Funktionsweise von Solarzellen

Der Begriff Photovoltaik setzt sich aus den Wörtern "Photo" für Licht und "Volta" für elektrische Spannung zusammen. Daher bezeichnet der Begriff Photovoltaik die direkte Umwandlung von Licht in elektrischen Strom und sollte nicht mit der Solarthermie verwechselt werden, bei der die Sonnenstrahlung in Wärme umgewandelt wird.

Die Photovoltaik basiert auf dem Lichtelektrischen Effekt, den Albert Einstein bereits 1905 erklärte und dafür im Jahr 1921 den Nobelpreis für Physik erhalten hat. Der Lichtelektrische Effekt sorgt dafür, dass Halbleiter unter Lichtbestrahlung Leitungsfähig werden. Halbleiter sind Materialien, die nur bei einer gewissen Energiezufuhr elektrisch leitend sind, bspw. ab einer bestimmten Temperatur oder eben bei Lichteinstrahlung. Aus diesem Grund bestehen Solarzellen immer aus einem Halbleitermaterial, wie z.B. Silizium. In der Photovoltaik sind die siliziumbasierten Solarzellen am weitesten verbreitet, es gibt aber auch Zelltechnologien, die auf anderen Halbleitern, wie z.B. Cadmiumtellurid (CdTe) basieren. Silizium ist nach dem Sauerstoff das Element, das in der Erdkruste am zweithäufigsten vorkommt, beispielsweise in Form von Quarzsand. Viele andere Halbleitermaterialien sind sehr selten und darüber hinaus ökologisch bedenklich.

Um aus einem Halbleitermaterial eine Solarzelle zu machen, müssen die Halbleitermaterialien dotiert werden. Darunter versteht man die Beisetzung kleinster Mengen anderer Stoffe, die die Eigenschaften des Halbleitermaterials verändern. Silizium verfügt über vier Außenelektronen und liegt in einer kristallinen Struktur vor, sodass sich bildlich gesprochen, zwei benachbarte Siliziumatome ein Elektron teilen. Da jedes Siliziumatom in einem Kristall vier benachbarte Atome hat, selber über vier eigene Außenelektronen verfügt und sich mit jedem benachbarten Atom ein weiteres Atom teilt, verfügt jedes Atom über insgesamt acht Außenelektronen, sodass das Bestreben der Atome nach vollständiger Füllung der äußersten Schale erfüllt ist. Diese Elektronen sind nur schwer aus dem Material zu lösen, da sie sehr fest an die Atome gebunden sind

Wird das Silizium nun z.B. mit Phosphoratomen versetzt, verfügt dieses Material über ein zusätzliches Elektron, da Phosphor fünf Außenelektronen hat. Dieses zusätzliche Elektron ist nicht fest an ein Atom gebunden, da alle benachbarten Siliziumatome bereits über acht Außenelektronen verfügen. Es ist wichtig anzumerken, dass sich die Ladung des dotierten Materials nicht ändern, d.h. der dotierte Halbleiter ist weiter elektrisch neutral geladen. Halbleitermaterialien, die über eine Dotierung über zusätzliche Elektronen verfügen, werden "n-dotiert" bezeichnet, da sie über freie negativ geladene Ladungsträger verfügen.

Werden dem Silizium Atome eines anderen Stoffs mit nur drei Außenelektronen beigefügt, bspw. Bor, haben wir den gegenteiligen Effekt: wir haben weniger Elektronen als zuvor. Dort wo sozusagen ein Elektronen "fehlt", entsteht ein sogenanntes "Loch". Im Prinzip handelt es sich dabei um einen mangelnden negativen Ladungsträger, den man mit einem positiven Ladungsträger gleich setzt. Man spricht daher in diesem Fall von einem "p-dotierten" Halbleitermaterial.

