Solarzellen-Arten, Typen und Unterscheidung einfach erklärt

[Zurück zur Übersicht]

[Zurück zur Übersicht]

[Zurück zur Übersicht]

Um die Funktion einer Solarzelle in elektrischer Hinsicht zu beschreiben, nutzt man die sogenannte Strom-Spannungs-Kennlinie. Diese visualisiert den Zusammenhang zwischen dem Strom und der Spannung in unterschiedlichen Betriebspunkten der Solarzelle.

Auf der horizontalen Achse ist die Spannung der Solarzelle aufgetragen. Fällt Licht auf eine unbelastete Solarzelle, an der also kein Verbraucher angeschlossen ist und demnach kein Strom fließt, baut sich in der Zelle eine Spannung von ca. 0,75 Volt auf. Dies ist die maximale Zellspannung, die an den beiden Kontakten gemessen werden kann und als sogenannte Leerlaufspannung bezeichnet wird.

Werden beide Kontakte der Solarzelle miteinander verbunden, so resultiert ein maximaler Strom. Dieser Kurzschlussstrom entspricht dem Schnittpunkt der Zellkennlinie mit der vertikalen Achse. Hocheffiziente kristalline Solarzellen liefern einen Kurzschlussstrom von ca. 13 Ampere.

Das Produkt aus Strom I und Spannung U ergibt die Leistung P. An jedem Punkt der Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzelle ergibt sich eine entsprechende Leistung. Der Punkt mit der maximalen Leistungsabgabe nennt man den sogenannten MPP (engl. maximum power point) einer Solarzelle.

Der MPP-Strom kristalliner Solarzellen liegt bei ca. 5% unter dem Kurzschlusstrom. Die MPP-Leistung hat die Einheit W (Watt). Häufig wird in der Solarbranche die MPP-Leistung auch mit der Einheit W_p (p für engl. peak: Spitze) angegeben.

Sowohl die Spannung als auch der Strom einer Solarzelle ist von der Bestrahlungsstärke abhängig. So resultiert bei wechselnder Bestrahlung jeweils eine neue Solarzellenkennlinie mit unterschiedlichem MPP. Aufgrund dessen werden im Betrieb sogenannte MPP-Tracker eingesetzt, die sicherstellen sollen, dass in jedem Moment die optimale Leistung bereitgestellt wird.

Um die Qualität einer Solarzelle mathematisch beschreiben zu können, wird der sogenannte Füllfaktor FF herangezogen. Er ist definiert als Quotient der MPP-Leistung und der theoretischen Leistung, die sich aus dem Produkt von Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung ergibt.

\(FF = {I_{MPP} \cdot U_{MPP} \over I_K \cdot U_L} \)

[Zurück zur Übersicht]

Am häufigsten sortiert man Solarzellen entsprechend der Materialdicke in:

• Dickschicht-Solarzellen
• und Dünnschichtsolarzellen.

Dünnschichtzellen sind etwa 100 Mal dünner als Dickschichtzellen.

Alternativ ordnet man Solarzellen entsprechend des für sie verwendeten Halbleitermaterials. Wie oben erwähnt, kommt Silizium in Solarzellen am häufigsten zum Einsatz. Das hat mehrere Gründe: Silizium ist preiswert und lässt sich in hochreiner Form und einkristallin (monokristallin) herstellen. Meist in Form sogenannter Wafer, also kreisrunde oder quadratische, etwa ein Millimeter dicke Scheiben aus einkristallinem Silicium.

Andere mögliche Halbleitermaterialien für Solarzellen sind Cadmiumtellerid oder Galliumarsenid. Es gibt auch Solarzellen, die Schichten aus verschiedenen Halbleitern vereinen. Sie nennt man deshalb auch u.a. Mehrfachsolarzellen.

Gängig ist außerdem eine Unterscheidung der Solarzellen nach der Art der kristallinen Struktur, die materialspezifisch ist. Sie kann:

• entweder kristallin (monokristallin oder polykristallin beziehungsweise multikristallin oder mikrokristallin)
• oder amorph sein.

Monokristalline Solarzellen bestehen aus den oben erwähnten Wafern und sind teurer als Solarzellen aus polykristallinen Scheiben, die gegossen werden und deren Kristallorientierung unregelmäßig ist. Solche polykristallinen Solarzellen sind die in PV-Anlagen am meisten verbreiteten.

