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Aufbau und Funktionsprinzip der Silizium-Solarzelle

Woraus besteht eine Silizium-Solarzelle? Wie wird sie hergestellt? Wie erzeugt man mit Silizium Solarstrom?

Die meisten Solarzellen werden heute noch aus hochreinem, kristallinem Silizium gewonnen, da der Rohstoff Silizium ein Bestandteil von Quarzsand und damit eines der am häufigsten auf der Erde vorkommenden chemischen Elemente ist. Im Folgenden beschreiben wir die Herstellung einer Solarzelle aus Silizium, den grundsätzlichen Aufbau und wie durch elektromagnetische Solarstrahlung (Photonen) ein Stromfluss in der Zelle erzeugt wird.

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Herstellung von Solarzellen-Silizium

Quarzsand und Quarzkies sind chemisch betrachtet Siliziumdioxid (Rohsilizium) und bilden den Rohstoff für die Herstellung von Silizium. (Foto: SolarWorld AG)
Quarzsand und Quarzkies sind chemisch betrachtet Siliziumdioxid (Rohsilizium) und bilden den Rohstoff für die Herstellung von Silizium. (Foto: SolarWorld AG)

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 dann, indem das Silizium aus einer Schmelze langsam auskristallisiert wird. Die Schmelztemperatur liegt bei über 1400 °C und sowohl die chemischen Reaktionen zur Erzeugung des Trichlorsilans, die Reduktion, wie auch der Schmelzprozess sind sehr energieaufwändig und teuer. Je nachdem wie das flüssige Silizium weiterverarbeitet wird, erhält man monokristalline oder polykristalline Solarzellen.

  • Monokristallines Silizium erhält man, indem aus der Schmelze ein Kristallstab gezogen wird. Dieser hat in der Regel einen etwa 12 cm großen Durchmesser und eine Länge von etwa 1 m. Monokristallines Silizium weist eine homogene Atomanordnung in Form eines für Silizium typischen Kristallgitters auf (Einkristall).
  • 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.

Anschließend werden aus den Kristallstäben mit diamantbesetzten Gattersägen Scheiben mit einer Dicke von etwa 0,4 mm gesägt. Monokristalline Siliziumscheiben 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 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").

Tabelle: Überblick über die wichtigsten Daten über Solar-Silizium
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

Dann werden die Siliziumscheiben gezielt verunreinigt (dotiert). Dazu wird die Silizium-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 hingegen 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 dann dem Transport der elektrischen Ladung, indem ein Elektron in ein solches Loch der Silizium-Solarzelle "springt" und so am ursprünglichen Platz des Defekt-Elektrons ein neues Loch hinterlässt. Das Loch "bewegt" sich dabei in entgegengesetzter Richtung durch den Silizium-Kristall und nimmt die Funktion des positiven Ladungsträgers ein. 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 werden bei niederer Temperatur von unter 200°C aus der Gasphase (z.B. Silan) durch eine Glimmentladung direkt auf einem Glassubstrat abgeschieden. Indem mehrere verschiedene Schichten übereinander aufgebracht werden, lassen sich komplette Solarzellen aus amorphem Silizium herstellen.

Elektronenausgleich innerhalb der Grenzschicht

Durch die unterschiedliche Dotierung der beiden Seiten der Silizium-Solarzelle entsteht eine Grenze zwischen der n-Schicht, die einen Elektronenüberschuss aufweist, und zwischen der p-Schicht, die durch deren Defektelektronen einen Elektronenmangel aufweist. Durch diesen Gegensatz diffundieren nun die Elektronen der n-Schicht in die Löcher der p-Schicht, um ein Gleichgewicht herzustellen. Daher ziehen sich die unterschiedlichen Elektronen an und es entsteht in der Nähe dieser Grenzschicht zwei elektrisch geladene Bereiche.

Im Bereich der p-Schicht entsteht so 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.

