So finden Sie das beste Solaranlagen-Angebot
Letzte Aktualisierung: 07.06.2024
Anzeige
PV-Anlage: Bis zu 37% sparen!
Wir sparen für Sie bis zu 37% - durch unseren Experten-Vergleich!Jetzt Preise vergleichen!
Silizium Solarzelle: Aufbau, Wafer-Herstellung und Vorteile
- Solarzelle Aufbau: Silizium-Wafer sind die Grundlage für Solarzellen. Für diese wird Silizium in dünnen Scheiben als Halbleitermaterial verwendet. Der Herstellungsprozess umfasst das Schmelzen von Silizium und das Schneiden in dünne Wafer. Bei besonders dünnen Silizium Solarzellen wird das Silizium nur aufgedampft.
- Warum Silizium für Photovoltaik? Silizium wird wegen seiner hervorragenden halbleitenden Eigenschaften und seiner hohen Verfügbarkeit für die Photovoltaik verwendet. Es hat eine hohe Lichtabsorption und eine gute elektrische Leitfähigkeit, die für die Effizienz von Solarzellen entscheidend sind. Zudem ist Silizium ein relativ kostengünstiges Material und damit ideal für den Massenmarkt.
- Wirkungsgrad Silizium Solarzelle: Der Wirkungsgrad von monokristallinen Silizium-Wafer liegt typischerweise zwischen 20 % und 22 %, was sie zu den effizientesten Optionen in der Photovoltaik macht. Polykristalline Silizium-Solarzellen haben einen etwas geringeren Wirkungsgrad von etwa 15 % bis 18 %, sind aber kostengünstiger. Diese Unterschiede beeinflussen die Auswahl je nach Budget und Platzverfügbarkeit.
- Wie viel Volt hat eine Silizium Solarzelle? Eine einzelne Silizium-Solarzelle erzeugt typischerweise eine Spannung von etwa 0,5 bis 0,6 Volt. Diese Spannung variiert je nach Lichteinstrahlung und Temperatur. Um höhere Spannungen zu erreichen, werden mehrere Solarzellen in Reihe geschaltet.
- Monokristalline Solarzellen oder poly: Monokristalline Solarzellen bieten Vorteile wie einen höheren Wirkungsgrad und benötigen daher weniger Platz. Polykristalline Module besaßen lange Zeit ein besseres Preis-Leistungs-Verhältnis, was ihre Nachteile ausglich. Da monokristalline Zellen deutlich günstiger geworden sind, werden fast nur noch monokristalline Solarmodule verbaut. Innerhalb der monokristallinen Zellen geht der Trend hin zu n-Typ-Zellen anstelle von p-Typ-Zellen, die bisher den Markt dominierten.
- Preis für einen Silizium Wafer: Der Preis für einen einzelnen Silizium-Wafer kann zwischen 1 und 3 Euro liegen, abhängig von der Qualität und dem Herstellungsprozess. Komplettmodule, die aus mehreren Silizium Wafern bestehen, kosten entsprechend mehr und liegen oft zwischen 200 und 400 Euro pro Modul. Diese Preise variieren je nach Marktbedingungen und technologischen Fortschritten.
Anzeige
Eigene PV-Anlage im Rundum-Sorglos-Paket!
Stelle Dir jetzt Deine eigene Solar-Anlage zusammen + erhalte in wenigen Minuten die besten Angebote aus Deiner Region!Jetzt kostenlos Angebot anfordern!
Herstellung von Silizium Wafern und Solarzellen
Um Silizium für Solarzellen nutzbar zu machen, wird es zuerst in flüssiges Trichlorsilan überführt, gereinigt und zu metallischem Silizium reduziert. Das kristalline Silizium erhält man, indem das Silizium aus einer Schmelze langsam auskristallisiert wird. Die Schmelztemperatur liegt bei über 1400 °C. Die chemischen Reaktionen zur Erzeugung des Trichlorsilans (die Reduktion) und der Schmelzprozess sind sehr energieaufwändig und teuer.
Je nach Weiterverarbeitung des flüssigen Siliziums erhält man monokristalline oder polykristalline Solarzellen.
- Monokristallines Silizium entsteht, indem aus der Schmelze ein Kristallstab gezogen wird. Monokristallines Silizium hat eine homogene Atomanordnung in Form eines für Silizium typischen Kristallgitters (Einkristall). Sie haben im Gegensatz zu polykristallinen Solarzellen keine sichtbaren Korngrenzen.