Amorphe Solarzellen sind aufbautechnisch betrachtet eine dünne, nichtkristalline (daher: amorphe) Siliciumschicht. Wegen ihrer geringen Höhe werden diese amorphen Solarzellen auch Dünnschichtzellen genannt (siehe oben). Die Schicht wird aufgedampft. Solche Solarzellen sind häufig in Taschenrechnern und Uhren im Einsatz.

Mikrokristalline Solarzellen sind Dünnschichtzellen, deren Siliciumschicht eine kristalline Struktur hat. Sie werden teilweise auch in Photovoltaik-Anlagen eingesetzt.

Die Tandem-Solarzellen sind mehrschichtige Solarzellen, die teilweise kristalline und teilweise amorphe Zellenstrukturen aufweisen. Aus der Verschiedenheit der aufeinandergeschichteten Materialien sind resultieren unterschiedliche Wellenlängenbereiche des Lichts, die die Schichten absorbieren. Die oberste Schicht „erntet“ einen Teil der Strahlung und lässt einen anderen zur nächsten Schicht durch, der dort absorbiert wird. Auf diese Weise ist die Effizienz der Tandem-Solarzellen meist höher als die herkömmlicher Modelle. Allerdings sind sie auch teurer, so dass sie in PV-Anlagen noch nicht weit verbreitet sind.

Eine zukünftig weiter an Bedeutung gewinnende Zelltechnologie stellen organische Solarzellen als Alternative zu den oben genannten anorganischen Halbleitern dar. Selbst Kombinationen, sogenannte anorganisch-organische Hybride sind im Einsatz. Erwähnenswert sin auch Farbstoffsolarzellen (Grätzel-Zellen).

Daneben gibt es eine Vielzahl an Sonderformen. So gibt es sogenannte Konzentrator-Solarzellen, bei denen man sich eine Schicht Halbleiter spart und dank einer geometrischen Optik (Lichtbündelung) das auf die Solarzelle fallende Licht auf einen kleineren Bereich konzentriert, so dass bei weniger Material aufgrund kleinerer Fläche eine höhere Effizienz erzielt wird.

[Zurück zur Übersicht]

Die PERC-Technologie (engl. passivated emitter and rear cell) basiert auf p-Typ-Zellen und gehört zu den etablierten Solarzellen.

Im Gegensatz zu Standard-Solarzellen, die eine vollflächige Aluminiumlegierung als Back Surface Field (BSF) besitzen, befindet sich bei PERC-Solarzellen über der Aluminiumlegierung eine dielektrische Schicht. Die rückseitig angebrachte Schicht sorgt dafür, dass langwelliges Licht in die Solarzelle zurückgeworfen wird und die frei werdenden Elektronen in Richtung Kontakt passieren können. Monokristalline PERC-Zellen erreichen so hohe Wirkungsgrade im Bereich von 22 % bis 25 %.

Da jedoch die metallischen Kontakte auf der Rückseite den Wirkungsgrad begrenzen, wird bei PERC-Zellen die dielektrische Schicht auf der Rückseite mithilfe von Lasern geöffnet, sodass die metallische Kontaktfläche zur Basis reduziert wird.

Durch diesen Laser Contact Opening (LCO)-Prozess, der über ein gestricheltes, Punkt- oder Linienmuster einzelne Passivierungsschichten entfernt, und durch eine dielektrische Passivierung der Oberfläche erreichen PERC-Zellen höhere Spannungen als herkömmliche Solarzellen mit ganzflächiger Metallisierung auf der Rückseite. Da die Ladungsträger jedoch einen weiteren Weg innerhalb des Siliziums zurücklegen müssen, steigt auch der Serienwiderstand.

Ein Nachteil von PERC-Solarzellen ist eine besondere Form der lichtinduzierten Degradation - der LeTID (engl. light and elevated temperature induced degradation). Wenn die Module mit Licht bestrahlt werden, entstehen unter erhöhter Temperatur, verstärkt ab 75 °C, sogenannte rekombinationsaktive Defekte im Siliziummaterial, die langfristig, nach ca. 1000 h, zu Leistungsverlusten von bis zu 10 % führen können.

N-Typ-Zellen werden aus einem n-dotierten Siliziumwafer hergestellt. Dadurch werden Rekombinationsverluste in der Zelle verringert und neue Zellkonzepte, wie z. B. rückseitenkontaktierte Zellen, effektiver. Das mit Phosphor n-dotierte Wafermaterial ist im Allgemeinen unempfindlicher gegenüber Verunreinigungen, die während der Weiterverarbeitung an den Wafern auftreten können.

