Funktion einer Solarzelle

Funktionsprinzip und Zelltypen

Die heute auf dem Markt erhältlichen Solarzellen sind aus Silizium hergestellt. Silizium ist als Rohstoff auf der Erde in beliebigen Mengen billig verfügbar und findet als Halbleiter in der Elektronik breite Anwendung. Für die Herstellung der Solarzellen benötigt man jedoch hochreines Silizium; der Reinigungsprozess ist aufwendig und treibt die Kosten in die Höhe. Eine Solarzelle besteht im Prinzip aus zwei kristallinen Siliziumschichten. Diese Schichten werden positiv bzw. negativ dotiert, das bedeutet mit einer genau festgelegten Anzahl Fremdatome gezielt ?verunreinigt'. Für die positive Dotierung verwendet man Bor, für die negative Phosphor. So entstehen eine positiv und eine negativ geladene Schicht und dazwischen ein sogenannter p-n-Übergang. Treffen nun energiereiche Photonen des Sonnenlichts auf Siliziumatome im Grenzbereich der Schichten, dann lösen sie damit Elektronen aus der Si-Elektronenhülle aus ihrer Bindung und bewirken eine Teilung der Ladungsträger: die Elektronen springen in die n-Zone, in der p-Zone entsteht ein ?Loch'. Dieser Vorgang heisst photovoltaischer Effekt.

Am positiven und negativen Pol der Zelle, die mit den entsprechenden Schichten verbunden sind, lassen sich die geteilten Ladungen in Form von elektrischem Gleichstrom abzapfen. Die maximale Spannung beträgt dabei pro Zelle immer etwa 0.6 Volt; sie gilt für unendlichen Lastwiderstand und heisst daher auch Leerlaufspannung (ohne Strom). Die maximale Stromstärke gilt bei Kurzschluss, der bei Solarzellen erlaubt ist, und heisst Kurzschlussstrom (ohne Spannung). Zwischen diesen beiden extremen Betriebszuständen gibt es ein Leistungsoptimum, auch als Pmax oder MPP (Maximum Power Point) bezeichnet. Im nebenstehenden Graph, der Kennlinie einer Solarzelle, wird Pmax durch die maximale Rechtecksfläche dargestellt. Die Leistung einer Solarzelle ist übrigens von der Zelltemperatur abhängig: je höher die Temperatur, desto geringer der Ertrag.

Eine gute Luftkühlung ist also wichtig. Findige Köpfe experimentieren bereits mit kombinierten Kollektor-Zellen: dies sind Solarzellen, die mit Wasser gekühlt werden und so auch gleich Warmwasser produzieren.

Der photovoltaische Effekt wurde 1839 vom französischen Physiker Edmond Becquerel entdeckt, allerdings auf der Basis eines Elektrolytes mit zwei Metallelektroden. Die Siliziumzelle dagegen ist noch relativ jung. Ihre ursprüngliche Anwendung war die Stromerzeugung für die NASA im Weltraum. 1959 wurde Vanguard als erster Satellit mit Sonnenzellen bestückt.

Dem theoretischen Modell kommt die monokristalline Solarzelle am nächsten: sie besteht tatsächlich aus einem einzigen Kristall mit zwei Schichten. Das Ausgangsmaterial für die Herstellung sind riesige gezüchtete Silizium-Einkristalle von etwa 10 cm Seitenlänge. Sie werden in hauchdünne Scheiben gesägt und anschliessend dotiert und kontaktiert. Monokristalline Solarzellen erreichen relativ hohe Wirkungsgrade von 15-22%. (Der theoretisch erreichbare Maximalwirkungsgrad liegt für Siliziumzellen bei 40%; dies hat mit der Tatsache zu tun, dass Sonnenstrahlen im energiearmen Infrarot- und Rotbereich keinen photovoltaischen Effekt bewirken können.) Sie haben aber zwei Nachteile: erstens den hohen Preis, zweitens die hohe energetische Rückzahldauer. Dies ist die Zeit, während der die Solarzelle Strom produzieren muss, bis sie die für ihre Herstellung verbrauchte Energie wieder zurückgewonnen hat. Für monokristalline Module liegt die energetische Rückzahldauer bei maximal sieben Jahren. Trotz dieser Nachteile sind die Zellen für anspruchsvollere Anwendungen, etwa für Solarmobile, bestens geeignet.