- Polykristallines Silizium erhält man, indem das flüssige Silizium langsam in einer Form abgekühlt wird. Polykristallines Silizium besteht im Inneren aus vielen kleinen, unterschiedlich großen Kristallen, die durch sichtbare Korngrenzen erkennbar sind.
Anschließend werden aus den Kristallstäben mit diamantbesetzten Gattersägen Scheiben mit einer Dicke von etwa 0,4 mm gesägt. Monokristalline Silizium Wafer sind dann nach dem Sägen einheitlich schwarz, während polykristalline blau schimmern und eine typische Eisblumenstruktur aufweisen.
Amorphes Silizium weist keine Kristallstruktur auf, sondern besteht aus ungeordneten Silizium-Atomen. Bei der Herstellung von kristallinen Solarzellen aus amorphen Silizium wird in der Regel das Verfahren der plasmaunterstützen Gasphasenabscheidung (PECVD) eingesetzt. Dabei wird aus einem siliziumhaltigen Gas mithilfe des Plasmas das Silizium abgeschieden, das sich dann im amorphen Zustand auf dem Trägermaterial niederschlägt ("Aufdampfen").
| Zelltyp | Material | Chemische Bezeichnung | Wirkungsgrad im Labor | Wirkungsgrad in der Praxis |
|---|---|---|---|---|
| Solarzelle | Monokristallines Silizium | c-Si | 25% | 13 bis 16% |
| Solarzelle | Polykristallines Silizium | mc-Si | 20% | 12 bis 14% |
| Solarfilm | Amorphes Silizium | a-Si | 14% | 6 bis 8% |
Dotierung von Silizium-Solarzellen
Nach der Herstellung werden die Silizium Wafer gezielt verunreinigt (dotiert). Dazu wird die kristalline Solarzelle auf der einen Seite mit Phosphor-Atomen im Verhältnis 1 zu 1 Million Siliziumatome dotiert. Das Phosphoratom besitzt dabei ein Elektron mehr als zum Einbau in das Silizium benötigt wird, sodass dieses Elektron für den Transport von elektrischer Ladung in der Silizium-Solarzelle genutzt werden kann. Aufgrund des Überschusses negativer geladener Elektronen der Phosphor-Schicht spricht man hierbei auch von der "n-Schicht" der Solarzelle.
Die andere Seite der Silizium-Zelle wird mit dem Element Bor dotiert. Das Element Bor besitzt ein Elektron weniger als zum Einbau in das Silizium nötig sind. So entstehen "Löcher" in der Ladungsstruktur. Solche "Defektelektronen" dienen dem Transport der elektrischen Ladung: ein Elektron "springt" in ein solches Loch der Silizium-Solarzelle und hinterlässt so am ursprünglichen Platz des Defekt-Elektrons ein neues Loch. Die Lücke "bewegt" sich dabei in entgegengesetzter Richtung durch den Silizium-Kristall und übernimmt die Funktion des positiven Ladungsträgers. Die mit Bor dotierte Schicht der Silizium-Solarzelle wird daher auch "p-Schicht" genannt.
Bei Dünnschichtzellen erfolgt die Dotierung bereits während des Abscheidens des amorphen Siliziums durch Beifügung entsprechender Dotiergase. Dabei werden die Schichten bei niederer Temperatur von unter 200 °C aus der Gasphase (z. B. Silan) durch eine Glimmentladung direkt auf einem Glassubstrat abgeschieden. Durch mehrere verschiedene Schichten übereinander lassen sich komplette Solarzellen aus amorphem Silizium herstellen.
Elektronenausgleich innerhalb der Grenzschicht
Die unterschiedliche Dotierung der beiden Seiten der Silizium-Solarzelle erzeugt eine Grenze zwischen der n-Schicht, die einen Elektronenüberschuss aufweist, und der p-Schicht, deren Defektelektronen einen Elektronenmangel aufweisen. Durch diesen Gegensatz diffundieren die Elektronen der n-Schicht in die Löcher der p-Schicht, um ein Gleichgewicht herzustellen. Daher ziehen sich die unterschiedlichen Elektronen an und es entstehen in der Nähe der Grenzschicht zwei elektrisch geladene Bereiche.
Im Bereich der p-Schicht ergibt sich an dieser Grenze eine negativ aufgeladene Zone. Im Bereich der n-Schicht entsteht eine positiv geladene Zone, da die ursprünglich dort vorhandenen Elektronen zur p-Schicht wandern. So entsteht ein elektrisches Feld innerhalb der Silizium-Solarzelle, das auch als Raumladungszone bezeichnet wird. Da diese Raumladungszone keine "freien" Elektronen mehr aufweist, bildet sie einen "hochohmigen" elektrischen Widerstand. Die zunächst durch das Ungleichgewicht hergestellten Anziehungskräfte sind nun so schwach, sodass sie nicht mehr ausreichen, diesen Widerstand innerhalb der Silizium-Solarzelle zu überwinden.
