Photovoltaik: Solarstrom und Solarzellen in Theorie und Praxis

Das Wort Photovoltaik ist eine Zusammensetzung aus dem griechischen Wort für Licht und dem Namen des Physikers Alessandro Volta. Es bezeichnet die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie mittels Solarzellen. Der Umwandlungsvorgang beruht auf dem bereits 1839 von Alexander Bequerel entdeckten Photoeffekt. Unter dem Photoeffekt versteht man die Freisetzung von positiven und negativen Ladungsträgern in einem Festkörper durch Lichteinstrahlung.


Wie funktioniert eine Solarzelle?

Solarzellen bestehen aus verschiedenen Halbleitermaterialien. Halbleiter sind Stoffe, die unter Zufuhr von Licht oder Wärme elektrisch leitfähig werden, während sie bei tiefen Temperaturen isolierend wirken.
Über 95 % aller auf der Welt produzierten Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium (Si). Silizium bietet den Vorteil, daß es als zweithäufigstes Element der Erdrinde in ausreichenden Mengen vorhanden und die Verarbeitung des Materials umweltverträglich ist.
Zur Herstellung einer Solarzelle wird das Halbleitermaterial "dotiert". Damit ist das definierte Einbringen von chemischen Elementen gemeint, mit denen man entweder einen positiven Ladungsträgerüberschuß (p-leitende Halbleiterschicht) oder einen negativen Ladungsträgerüberschuß (n-leitende Halbleiterschicht) im Halbleitermaterial erzielen kann.
Werden zwei unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten gebildet, entsteht an der Grenzschicht ein sogenannter p-n-Übergang.

Funktion eine Solarzelle

 

Prinzipieller Aufbau einer kristallinen Solarzelle

An diesem Übergang baut sich ein inneres elektrisches Feld auf, das zu einer Ladungstrennung der bei Lichteinfall freigesetzten Ladungsträger führt. Über Metallkontakte kann eine elektrische Spannung abgegriffen werden. Wird der äußere Kreis geschlossen, das heißt ein elektrischer Verbraucher angeschlossen, fließt ein Gleichstrom.
Siliziumzellen sind etwa 10 cm ´ 10 cm groß (seit kurzem auch 15 cm ´ 15 cm). Eine durchsichtige Antireflexschicht dient zum Schutz der Zelle und zur Verminderung von Reflexionsverlusten an der Zelloberfläche.


 

Eigenschaften einer Solarzelle

Die an Solarzellen abgreifbare Spannung ist abhängig vom Halbleitermaterial. Bei Silizium beträgt sie etwa 0,5 V. Die Klemmenspannung ist nur schwach von der Lichteinstrahlung abhängig, während die Stromstärke bei höherer Beleuchtungsstärke ansteigt. Bei einer 100 cm² großen Siliziumzelle erreicht die maximale Stromstärke unter Bestrahlung von 1.000 W/m² etwa einen Wert von 2 A .

Kennlinie einer SolarzelleStrom-Spannungs-Kennlinie
einer Si-Solarzelle

Die Leistung (Produkt aus Strom und Spannung) einer Solarzelle ist temperaturabhängig. Höhere Zelltemperaturen führen zu niedrigeren Leistungen und damit zu einem schlechteren Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad gibt an, wieviel der eingestrahlten Lichtmenge in nutzbare elektrische Energie umgewandelt wird.


Unterschiedliche Zelltypen

Je nach Kristallart unterscheidet man drei Zelltypen: monokristallin, polykristallin und amorph.
Zur Herstellung von monokristallinen Siliziumzellen benötigt man hochreines Halbleitermaterial. Aus einer Siliziumschmelze werden einkristalline Stäbe gezogen und anschließend in dünne Scheiben gesägt. Dieses Herstellungsverfahren garantiert relativ hohe Wirkungsgrade.
Kostengünstiger ist die Herstellung von polykristallinen Zellen. Dabei wird flüssiges Silizium in Blöcke gegossen, die anschließend in Scheiben gesägt werden. Bei der Erstarrung des Materials bilden sich unterschiedlich große Kristallstrukturen aus, an deren Grenzen Defekte auftreten. Diese Kristalldefekte haben einen geringeren Wirkungsgrad der Solarzelle zur Folge.
Wird auf Glas oder anderes Substratmaterial eine Siliziumschicht abgeschieden, spricht man von amorphen- oder Dünnschichtzellen. Die Schichtdicken betragen weniger als 1 µm (Dicke eines menschlichen Haares: 50-100 µm), so daß die Produktionskosten allein wegen der geringeren Materialkosten niedriger sind. Die Wirkungsgrade amorpher Zellen liegen allerdings noch weit unter denen der anderen beiden Zelltypen. Anwendung finden sie vor allem im Kleinleistungsbereich (Uhren, Taschenrechner) oder als Fassadenelemente.

