Silizium-Solarzelle: Aufbau, Funktion, Vor- und Nachteile

Solarzellen werden heutzutage überwiegend aus hochreinem, kristallinen Silizium hergestellt. Silizium ist ein Bestandteil von Quarzsand und eines der am häufigsten vorkommenden chemischen Elemente auf der Erde. Alles rund um den Aufbau, die Funktion sowie die Vor- und Nachteil von Silizium-Solarzellen erfahren Sie in diesem Artikel.

Was ist eine Silizium-Solarzelle? 

Eine Silizium-Solarzelle ist eine Zellart, die aus kristallinem oder amorphem Silizium besteht. Silizium-Solarzellen sind die meistverbreiteten Solarzellen auf dem Markt, weil ihr Herstellungsprozess vergleichsweise einfach ist. Zudem sind sie robust, langlebig und erreichen Wirkungsgrade von bis zu 23%. 

Wie ist eine Silizium-Solarzelle aufgebaut? 

Eine Silizium-Solarzelle besteht hauptsächlich aus einer n-dotierten Schicht und einem p-dotierten Silizium-Substrat. Zwischen Ihnen entsteht ein sogenannter p/n-Übergang, auch als Raumladungszone bekannt. Die Rückseite besteht aus einem metallischen Kontakt. Auf der Vorderseite werden eine Antireflexionsschicht sowie metallische Frontseitenkontakte aufgebracht.

Bei Silizium-Solarzellen werden dem hochreinen Silizium absichtlich Elemente wie Phosphor, Bor oder Aluminium zugesetzt. Dadurch wird die Gitterstruktur des Siliziumkristalls verändert. Im Prinzip führt diese Verunreinigung zu einer unterschiedlichen Dotierung der n- und p-Schichten:

• Der n-dotierten Schicht wird Phosphor hinzugefügt. Weil Phosphor mehr Elektronen als Silizium hat, ist diese Schicht negativ geladen;
• Der p-dotierten Schicht wird Bor oder Aluminium hinzugefügt. Weil diese Elemente weniger Elektronen als Silizium besitzen, entstehen sogenannte positiv geladene "Löcher".

Wie funktioniert eine Silizium-Solarzelle? 

Eine Silizium-Solarzelle funktioniert mittels photovoltaischen Effekts. Dieser entsteht, wenn Photonen auf die Raumladungszone treffen. Wird eine Verbindung zwischen den Polen der Solarzelle hergestellt, fließen die Elektronen zur positiven Elektrode, während die Löcher dort bleiben. Dieser Stromfluss bewirkt eine Rekombination von Elektronen und Löchern, wodurch der Prozess erneut beginnt.

Wenn der photovoltaische Effekt in der Raumladungszone oder in der Nähe stattfindet, löst sich das Elektron dauerhaft. Das von der Raumladungszone erzeugte elektrische Feld bewirkt, dass sich das negative Elektron und das positive Loch auseinander bewegen. Das Elektron wandert zur positiven Raumladung im n-dotierten Bereich, und das positive Loch wandert zur negativen Raumladung im p-dotierten Bereich. Dadurch entsteht eine Ladungstrennung und eine Spannung in der Solarzelle. Die Spannung wird über den Metallkontakten abgerufen.

Wenn die Metallkontakte einer Solarzelle mit einer Last verbunden sind, fließt Strom. Die Elektronen wandern die n-Schicht hinauf und treten in den äußeren Kreislauf ein. Löcher fließen durch die p-Schicht nach unten und werden durch Elektronen, die durch den äußeren Stromkreis zur p-Schicht fließen, wieder ausgeglichen. Dieser Prozess nennt man Rekombination. Durch Licht erzeugte Elektronen-Loch-Paare rekombinieren bevorzugt über den Stromkreis, weil der Widerstand der n- oder p-Schicht und des äußeren Stromkreises kleiner ist als der Widerstand der Raumladungszone.

Kennlinie einer Silizium-PV-Zelle

Die an Solarzellen abgreifbare Spannung ist abhängig vom Halbleitermaterial. Bei Silizium beträgt sie etwa 0,5 Volt. Die Klemmenspannung ist nur schwach von der Lichteinstrahlung abhängig, während die Stromstärke bei höherer Beleuchtungsstärke ansteigt. Bei einer 100 Quadratzentimeter großen Siliziumzelle erreicht die maximale Stromstärke unter Bestrahlung von etwa 1000 Watt pro Quadratmeter einen Wert von 2,2 Ampere. Sinkt die Bestrahlungsstärke, so sinkt die Stromstärke proportional.