Polykristalline Solarzellen ähneln in ihrem Aufbau den monokristallinen, bestehen aber aus vielen Kristallen. Auch sie werden aus Kristallblöcken gesägt, diese sind jedoch gegossen und daher heterogen. Die Schwierigkeiten bei der Herstellung der grossen Einkristalle entfallen. Die Wirkungsgrade polykristalliner Zellen liegen mit 10-15% etwas tiefer, was sich allerdings preislich ausbezahlt. Für die Herstellung wird bedeutend weniger Energie benötigt. Solarex, führender Hersteller polykristalliner Module, recycelt für die Herstellung ausserdem Siliziumabfälle aus der Halbleiterindustrie.

Grundsätzlich anders sind amorphe Solarmodule oder Dünnschichtmodule aufgebaut. Das Silizium liegt hier nicht in kristalliner Form vor, dennoch zeigt es dieselben Eigenschaften wie kristallines Silizium. Das Material wird beim Herstellungsprozess auf eine Trägerplatte aus Glas aufgedampft. Dieser Vorgang ist sehr energiesparend. Zwar sind die Wirkungsgrade mit 5-10% erheblich tiefer als bei kristallinen Modulen, der Strompreis ist jedoch günstiger. Für Solaranlagen werden amorphe Module bisher selten verwendet. Dies mag daran liegen, dass die aus den Achtzigern stammende Technik noch relativ jung ist. Zu Beginn hatten einige Hersteller Probleme mit der Haltbarkeit ihrer Module; es waren Leistungsabfälle zu verzeichnen. Inzwischen sind auch amorphe Module mit einer 10-Jahres-Leistungsgarantie erhältlich. In grossem Umfang kommen amorphe Zellen in Taschenrechnern und Kleingeräten zum Einsatz.

Von den revolutionären neuen Solarzellen, welche in der Presse regelmässig angekündigt werden, ist bisher leider noch keine einzige auf dem Markt erhältlich. Dennoch gibt es hoffnungsvolle Ansätze, die eines Tages wahrscheinlich zu Resultaten führen werden. Im Gerede sind unter anderem die Zellen von Prof. Grätzel an der ETH Lausanne. Diese Zellen bestehen nicht mehr aus Silizium, sondern aus dem billigen Farbstoff Titandioxid und einer Jodlösung, eingeschlossen zwischen zwei Glasplatten. Sie werden aber bisher noch nicht industriell gefertigt. Mit der Grätzel-Zelle könnten die Kosten nach Schätzungen um vier Fünftel reduziert werden. Andere Ansätze sind oder waren im Gespräch, beispielsweise Solarzellen aus billigen Rohsilizium-Kügelchen (Texas Instruments, Dallas). Aus Australien schliesslich kommt die erfolgsversprechende Idee der mehrschichtigen Solarzelle. Sie ähnelt einer Überlagerung mehrerer amorpher Zellen und benötigt qualitativ weniger hochwertiges Silizium. Prof. Green an der University of N.S. Wales glaubt, diese Zellen eines Tages zu einem Zwanzigstel des Preises heutiger Zellen herstellen zu können. An der Universität Neuenburg gehen die Forschungen mit den 'mikromorphen Zellen' von Prof. A. Shah in eine ähnliche Richtung.

Im allgemeinen sind Sensationsmeldungen über den 'Durchbruch' der Photovoltaik aber mit Vorsicht zu geniessen. Denn die Solarzellen sind nicht alles: die anderen Teile einer Solaranlage sowie die Montage und Installation verursachen ebenfalls einen stolzen Anteil der Kosten.

Auf dem Weltmarkt haben sich die grossen Hersteller wie Solarex, Siemens Solar, BP Solar und Kyocera mit ihren qualitativ hochstehenden Solarmodulen einen Namen gemacht. Zur Bestärkung des Vertrauens in die neue Technologie sind für Solarmodule einmalig hohe Garantiefristen üblich: Solarex gewährte für seine MSX-Module als erster Hersteller 20 Jahre Leistungsgarantie (±10%). Für viele Module liegt der Standard bei zehn Jahren. Die Lebensdauer der Module wird allgemein vorsichtig auf etwa 30 Jahre geschätzt.