Zuführung solarer Strahlungsenergie
Der Stillstand der Anziehungskräfte wird dadurch überwunden, dass neue Energie in Form von solarer Strahlungsenergiezugeführt wird. Bei Kontakt mit Sonnenlicht bekommen die Elektronen in der Silizium-Solarzelle Energie in Form elektromagnetischer Strahlung (Photonen). Diese Energie schafft nun wieder ein Ungleichgewicht und das setzt die Wanderung der Elektronen erneut in Gang. Konkret heißt das: Die Energiezufuhr lässt die Elektronen in der p-Schicht der Silizium-Solarzelle soviel Energie erhalten, wie nötig ist, um den ohmschen Widerstand der Grenzschicht zu überwinden. Diese Menge an Energie wird als Bandlücke (Eg) bezeichnet, die den energetischen Abstand zwischen Valenz- und Leitungsband darstellt.
Die neu aufgeladenen Elektron gelangen in das n-Gebiet der Solarzelle und es entsteht ein Loch in der p-Schicht des Siliziums. Durch die Energiezufuhr der Sonnenstrahlung entsteht ein Elektronenfluss zur n-Region der Solarzelle mit einem Elektronenüberschuss und einem Elektronenmangel bzw. Löcherüberschuss in der p-Schicht.
Dieser Elektronenfluss findet so lange statt, wie der Silizium-Solarzelle ausreichend elektromagnetische Strahlung zugeführt wird. Nur dann haben die Elektronen genug Antrieb, um die Grenzschicht vom p- in den n-Bereich zu überwinden.
Stromerzeugung in der Silizium-Solarzelle
Das Zuführen der elektromagnetischen Solarstrahlung erzeugt ein zunehmendes Ungleichgewicht an Elektronen und einen zunehmenden Elektronenfluss. Werden die Außenseiten der n- und p-Schicht mit elektrischen Anschlüssen versehen, kann man dort eine Spannung (Leerlaufspannung) beobachten.
Die Spannung bei einer Silizium-Solarzelle beträgt in etwa 0,5 bis 0,6 Volt. Die Stromstärke ist von der Solarstrahlung bzw. vom Elektronenflusses abhängig. Dabei gilt, je stärker die Solarstrahlung, desto mehr Elektronen werden aufgeladen und überspringen die Grenzschicht und desto größer ist die Stromstärke.
Um den Solar erzeugten Strom zu entnehmen, werden auf der Vorder- und der Rückseite der Silizium-Solarzelle elektrische Kontakte angebracht. Die Rückseite wird ganzflächig mit einem Metallkontakt versehen, auf die Vorderseite montiert man nur ein dünnes Gitter aus elektrischen Leitungen, um die Lichtdurchlässigkeit nicht zu sehr einzuschränken.
Der Effekt der Stromgewinnung mit einer Solarzelle aus Silizium ist begrenzt, da nur Strom durch die Elektronen entsteht, die durch die Aufladung mit Photonen auch die Grenzschicht überspringen können. Mitunter ist der Energiegehalt der elektromagnetischen Lichtstrahlung zu gering oder das Elektron zu weit entfernt von der Grenzschicht. Dann reicht die Energie der Photonen nicht aus, um die Elektronen so stark aufzuladen und zu beschleunigen, dass sie den Widerstand der Grenzschicht überwinden können.
Als Reaktion darauf wandert das aufgeladene Elektron in ein Loch der p-Schicht der Silizium-Solarzelle. Bei diesem Rekombinationsvorgang der Elektronen der gleichen Silizium-Schicht geben die aufgeladenen Elektronen ihre Energie als Wärme an das Kristallgitter ab und gehen damit der Stromgewinnung verloren. Deshalb dürfen Silizium-Solarzellen eine gewisse Dicke nicht überschreiten. Sonst bliebe ein zu großer Teil des Siliziums für die Stromgewinnung der Solarzelle ungenutzt. Die Umgebungstemperatur spielt eine weitere wichtige Rolle. Sie bedingt, wie viel Photonenenergie nötig ist, um einen Stromfluss im Silizium der Solarzelle zu erzeugen.
Anzeige
Wärmepumpe & PV-Anlage kombinieren!
Unsere Experten erstellen Dir in wenigen Minuten ein Komplett-Angebot nach Deinen Wünschen. Digital & kostenlos.Jetzt kostenloses Angebot anfordern!