N-Typ-Solarzellen werden aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades immer öfter als Grundlage hocheffizienter Siliziumsolarzellen eingesetzt. So erreichen Heterojunction-Solarzelle auf n-Typ-Basis einen Wirkungsgrad von rund 27 %. Da sie sich zudem auf den etablierten produktionslinien fertigen lassen, verdrängen sie zunehmend P-Typ-Solarzellen vom Markt.

Die HJT-Solarzelle ist eine Hybrid-Solarzelle. Sie besteht im Kern aus einem monokristallinen Wafer, der beidseitig dünn mit amorphem Silizium beschichtet wird. Das namensgebende Produktionsverfahren wird als Heteroübergangstechnologie (engl. heterojunction technology, HJT) bezeichnet und wird u.a. von Meyer Burger eingesetzt.

Die beiden Seiten werden durch eine hauchdünne undotierte i-Schicht (engl. intrinsic thin-layer) aus amorphem Silizium passiviert. Auf der Vorderseite wird eine p-dotierte amorphe Siliziumschicht abgeschieden, die mit dem n-dotierten monokristallinen Wafer den pn-Übergang bildet.

Während in herkömmlichen Siliziumsolarzellen das gleiche Halbleitermaterial unterschiedlich dotiert wird, um einen pn-Übergang zu erzeugen, entsteht dieser bei der HJT-Solarzelle zwischen zwei unterschiedlichen Halbleitermaterialien. Man spricht daher von einem Heteroübergang (engl. heterojunction).

HJT-Solarzelle haben den Vorteil, dass im Vergleich zu amorphen Dünnschichtzellen keine lichtinduzierte Alterung auftritt und sie gegenüber kristallinen Solarzellen eine höhere Energieausbeute bei hohen Temperaturen und durch Nutzung eines breiteren Strahlungsspektrums aufweisen.

TOPCon-Solarzellen (engl. tunnel oxide passivated contact) wurden am Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE entwickelt und weisen eine sehr gute Ladungsträgerselektivität auf, sodass TOPCon-Zellen in Kombination mit n-Typ-Wafern Zellwirkungsgrade oberhalb von 26 % erreichen.

TOPCon-Zellen basieren dazu auf einer dünnen Siliziumschicht in Kombination mit einem nanometerdünnen Tunneloxid, das es im Vergleich zu PERC-Solarzellen ermöglicht, dass das Metall nicht mehr direkt in Kontakt mit dem Silizium ist. Der Kontakt ist darüber hinaus prozesstechnisch effizienter herzustellen als die punktförmige Kontaktschicht bei den herkömmlichen PERC-Zellen.

Perowskit-basierte Solarzellen arbeiten ohne direkten p-n-Übergang, sie bestehen also im Gegensatz zu herkömmlichen Solarzellen aus einer homogenen Perowskit-Schicht. Um dennoch eine Ladungstrennung und somit einen Stromfluss zu ermöglichen, werden Perowskit-Solarzellen mit einer Lochtransport- und einer Elektronentransportschicht ausgestattet.

Da die Kombination verschiedener Materialien zur Herstellung von Perowskit es ermöglicht, die Bandlücke des Perowskits gezielt zu beeinflussen, verspricht die Verwendung von Perowskit besonders in Tandemsolarzellen zukünftig weitere Ertragssteigerungen.

Tandemzellen bestehen aus zwei übereinander angeordneten Solarzellen. Da Perowskite eine andere Bandlücke als Silizium besitzen, können unterschiedliche Photonen für die Generation von Ladungsträgern genutzt werden. Tandemzellen nutzen diese physikalischen Unterschiede, um einen höheren Solarertrag zu erzielen.

Rückseitenkontaktierte Solarzellen (engl. interdigitated back contact, IBC) kommen ohne Kontaktfinger auf der Vorderseite aus. Dazu wird sowohl der Plus- als auch der Minuspol auf der Zellrückseite herausgeführt, was nicht nur Abschattungen durch die kontaktlose Vorderseite vermeiden hilft, sondern auch die elektrische Verschaltung der Zellen zu einem Solarmodul erleichtert und so ein homogeneres Erscheinungsbild mit geringeren Zellabständen ermöglicht.

Rückseitenkontaktierte Solarzellen werden meist mit n-dotierten monokristallinen Siliziumwafern umgesetzt. Dazu ist allerdings eine hohe Siliziumqualität notwendig, weil die Ladungsträger durch die ganze Zelldicke diffundieren müssen, um den pn-Übergang auf der Unterseite zu erreichen.

[Zurück zur Übersicht]

[Zurück zur Übersicht]