Material

Wirkungsgrad in %
Labor

Wirkungsgrad in %
Produktion

Monokristallines
Silizium

etwa 24

15 bis 18

Polykristallines
Silizium

etwa 18

14 bis 17

Amorphes
Silizium

etwa 13

5 bis 10


Degradation von Zellen

Degradation bezeichnet die Leistungsminderung von Photovoltaik Modulen im Laufe der Zeit. Alle Werkstoffe altern, auch Solarmodule, wobei die Degradation von kristallinen und Dünnschichtzellen sich erheblich unterscheidet. Die Degradation muss bei der Ermittlung der möglichen Erträge einer Photovoltaikanlage berücksichtigt werden.

Degradation von Solarzellen
Bei Photovoltaik Modulen wird hinsichtlich der Degradation ein Zeitraum von 20 bis 25 Jahren betrachtet. Die meisten Hersteller geben heute eine Leistungsgarantie für mindestens 20 Jahre. Diese Leistungsgarantien sind häufig gestaffelt: 10 Jahre werden 90 % des Wirkungsgrades garantiert, darüber hinaus noch 80 %. Das passt zu den Erwartungen an die Degradation der Solarmodule: Üblich ist die Annahme von 0,5 % Leistungsverlust pro Jahr. Das würde bedeuten: Nach zehn Jahren verfügen die Module noch über 95 % ihres Wirkungsgrades.

kristalline Modulen
Wissenschaftliche Untersuchungen haben gezeigt, dass die Degradation bei kristallinen Photovoltaik Modulen im Mittel nur bei circa 0,1 % pro Jahr liegt. Hinzu kommt jedoch eine Degradation von ein bis zwei Prozent in den ersten Tagen nach Inbetriebnahme. Allerdings wird die Anfangsdegradation schon bei der Deklarierung des Wirkungsgrads berücksichtigt, sodass letztlich die Module anfangs über 100 % der angegebenen Leistung bringen. Eine eindeutige Ursache der Degradation ist wissenschaftlich noch nicht abschließend geklärt. Derzeit beschäftigt man sich vor allem mit der PID, potential induced degradation oder spannungsinduzierten Degradation (siehe auch unsere Rubrik "Verschaltung" im unteren Drittel der Seite).

Die Degradation unterscheidet sich zwischen mono- oder polykristallinen Solarmodulen nicht.

Dünnschichtzellen
Ganz anders sieht die Degradation bei Dünnschichtzellen aus. Bei amorphen Photovoltaik Modulen gibt es eine starke sogenannte Anfangs-Degradation. Sie liegt in den ersten 1000 Betriebsstunden bei bis zu 25 %. Diese Anfangsdegradation ist auf den Staebler-Wronski-Effekt zurückzuführen. Dieser beschreibt die Veränderungen in amorphem Silizium, die durch Lichteinwirkung hervorgerufen werden. Vollständig erklärt ist der Effekt jedoch noch nicht. Nach dieser anfänglichen Degradation altern Dünnschichtzellen kaum mehr. Nicht betroffen von der Anfangsdegradation sind CIS-Zellen, bei denen eine übliche Degradation wie bei kristallinen Modulen beobachtet wird.


Von der Zelle zum Modul

Um für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche geeignete Spannungen bzw. Leistungen bereitstellen zu können, werden einzelne Solarzellen (üblicherweise 72 Stück) zu größeren Einheiten (Modul) miteinander verschaltet. Eine Serienschaltung der Zellen hat eine höhere Spannung zur Folge, eine Parallelschaltung einen höheren Strom. Die miteinander verschalteten Solarzellen werden meist in transparentem Ethylen-Vinyl-Acetat eingebettet, mit einem Rahmen aus Aluminium oder Edelstahl versehen und frontseitig transparent mit Glas abgedeckt.
Die typischen Nennleistungen solcher Solarmodule liegen zwischen 170 Wpeak und 200 Wpeak. Die Kenndaten der Solarmodule beziehen sich auf die Standardtestbedingungen von 1000 W/m² Sonneneinstrahlung bei 25 °C Zelltemperatur. Die von den Herstellern angegebenen Garantiezeiten sind mit in der Regel 20 bis 25 Jahren recht hoch und bezeugen den hohen Qualitätsstandard und die hohe Lebenserwartung heutiger Produkte.


Das schwächste Glied 

Jede Kette ist nur so stark wie ihr schwächstes Glied. Diese Tatsache sollte auch und vor allem bei der Installation einer Photovoltaik-Anlage beachtet werden. Denn wie die Zellen im Modul, so sind in der Regel auch die Module hintereinander, also in Reihe (Strings) verschaltet. Wenn nun ein Modul zum Beispiel durch Verschattung oder aufgrund von Fertigungstoleranzen weniger Leistung bringt [hier klicken], als alle anderen in diesem String (Strang, Reihe), dann ist dieser String auf die Leistung dieses Modules beschränkt! Schon eine sehr geringe Verschattung auf einem einzigen Modul (zum Beispiel Oberleitung, Antenne ect.) kann also die Leistung der PV-Anlage deutlich schmälern! Achten Sie deshalb ganz genau auf potenzielle Schattenspender und auch unbedingt darauf, dass nach Möglichkeit keine oder nur sehr geringe Leistungsschwankungen innerhalb der Module eines Strings vorhanden und die Module der einzelnen Strings auch alle gleich geneigt und ausgerichtet sind um sogenannte "Missmatch-Verluste zu verhindern"!

