Techniklexikon

Solarzelle

Großflächiges Halbleiter-Bauteil, in dem der Photonenstrom (Photonen) des Lichts den sog. photovoltaischen Effekt (siehe auch Photovoltaik) auslöst. Grundmaterial fast aller S. ist Silicium (Si). Eine sehr dünne Si-Scheibe mit p-Dotierung (Halbleiter, Transistor), dem Sonnenlicht zugewandt, besitzt an ihrer Unterseite einen p-n-Übergang, der ein starkes elektrisches Feld erzeugt, das die durch die Lichtabsorption (Absorption) entstandenen Ladungsträger trennt. Die Rückseite der S. ist zur Sammlung der Ladungsträger metallisiert. Zwischen einem Metallgitter auf der Vorder- und der Metallschicht auf der Rückseite kann eine elektrische Spannung abgegriffen werden. Da einfache Si-Zellen nur für Wellenlängen zwischen 0, 3 und 1, 1 m (tausendstel Millimeter) empfindlich sind, können lediglich etwa 40 % des normalen Sonnenspektrums (Spektrum) genutzt werden. Mit anderen Materialien und Mehrschichtzellen aus verschiedenen Materialkombinationen kann der Umwandlungsgrad (Wirkungsgrad) von Sonnenlicht in Strom gesteigert werden. Der durchschnittliche Wirkungsgrad einer S. aus kristallinem Si liegt zwischen 10 und 13%; im Laboratorium werden regelmäßig höhere Wirkungsgrade erzielt, vor allem mit anderen Halbleitermaterialien, wie Galliumarsenid. Neben den kristallinen S. gibt Solares die sog. Dünnschichtzellen aus amorphem Si, Halbleiterfilme, die auf ein Trägermaterial aufgebracht werden. Ihre Weiterentwicklung zielt auf stabile, großflächig einzusetzende und preisgünstige Massenware ab. Vorerst werden Dünnschichtzellen nur für allerkleinste Leistungen, in Taschenrechnern und Armbanduhren z. B. , verwendet. In der Elektronik: Halbleiterbauelement, das auf der Grundlage des fotoelektrischen Effekts Strahlungsenergie (Sonnenenergie) mit möglichst hohem Wirkungsgrad direkt in elektrische Energie umwandelt. S. entsprechen in ihrem elektrischen Verhalten den Halbleiterdioden. Um eine optimale Energiegewinnung zu gewährleisten, haben S. eine möglichst große Oberfläche, die zum Vermeiden von Reflexionen beschichtet ist. Bei Solarbatterien werden entsprechend den geforderten Leistungsparametern viele S. zusammengeschaltet. S. werden benutzt, um die Versorgungsspannungen für leistungsarme transportable Geräte, wie Taschenrechner oder Armbanduhren (auf der Basis der CMOS-Technik), bereitzustellen. Solarbatterien haben sich bei der Energieversorgung von Raumflugkörpern bewährt. Der Einsatz großer stationärer Solaranlagen wird zur Zeit mit Versuchsanlagen erprobt. Im Modellbau: als Spannungsquelle dienende Halbleiterzelle, die Lichtenergie in leitungsgebundene elektrische Energie umwandelt. In der Modelltechnik wurden interessante Versuche zum Antrieb von Modellen durch Batterien (Reihen- u. /od. Parallelschaltung von S.) von S. gemacht (Solarflug). Energietechnik, regenerierbare Energiequellen, Halbleiterbauelement zur direkten Wandlung sichtbaren Lichts in elektrischen Gleichstrom. Die Solarzelle basiert auf der Trennung von Elektron-Loch-Paaren durch ein inneres elektrisches Feld (»built-in field«), das im allgemeinen mit Hilfe eines p-n-Übergangs erzeugt wird. Die Effizienz einer Solarzelle lässt sich beziffern anhand ihres Wirkungsgrades, der hier definiert wird als das Verhältnis von maximal extrahierbarer elektrischer Leistung P_m und der einfallenden Lichtleistung P_L: h = P_m / P_L = U_LI_K F / P_L (U_L: Leerlaufspannung, I_K: Kurzschlussstrom, F: Füllfaktor). Der Füllfaktor F (Füllfaktor einer Solarzelle), F £ 1, charakterisiert dabei die Form der Strom-Spannungs-Kennlinie. Erreichbare Wirkungsgrade einer Solarzelle hängen von den beteiligten Verlustmechanismen ab, von denen nur ein geringer Anteil einer technologischen Optimierung zugänglich ist. Weitgehend grundsätzlicher Natur sind diejenigen Verluste, die auf der unvollständigen Absorption des Sonnenlichts im Halbleiter sowie einer unvollständigen Trennung der Ladungsträger bei einer endlich grossen Dotierung des Halbleitermaterials beruhen. Der wichtigste Parameter für den Wirkungsgrad ist jedoch die Energielücke E_G des Halbleiters (siehe Abb. 1). Photonen mit Energien hn < E_G werden nicht absorbiert, während solche mit hn > E_G zwar Elektron-Loch-Paare erzeugen, die jedoch den Anteil hn - E_G der Photonenergie durch sehr schnelle (» 10^-12 s) Relaxation an die Bandkanten in Form von Wärme an den Festkörper abgeben. Weitere Verlustmechanismen gehen auf die Rekombination der Ladungsträger, Reflexion des einfallenden Sonnenlichts sowie den von eins verschiedenen Wert des Füllfaktors zurück. Die technologischen Bemühungen konzentrieren sich v.a. auf die letztgenannten Verlustprozesse, wobei sich die Rekombination u.a. durch die Herstellung besonders defektarmer einkristalliner Siliciumzellen (siehe Abb. 2) reduzieren lässt, während Reflexionsverluste durch Antireflexbeschichtungen oder texturierte Oberflächen minimiert werden können. Der theoretisch erreichbare Wirkungsgrad einer Si-Solarzelle für normales Sonnenlicht liegt bei 28 %, wobei im Labor bereits Werte von 24,2 % erreicht wurden. Bei GaAs wurde bei einem theoretischen Wirkungsgrad von 29 % ein experimenteller Wert von 24,8 % gemessen. Weitere Verbesserungen lassen sich erzielen, wenn konzentriertes Sonnenlicht verwendet wird, da dies zu einer verbesserten Ladungstrennung führt, oder durch Verwendung sog. Tandemsolarzellen, bei denen durch Kombination zweier Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen E_G eine bessere Ausnutzung des Sonnenspektrums gewährleistet wird. Der bisher höchste Wirkungsgrad einer Solarzelle wurde mit einer GaAs/GaSb-Tandemsolarzelle unter 50facher Sonnenlichtkonzentration erzielt; der erreichte Wert betrug hierbei 33,7 %. (Sonnenenergie)

Solarzelle 1: Wirkungsgrad einer Solarzelle als Funktion der Energielücke des Halbleiters.

Solarzelle 2: Aufbau einer einkristallinen Solarzelle.