Schematische Darstellung der Stromerzeugung durch eine Photovoltaik-Anlage mit Siliziumzellen (Grafik: Agentur für Erneuerbare Energien)
Schematische Darstellung der Stromerzeugung durch eine Photovoltaik-Anlage mit Siliziumzellen (Grafik: Agentur für Erneuerbare Energien)

Zuführung solarer Strahlungsenergie

Dieser Stillstand wird nun dadurch überwunden, indem neue Energie in Form von solarer Strahlungsenergie zugeführt wird. Wird die Silizium-Solarzelle dem Sonnenlicht ausgesetzt, wird den Elektronen Energie in Form elektromagnetischer Strahlung (Photonen) zugeführt. Diese Energie schafft nun wieder ein Ungleichgewicht und dieses Ungleichgewicht setzt wiederum die Wanderung der Elektronen in Gange. Im Detail führt die Energiezufuhr dazu, dass Elektronen in der p-Schicht der Silizium-Solarzelle soviel Energie erhalten wie nötig ist, um den Ohmschen Widerstand der Grenzschicht zu überwinden. Wieviel Energie nötig wird, wird als Bandlücke (Eg) bezeichnet, die den energetischen Abstand zwischen Valenz- und Leitungsband darstellt.

Diese wieder aufgeladenen Elektron gelangen so in das n-Gebiet der Solarzelle und es entsteht ein Loch in der p-Schicht des Siliziums. Durch die Energiezufuhr der Sonnenstrahlung entsteht so im Ergebnis ein Elektronenfluss zur n-Region der Solarzelle mit einem Elektronenüberschuss und einem Elektronenmangel bzw. Löcherüberschuss in der p-Region. Dieser Elektronenfluss findet so lange statt, wie der Silizium-Solarzelle ausreichend elektromagnetische Strahlung zugeführt wird, wie die Elektronen benötigen, um die Grenzschicht vom p- in den n-Bereich zu überwinden.

Stromerzeugung in der Silizium-Solarzelle

Drittel-Zell-Modul aus kristallinen Siliziumsolarzellen (Foto: Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP)
Drittel-Zell-Modul aus kristallinen Siliziumsolarzellen (Foto: Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP)

Das Zuführen der elektromagnetischen Solarstrahlung führt zu einem zunehmenden Ungleichgewicht an Elektronen und zu einem zunehmenden Elektronenfluss. Werden nun an den Außenseite der n- und der p-Schicht elektrische Anschlüsse angelegt, so kann man dort eine Spannung (Leerlaufspannung) beobachten, die bei einer Silizium-Solarzelle in etwa 0,5 bis 0,6 Volt beträgt. Die Stromstärke ist dabei 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. Während die Rückseite ganzflächig mit einem Metallkontakt versehen wird, wird auf die Vorderseite nur ein dünnes Gitter aus elektrischen Leitungen aufgebracht, um die Lichtdurchlässigkeit nicht zu sehr einzuschränken.

Der Effekt der Stromgewinnung mit einer Solarzelle aus Silizium ist jedoch begrenzt, da nur Strom durch die Elektronen entsteht, die durch die Aufladung mit Photonen auch die Grenzschicht überspringen können. Entweder ist der Energiegehalt der elektromagnetischen Lichtstrahlung zu gering oder das Elektron zu weit entfernt von der Grenzschicht, sodass die Energie der Photonen nicht ausreicht, um die Elektronen so stark aufzuladen und zu beschleunigen, sodass sie den Widerstand 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. Daher dürfen Silizium-Solarzellen auch eine gewisse Dicke nicht überschreiten, da ein sonst zu großer Teil des Siliziums für die Stromgewinnung der Solarzelle ungenutzt bliebe. Zudem spielt die Umgebungstemperatur eine Rolle, wieviel Photonenenergie nötig ist, um einen Stromfluss im Silizium der Solarzelle zu erzeugen.

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"Aufbau und Funktionsprinzip der Silizium-Solarzelle" wurde am 14.03.2016 das letzte Mal aktualisiert.