Aufbau und Funktionsweise

Arten von Solarzellen

Es gibt mehrere Typen von Solarzellen, hierbei befassen wir uns jedoch nur mit Silizium-Solarzellen.

Monokristall-Struktur
Quelle: energieroute.de

Monokristalline Zellen

Bestehen aus einer Scheibe eines hochreinen,
gezogenen Silizium-Einkristalls.
Sie sind am teuersten, haben aber auch den höchsten Wirkungsgrad.

Polykristall-Struktur
Quelle: energieroute.de

Polykristalline Zellen

Bestehen aus einer Scheibe eines gegossenen Siliziumblockes.
Beim Abkühlen des flüssigen Siliziums entstehen verschieden
ausgerichtete Kristalle. Polykristalline Solarzellen sind preisgünstiger,
dafür ist ihr Wirkungsgrad mit ca. 14% nicht ganz so hoch.

Amorphe Struktur
Quelle: energieroute.de

Amorphe Zellen

Bestehen aus einer, auf ein Trägermaterial aufgedampfter, Siliziumschicht.
Sie sind am einfachsten herzustellen, und somit auch am billigsten.
Der Wirkungsgrad ist dem entsprechend gering.

Aufbau einer Solarzelle

P-N-Übergänge allgemein

Eine Solarzelle arbeitet durch unzählige P-N-Übergänge.
Im folgenden befassen wir uns mit dem vereinfachten Schema eines Übergangs.

Ein P-N-Übergang entsteht wenn man p-leitendes und n-leitendes Material zusammenfügt. Dies geschieht z.B. bei einer Diode. Hierbei wandern die Elektronen nur durch Wärmeschwingungen von der n-leitenden in die p-leitende Schicht.
Bei genauer Betrachtung wandert das freie Elektron eines Atoms über die Grenze in die p-Schicht und geht dort mit dem Atom eines anderen Stoffes eine Bindung ein. Das Atom hat nun ein Elektron verloren und ist zu einem Kation geworden. Das andere Atom hat ein Elektron mehr und ist zu einem Anion geworden. Dies wird als Ladungsträgerdiffusion bezeichnet.
Durch die Ladungsträgerdiffusion entsteht ein Ionengitter, die Raumladungszone. In dieser Schicht herrscht ein starkes elektrisches Feld, das weitere Elektronenwanderungen verhindert. Je mehr die Temperatur steigt, desto breiter ist die Raumladungszone und desto grösser wird das elektrische Feld. Die entstandene Diffusionsspannung macht sich nun die Photovoltaik zu nutze.

P-N-Übergänge in einer Solarzelle

Nun kommen wir zur tatsächlichen Funktionsweise von P-N-Übergängen in einer Solarzelle

P-N-Schema in der Solarzelle
Quelle: energieroute.de

In diesem Fall wird die Oberseite der 0.3mm dicken Siliziumschicht mit Phosphoratomen, und die Unterseite mit Boratomen versetzt. Nun greift das Prinzip des P-N-Übergangs und durch den Lichteinfall entsteht Gleichspannung zwischen den Seiten. Diese wird durch einen aufgedruckten Kontakt (Pluspol) auf der Unterseite und durch duenne Kontakte (Minuspol) auf der Oberseite abgegriffen.

Entspiegelung und Steigerung des Wirkungsgrades

Die ursprünglich silbergraue, spiegelde Siliziumschicht wird mit einer Antireflexionsschicht versehen.
Meist besteht diese aus Siliziumnitrid oder Titandioxid. Sie dient zur Verringererung von Reflexionen des Sonnenlichts
und trägt damit zu einem höheren Wirkungsgrad bei. Zudem verleiht sie der Solarzelle ihre blau-dunkle Färbung.

Solarmodule

Aufbau eines Glas-Folie-Moduls

Ein Modul besteht aus mehreren einzelnen Zellen, die durch eine Einheit in einem Modul gegen Witterung und andere Einflüsse
von aussen geschützt werden. Als Standard verwendet man Glas-Folie-Module,
es gibt aber noch einige weitere Varianten die später genannt werden.

Beim Glas-Folien-Modul liegen die Solarzellen in einem klaren Kunststoffmaterial
und sind oben mit gehärtetem Glas bedeckt. Ein Aluminiumrahmen gibt dem ganzen
die nötige Stabilität und dient gleichzeitig zur Befestigung.
Auf der Rückseite ist eine Tedlar-Folie angebracht zum Schutz gegen Umwelteinflüsse.

Glas-Folie-Modul
Quelle: energieroute.de

Weitere Modul-Typen

Doppelglas-Modul

Die Zellen sind hierbei zwischen zwei Glasscheiben
angebracht und haben meistens keinen Rahmen.

Flexible Module

Die Zellen sind auf elastischen Traegern befestigt
oder auf speziellen Folien.