Sobald eine n-dotierte Schicht mit einer p-dotierten Schicht verbunden wird, entsteht ein sogenannter "pn-Übergang". Die freien Elektronen aus der n-Schicht können in den p-dotierten Bereich hinein diffundieren und die dortigen Löcher füllen. In der n-Schicht bleiben positiv geladene Phosphoratome zurück, sodass der n-dotierte Bereich positiv geladen wird. Der p-dotierte Bereich wird durch die zusätzlichen Elektronen negativ aufgeladen. Es entsteht eine sogenannte Raumladungszone, in der ein elektrisches Feld aufgebaut wird.

WICHTIG: Der n-dotierte Bereich der Raumladungszone wurde zwar mit zusätzlichen negativ geladenen Elektronen bestückt und trägt daher die Bezeichnung "n-dotiert", ist durch die Entstehung der Raumladungszone aber positiv geladen. Für den p-dotierten Bereich trifft das Gegenteil zu. Das wird oftmals falsch verstanden!

Durch den Eintrag von Energie durch einfallendes Sonnenlicht werden zusätzliche Elektronen aus der kristallinen Struktur des Siliziums gelöst. Diese Elektronen wandern zum positiv geladenen n-dotierten Gebiet und können dort über elektrische Kontakte abgegriffen werden. Über einen äußeren Stromkreis gelangen die Elektronen zurück zum p-Gebiet und können dort mit einem Loch rekombinieren. Der elektrische Strom, der dadurch im äußeren Stromkreis fließt, kann für unsere Anwendungen verwendet werden.

Im folgenden Video des Helmholtz-Zentrum Berlin wird dieser Zusammenhang anschaulich dargestellt:

Damit die Elektronen, die durch die Sonnenenergie gelöst werden, nicht sofort wieder mit einem freien Loch rekombinieren, benötigen wir das elektrische Feld der Raumladungszone. Daher ist es wichtig, dass möglichst viel Energie in diesem Bereich absorbiert wird. Um Reflektionsverluste zu vermeiden, werden die Solarzellen mit einer Antireflektions-Schicht versehen, die für die charakteristische blaue Einfärbung der Solarzellen sorgt. Durch neue Beschichtungen sind aber auch andere Farbgebungen realisierbar.

Photovoltaik-Module

Die produzierte Zellspannung ist Abhängig vom Halbleitermaterial und beträgt bei Siliziumzellen ca. 1,6 V. Für die meisten Anwendungen ist diese Spannung nicht ausreichend, sodass mehrere Zellen miteinander in Reihe verbunden werden, um die Spannung zu erhöhen. Um diese Vielzahl von Zellen einfach transportieren und montieren zu können, werden sie in Solar- oder Photovoltaik-Modulen zusammengeschlossen.

Solche Module gibt es in vielen Varianten und Ausführungen. Sie sollten über Bypass-Dioden verfügen, um Auswirkungen von Verschattungen zu vermindern. In der Regel werden alle Solarzellen eines Moduls in Reiche geschaltet, um die Spannung zwecks Verlustminimierung zu erhöhen. Durch die Reihenschaltung wird der produzierte elektrische Strom von der schwächsten Zelle vorgegeben. Wenn auch nur eine Zelle verschattet wird und dadurch keinen oder nur noch sehr wenig Strom produziert, sinkt die Leistung des gesamten Moduls rapide ab. Daher werden innerhalb eines Moduls mehrere Solarzellen in Strängen verbunden, die über eine parallel geschaltete Diode verbunden sind. Diese Dioden werden als Bypassdioden bezeichnet, da sie eine Umgehung nicht-produktiver Zellen ermöglicht.

Optimal wäre es, wenn jede Zelle eine eigene Bypassdiode hätte und somit jede Zelle einzeln überbrückt werden kann. Aus Kostengründen geschieht dies aber nicht. Stattdessen werden bspw. in einem Modul mit 36 Zellen drei Stränge mit jeweils 12 Zellen über eine Bypassdiode verbunden. Eine Teilverschattung des Moduls kann daher in vielen Fällen zum Teil kompensiert werden, sodass die verbleibenden Stränge weiterhin Strom produzieren können.