch das Spektrum des auf das Modul treffenden Lichtes. " | ||
+ | |||
+ | Hierbei ist zu beachten, dass in der Realität insbesondere die Zellentemperatur bei einer solchen Einstrahlung, | ||
+ | |||
+ | {{ http:// | ||
+ | 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, | ||
+ | |**Materialsystem|Wirkungsgrad (AM1, | ||
+ | |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), | ||
+ | |||
+ | 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 ===== | ||
+ | {{ }} | ||
+ | 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), | ||
+ | * 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/ | ||
+ | * 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:// | ||
+ | * 4. ↑ http:// | ||
+ | |||
+ | |||
+ | ====== Links ====== | ||
+ | |||
+ | [[Wikinews: Plastiksolarzelle mit weltweit bester Effizienz in Ilmenau hergestellt – Nachrichten|http:// | ||
+ | |||
+ | * 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:// | ||
+ | * http:// | ||
+ | * [1] Forschungsverbund Sonnenenergie: | ||
+ | * Institut für Solarenergieforschung Hameln | ||
+ | * Fraunhofer Institut Solare Energiesysteme | ||
+ | * Java-Applet zur Funktionsweise einer Silizium-Solarzelle (engl.) |