Welche Typen von Silizium-Solarzellen gibt es?

Überwiegend kommen drei Typen von Silizium-Solarzellen zur Anwendung. Kristalline Solarzellen, die sich je nach Herstellungsverfahren in mono- oder polykristalline Solarzellen unterteilen, machen über 95% des Marktes aus. Zudem gibt es Dünnschicht-Solarzellen.

• Monokristalline Solarzellen bestehen aus einem Siliziumkristall.
• Polykristalline Solarzellen bestehen aus mehreren Siliziumkristallen.
• Dünnschicht-Solarzellen bestehen aus amorphen Silizium.

Wie wird eine Silizium-Solarzelle hergestellt? 

Je nach Typ von Silizium-Solarzellen werden verschiedene Herstellungsverfahren angewendet: 

• Monokristallines Silizium wird durch Ziehen eines Kristallstabs aus der Schmelze gewonnen. Der Kristallstab hat einen Durchmesser von ca. zwölf Zentimeter und eine Länge von ca. einem Meter. Monokristallines Silizium hat eine homogene atomare Anordnung in Form eines für Silizium typischen Kristallgitters. Es entsteht ein Einkristall. Für die Herstellung von monokristallinen Solarzellen wird dieser anschließend in Wafer geschnitten; 
• Polykristallines Silizium wird durch langsames Abkühlen von flüssigem Silizium in einer Form hergestellt. Es enthält mehrere kleine Kristalle unterschiedlicher Größe. Auch dieser Siliziumkristall wird anschließend in Wafer geschnitten;
• Amorphes Silizium weist keine Kristallstruktur auf und besteht aus ungeordneten Siliziumatomen. Solarzellen aus amorphem Silizium werden in der Regel nach dem Verfahren der plasma unterstützten chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD) hergestellt. Bei diesem Verfahren wird Silizium aus einem siliziumhaltigen Gas mithilfe eines Plasmas in seinem amorphen Zustand auf ein Trägermaterial abgeschieden.

Wie wird Silizium hergestellt?

Silizium kommt nicht in reiner Form vor, sondern ist in Substanzen wie Quarzsand oder Edelsteinen gebunden. Um Silizium-Solarzellen herzustellen, ist eine chemische Umwandlung und Reinigung notwendig. Für das in der Photovoltaik verwendete Silizium ist ein hoher Reinheitsgrad von über 99,999% erforderlich.

Welchen Wirkungsgrad erreicht die Silizium-Photovoltaik? 

Silizium-Solarzellen erreichen einen Wirkungsgrad zwischen 10 und 24%. Die höchste Effizienz erreichen monokristalline Solarzellen mit 18 bis 24%, gefolgt von polykristallinen Solarzellen mit 15 bis 17%. Die Amorphe Dünnschichtzellen erreichen lediglich einen Wirkungsgrad von 10 bis 15%.

Was sind die Vor- und Nachteile von Silizium-Solarzellen?

Silizium-Solarzellen sind eine etablierte Technologie. Sie erreichen die höchsten Wirkungsgrade aller marktreifen Solarzellen und erreichen eine Lebensdauer von bis zu 40 Jahren. Ihre Herstellung ist verhältnismäßig einfach und sie sind überall verfügbar. Allerdings erleiden sie Leistungseinbußen bei hohen Temperaturen und schwachem Licht. Zudem stoßen diese Art von Solarzellen an physikalische Grenzen, sodass ihre Entwicklung und Wirkungsgrad erschöpft sind.

Welche Alternativen zu Silizium-Solarzellen gibt es?

Für Hausbesitzer gibt es derzeit keine marktreifen Alternativen zu Silizium-Solarzellen. Organische Solarzellen sind zwar flexibel, ihr Wirkungsgrad ist jedoch sehr gering. Das könnte sich zukünftig ändern, da die Forschung an neuen Zelltypen arbeitet. Besonders spannend sind die Entwicklungen von Perowskit-Zellen und Tandem-Solarzellen. Forscher sprechen von deutlich höherer Effizienz und geringere Herstellkosten. 

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