Autonome Anlagen

Eine autonome oder Inselanlage erzeugt Strom für ein Haus oder einen Verbraucher ohne Verbindung zum Elektrizitätsnetz. In der Schweiz befindet sich ein Grossteil der autonomen Anlagen in abgelegenen Häusern oder SAC-Hütten. Hier ist eine Solaranlage oft die wirtschaftlichste Methode der Stromproduktion. Eine solche Anlage umfasst als wesentliches Merkmal einen Stromspeicher für die Nacht oder Schlechtwettertage. Da die Solarzellen Gleichstrom liefern, betreibt man die Verbraucher wenn möglich direkt mit der Batteriespannung von 12 oder 24 Volt; dies macht einen Wechselrichter überflüssig. Diese niedrigen Betriebsspannungen haben sich in der Pionierzeit der Solarenergie eingebürgert; sie wurden von den Gleichspannungs-Bordnetzen in Autos und Lastwagen übernommen. Aus heutiger Sicht ist diese Spannungswahl etwas unglücklich, denn sie verursacht gegenüber gewöhnlichen Hausinstallationen die zehn- beziehungsweise zwanzigfachen Ströme, was teure Kabel mit grossen Querschnitten erfordert.

Für die Speicherung werden hochwertige Bleiakkumulatoren verwendet. Damit diese niemals überladen oder tiefentladen werden, was sich negativ auf ihre ohnehin begrenzte Lebensdauer auswirken würde, wird ein Laderegler vorgeschaltet. Der Laderegler überwacht ständig den Ladezustand der Akkus. Zur Leistungssteigerung der Anlage eignet sich ein Maximum Power Tracker, der die Solarzellen ständig im optimalen Betriebszustand Pmax (siehe oben) arbeiten lässt. Die Leistung kann so um etwa 10% erhöht werden. Nicht zu vergessen ist der Blitzschutz der Module; da sie meist an exponierten Stellen montiert werden (Dach, Fassade oder Mast), wären die teuren Kristalle durch Unwetter sonst stark gefährdet.

Bei den Verbrauchern ist auf möglichst sparsame Geräte zu achten. Das Sortiment an Niedervolt-Geräten wie Kühlschränken, Fernsehern, Motoren oder gar Waschmaschinen ist leider etwas eingeschränkt, und die Geräte sind ausserdem teuer. Keine Probleme stellen sich dagegen bei Lampen und einfacheren Radios. Auf energiefressende Geräte wie elektrische Kochherde, Boiler und Heizlüfter sollte man in solchen Anlagen unbedingt verzichten. Meist handelt es sich ohnehin um Kleinanlagen, in welchen mit dem Strom sehr ökonomisch umgegangen werden muss.

Netzgekoppelte Anlagen

Anlagen, welche an das öffentliche Stromnetz angeschlossen sind und Energie einspeisen, heissen netzgekoppelte oder Netzverbund-Anlagen. Das Netz wirkt dabei wie ein Energiespeicher: tagsüber speist die Anlage überschüssigen Strom über den Wechselrichter ins Netz, abends kann Strom aus dem Netz bezogen werden. Gerade tagsüber ist der Stromverbrauch im Netz besonders hoch; das Verfahren ist also sinnvoll. Netzgekoppelte Anlagen wandeln ihre gesamte Produktion in 230V Wechselstrom um; die Niedervolt-Installationen entfallen, und es können normale Verbraucher verwendet werden. Absolut sinnlos ist aber auch hier die Verwendung etwa eines Elektroboilers in Verbindung mit einer Solarzellenanlage; eine thermische Anlage ist da viel billiger und geeigneter. Deshalb sollte man der thermischen Sonnennutzung unter Umständen Priorität einräumen.

Der Standard für netzgekoppelte Anlagen auf Einfamilienhäusern ist heute die 3-kWp-Anlage. (kWp bedeutet ?Kilowatt peak' und bezeichnet die maximale Leistung der Module bei standardisierten Bedingungen.) Sie findet mit ihren 20-30 m2 (je nach Zelltyp) auf einem Süddach bequem Platz und vermag den Stromverbrauch eines sparsamen Haushaltes zum grössten Teil zu decken. Für die installierte Nennleistung von 1 kWp rechnet man im Schweizer Mittelland mit etwa 840 kWh jährlicher Solar-Ernte. In nebelfreien oder alpinen Gebieten erhöht sich dieser Wert zum Teil markant, wie insbesondere die Anlage auf dem Jungfraujoch beweist. Deshalb könnten grössere netzgekoppelte PV-Anlagen in den Alpen eines Tages elektrizitätswirtschaftlich interessant werden. Viele Elektrizitätswerke taten sich schwer mit dem Rückkauf der eingespeisten Energie. Immer häufiger aber sind die Gesellschaften bereit, für den teuren Solarstrom einen angemessenen Preis zu bezahlen, teilweise sogar mehr als den üblichen Hochtarif. Mit Energiepreisen von 80 bis 120 Rappen pro kWh (ohne Subventionen) bleibt die Photovoltaik aber ein Verlustgeschäft.