Leider ist auch nicht immer Verlass, dass die Angaben der Hersteller zu den Leistungstoleranzen stimmen und eingehalten werden und selbst wenn Sie einen Einzelvermessungsnachweis (auch Flasher-Liste) genannt erhalten, müssen Sie damit rechnen, dass diese Werte aufgrund von Messtoleranzen nicht immer korrekt sind! Üblicherweise kommen zu den angegebenen Leistungstoleranzen noch +- 2%-3% Messabweichung hinzu!

Besser, Sie bestehen auf Parallel oder Paarverschaltung der einzelnen Module (nicht nur der Strings). Momentan gibt es aber, aufgrund der hierfür notwendigen und aufwendigeren Wechselrichtertechnik, kaum Anbieter auf dem Markt. Trotzdem lohnt es sich, danach zu fragen! Auch aus Sicherheitsgründen ist die Parallelverschaltung einer Reihenverschaltung vorzuziehen [siehe Verschaltung]

 

Für Animation bitte das Bild anklicken

Reihen-/Sting-Verschaltung von Solarmodulen

 

Natürliche Grenzen beim Wirkungsgrad

Außer an der Optimierung von Produktionsprozessen arbeitet man auch an einer Erhöhung der Wirkungsgrade, um zu einer Verbilligung der Solarzellen zu kommen. Unterschiedliche Verlustmechanismen setzen diesem Vorhaben aber Grenzen. Grundsätzlich sind die einzelnen Halbleitermaterialien oder -kombinationen nur für bestimmte Spektralbereiche des einfallenden Lichtes geeignet. Ein bestimmter Anteil der Strahlungsenergie kann also nicht genutzt werden, weil die Lichtquanten (Photonen) nicht über ausreichend Energie verfügen, um Ladungsträger "aktivieren" zu können. Auf der anderer Seite wird ein gewisser Anteil an Photonen-Überschußenergie nicht in elektrische Energie, sondern in Wärme umgewandelt. Hinzu kommen optische Verluste, wie die Abschattung der Zelloberfläche durch die Kontaktierung oder die Reflexion einfallender Strahlung an der Zelloberfläche. Auch elektrische Widerstandsverluste im Halbleiter und in den Anschlußleitungen sind als Verlustmechanismen zu nennen. Der störende Einfluß von Materialverunreinigungen, Oberflächeneffekten und Kristalldefekten ist ebenfalls nicht unerheblich.
Einzelne Verlustmechanismen (Photonen mit zu geringer Energie werden nicht absorbiert, Photonen-Überschußenergie wird in Wärme umgewandelt) können nicht weiter optimiert werden, weil sie aus physikalischen Gründen durch das verwendete Material vorgegeben sind. Dies führt zu einem theoretisch maximalen Wirkungsgrad von beispielsweise etwa 28 % bei kristallinem Silizium.

Wirkungsgrade von Zellen
Maximale
theoretische
Wirkunsgrade
verschiedener
Solarzellen bei
Standardbedingungen
Neue Wege

Oberflächenstrukturierung zur Verminderung von Reflexionsverlusten:

Zum Beispiel Aufbau der Zelloberfläche in Pyramidenstruktur, damit einfallendes Licht mehrfach auf die Oberfläche trifft. Neue Materialien: Zum Beispiel Galliumarsenid (GaAs), Cadmiumtellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-Diselenid (CuInSe2 oder CIS).

 

Siehe auch [Vorsicht Nepp]

 


Mehr Informationen zu den einzelnen Punkten geben wir Ihnen gerne bei einem persönlichen Gespräch.
Einfach hier klicken oder rufen Sie uns doch an: 07024/ 8 68 93 26.
Wir freuen uns auf Ihren Anruf!


Home - Wieso Solarenergie - Pro und Contra - Grundsätzliches - Komponenten - Projekte - Rechtliche Grundlagen - Finanzierung
- Versicherungsschutz - Optimale Voraussetzungen - Standort - Vorsicht Nepp - Beratungsgutschein - Kontakt/Impressum

Diese Seite ist Bestandteil der Webseite www.photovoltaik-in.de
Sofern die Seite ohne Frame dargestellt wird, haben Sie sie direkt aufgerufen!
Um zur Hauptseite mit Frames zu gelangen, klicken Sie hier: www.photovoltaik-in.de
Dieses Dokument wurde zuletzt geändert am :